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有「核」不可?–核能疑慮面面觀
 
 
兩年前的 3 月 11 日,日本福島第一核電廠,因強烈地震引發的海嘯,沖毀了電力系統,造成核電廠反應爐冷卻系統失靈、導致反應堆溫度飆高,燃料棒損壞,以致輻射外洩,震驚了世界,也引起臺灣民眾的恐慌,及對核電安全的重視與疑慮,更進一步引發反核浪潮,政府也因此希望在最近的未來以公投決定核四存廢。展望未來,非「核」不可?有「核」不可?「核」去「核」從?讓我們先從核能發電的基本原理,以及核能電廠的基本特性談起,來探討核能安全、核輻射,與核廢料的相關議題。

演講一開始,周教授以「潘朵拉的『核子』」為標題,先簡單介紹了原子能的發展、核能應用的歷史,以及清大核工系的設立和周教授自己的求學任職過程:全球第一座原子爐建於1942年的美國,而在1951年美國建立了第一座實驗核電裝置,當時的功率僅為1千瓦,臺灣當時對核能的發展不落人後,在1961年於清華大學就建立了臺灣第一座反應爐!

周教授接著介紹核能發電的基本原理:目前的核電技術是利用核分裂以釋放出原子核的巨大能量。周教授以剖西瓜為比喻,一個原子核經中子撞擊後,產生兩個較輕的新原子核並射出數個中子,就有如將西瓜剖半,同時會飛出幾粒西瓜子一樣。第一次核反應所釋放出來的中子,又可以觸發其他原子核的分裂,進而產生鏈鎖反應,放出龐大能量。這些能量怎麼來的?在反應的過程中,有一點點質量會消失,損失的質量,會依照愛因斯坦的方程式 E = mc2 轉成能量,一次鈾元素的分裂反應可以產生約兩億電子伏特(eV)的能量,所以一顆小指頭大小的燃料丸可以產生相當於燃燒一噸煤的能量!一噸煤大約可以裝滿應力所演講廳的一半空間,核反應所能提供的能量確實驚人!

人類所能控制進行的核分裂所使用的母原子主要是鈾-235、鈽-239,和鈾-233,但是後兩者為人造產物,不存在於自然界。又因為鈽-239可以用在核子武器中,為了防止核武擴散,多數國家選擇以鈾-235做為核電廠的燃料。鈾-235雖然也可以用在核武,但大自然中鈾-235的濃度僅0.72%,同位素鈾-238為99.28%,鈾-235分裂時放出慢中子引發鏈鎖反應,然而同位素鈾-238卻可以吸收慢中子以作為鏈鎖反應的緩衝,所以一個是「油門」(鈾-235),一個是煞車(鈾-238)。低濃度的鈾無法產生大規模的爆炸,所以若要製造原子彈,需要把鈾精鍊到武器等級(例如:廣島原子彈中鈾-235的濃度為70%),需要高度的離心濃縮技術,將鈾-235的濃度大幅提升,但是核電廠燃料棒中的鈾-235只經過低度濃縮,濃度約為3 ~ 5%,無法產生類似原子彈一樣的爆炸,所以坊間媒體常常將核電廠比擬成原子彈是錯誤的,因為兩者完全無法類比。

我們如何將核能轉換為電能呢?周教授深入淺出的講解了三種核反應器,分別是:快中子反應器、慢中子反應器(或稱輕水式反應器),和石墨水冷反應器。
  1. 快中子反應器是先以快中子撞擊鈾-238產生鈽-239,再以鈽-239進行核分裂反應。然而,呼應前面所述,鈽-239有著核武擴散等疑慮,因此這類反應器較少興建;
  2. 輕水式反應器為多數國家核電廠採用。可分為沸水式(核一、二、四)與壓水式(核三)。沸水式反應器,顧名思義即是將水直接煮沸,以蒸汽推動氣渦輪機發電,是直接循環的單迴路系統。壓水式反應器則是透過熱交換器將通過爐心的迴路(加壓水不沸騰)與通過氣渦輪機的迴路分開,是間接循環的雙迴路系統。輕水式反應器以水中的氫原子(和中子質量相當,撞擊時的能量轉換就像撞球中的「定桿」一樣,可以將慢中子的速度大幅減緩)和鈾-238為吸收劑。
  3. 石墨水冷反應器則多由蘇聯運轉,兼有發電與製造核武原料的功能。然而使用石墨當作中子吸收劑的效率較差,而且為了要常常取出新生成的核武原料,所以沒有圍阻體設計,危險性較大,1987年車諾比核電廠事故即是一例。  

周教授接著為大家解說核電安全的疑慮與迷思:上文提過,核電廠不可能像原子彈一般爆炸,理由之一是兩者燃料的濃度不同,而且鈾-238含量越多的核燃料,當核反應越強烈時,吸收中子的能力就越大,因此分裂反應不會一直增強;另外水的「空泡效應」也會造成負回饋,減低反應的發生;此外核電廠事故與核爆所釋放出來的物質也不同,核電廠事故所放出的放射物質是短半衰期的碘-131和銫-137,不同於核爆所放出的長半衰期產物。周教授也提醒我們,從五零年代冷戰開始到現在的幾十年間,各個擁核國家所進行的多次大氣核試,已經在我們生活周遭留下了許多長半衰期的核物質,我們每天的生活中,放射線的背景強度許多是來自這些物質。

談到過去所發生過的核災變,周教授作了簡單清楚的分析:美國賓州三哩島事故及福島的事故,都來自輕水式反應器。事故原因是在緊急停爐之後,燃料棒仍有「餘熱」釋出,這種「餘熱」即「衰變熱」,是原子由激態掉回穩態所放出的能量,約為正常運轉功率的6%,這種「餘熱」若無法順利冷卻帶走,則會燒損鋯合金材料的護套,與水遇合產生氫氣,最終引發氫爆。為避免餘熱留存造成災害,核電廠多半設計有多套剎車:緊急爐心冷卻系統、裝有十萬噸水的生水池,以及圍阻體屏蔽,為了因應停電的困擾,有的設計是將緊急冷卻水位置提高,由重力效應將水注入。美國三哩島的事故帶給了核工界深刻教訓,於是將「單一失效」的想法轉換為「多重失效」風險的評估。而在福島事故時,電廠撐過了強震,卻因為海嘯造成置於地下室的緊急發電機淹水,再加上電池耗盡,而使爐心升溫產生氫爆。相比於距離震央更近的女川核電廠,因為是建在14.8公尺的高地上,設計基準較福島電廠為高,在這次地震加海嘯的複合式災難中女川電廠就能夠撐過來。  

整場演講周教授提供了完整的核能原理的介紹,和核能安全及疑慮的說明,這就是我們希望在這個系列中所能提供展望聽眾的資訊:在決定臺灣如何走向「非核家園」及「低碳家園」的過程中,我們應該充分瞭解各項能源產生的原理和現況,在考慮整體國家的政策方向時,才能夠作出理性和平衡的決定。

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