《核能應用解析》釷+石墨+熔鹽 未來核能方向
【聯合報╱陳幸萱】中華民國一百年四月十八日
日本福島發生核安事件，核能發電的安全及必要性再度成為世界各國的焦點。當核反應開始之後，要保持反應速率產生「連鎖反應」，必須依靠慢速的中子；而核反應後會先產生動能較高、速度較快的中子，則不容易誘發下一階段的核反應。
核廢料處理是各國頭痛問題，美國土地大，可選擇的處理地點也較多，圖為內華達沙漠的核廢料儲存場。（法新社）
蘇俄車諾比核電廠，當年發生大災難，但現在已復工，員工下班時要檢查身上是否有過量輻射線。（法新社）
中央研究院院士徐遐生表示，目前有一套「新的辦法」可以處理核能發電的風險。他指出，過去就已經有使用石墨當中子減速劑、用熔鹽做冷卻劑的想法，只是一直沒有人成功做出來；預期用釷當燃料，配合石墨和熔鹽，將是未來核能的新方向。
石墨的傳熱效能好、可以耐高溫；不像水遇高溫會變成氣體，同時也比大多數反應器壓力槽的金屬材料耐熱，可以提高核反應的功率。
徐遐生表示，目前有65%核分裂產生的熱都無法使用，如果提高材料耐高溫能力，將可提升10%的核能使用率。
而石墨也不會與核分裂放出的中子發生作用，是理想的中子減速材料。
熔鹽就是熔融態的鹽類，是液體，可以用來阻隔石墨和氧氣在高溫下產生燃燒反應。用熔鹽取代水，做為「工作流體」帶走熱量，不僅提高系統溫度、創造更高效能，也更加安全。
徐遐生說，溫度達400℃以上，鹽就會變液體；在高溫下，熔鹽不會產生蒸氣、更不會產生氫氣，因此沒有使反應爐壓力過大而爆炸的危險。
如果不慎發生輻射外釋的情況，輻射物質混在熔鹽中，碰到室溫就會冷卻成固態的「輻射鹽」，也不會跟著水蒸氣飄散到空氣中，造成輻射汙染。
徐遐生說，使用釷232當燃料，則是考量到地球上的釷含量比鈾更多。他也指出，釷和鈾發電的效率一樣高，而核廢料中的鈽也可以用來製造釷，讓核廢料變燃料。並且中子撞擊釷232分裂後的產物，半衰期最長只有30年；目前鈾235分裂生成的鈽239，半衰期就可達兩萬四千年，相比之下儲藏的難度較低。
鈾燃料。（法新社）
徐遐生表示，這是「用新材料搭配舊方法，」讓核能發電更安全。但白寶實指出，台灣應不可能發展釷燃料發電，因為提煉釷的技術同時也可以製造核武，受到管制。徐遐生目前正和美國柏克萊、密西根大學與麻省理工學院合作，希望三年內能用「新材料」造出一個小的核能爐。
反應器中的水：冷卻劑、緩速劑
國立清華大學核子工程研究所教授白寶實說，一般的核能發電的能量來源，就在「慢中子反應器」（或稱熱中子反應器）裡；而核電所需承擔的風險，也是來自反應器。
在慢中子反應器中，須先用一個速度比較慢的「慢中子」去撞擊鈾235原子，讓鈾原子產生分裂，過程中會損失質量。根據愛因斯坦的特殊相對論△Ｅ=△mc2，質量與能量可以互換；虧損的質量會變成能量，成為核能發電的能量來源。
白寶實說，一個分裂過程大概可以產生210百萬電子伏特的能量，其中90%的能量會轉成熱量；冷卻劑（常用普通水）帶走熱量後，熱能使水從液態變成氣態、產生蒸氣，帶動機械裝置發電，這就是核能發電的原理。而每次核分裂，平均會產生2.6個「快中子」，可繼續碰撞其他鈾原子，完成核能「連鎖反應」；持續產生能量，核反應也不斷進行。
不過這次福島核災中，主因是因電廠「全黑」無法降溫的時間過長，導致後來一連串的問題出現。原能會核能管制處處長陳宜彬解釋，當反應爐的溫度達到攝氏1200度，燃料護套的鋯合金就會跟水蒸氣起化學反應，產生氫氣。空氣中的氫氣濃度若達到4%，就可以輕易點燃，達到8%會自燃，若濃度更高，就會產生氫爆。目前證實是氫氣濃度過高，使福島第一核電廠的一、三號機產生爆炸。爆炸之後，二次圍阻體受損，部分輻射蒸氣跟著散逸到空氣中。
《核能應用解析》用過燃料 97%可再回收
為了控制連鎖反應的速度，核電廠會利用含硼元素的「控制棒」吸收一部分核反應產生的中子，讓燃料棒吸收的中子數量，剛好能產生恆定的能量，稱為反應爐的「臨界狀態」。
「臨界」（criticality）是一個核名詞，指系統的中子平衡（the balance of neutrons in the system）。「次臨界」（subcritical）指系統的中子損失速率大於產生速率，中子群（或中子數）隨著時間減少。「超臨界」（supercritical）指中子群隨著時間增加。
反應爐的功率與中子群成正比。正常功率運轉時，反應爐維持在臨界狀態。在其他系統中，像是用過燃料池（spent fuel pool），有許多機制預防燃料進入臨界。如果這種系統到達臨界，稱為「再臨界」。使用硼與其他材料吸收中子，是為了確保不會發生再臨界的情況。加入的中子吸收劑，會增加中子損失速率，確保系統處於次臨界狀態。
大多數輕水式反應爐（light water reactor）（例如日本的沸水式反應爐）使用水冷卻反應爐，水也同時減緩中子的速度。在這些系統中，慢速中子引發絕大部分的核反應。所以，如果水沸騰蒸發，中子就不會減速，核反應的機率與功率下降，而讓核系統進入次臨界狀態。
不管你愛不愛核能，都應該認識核能，圖中是韓國首爾的科學館用影片介紹核分裂。（法新社）
如果沸水式反應爐或用過燃料池的水溫上升並蒸發而沒有冷卻，水溫上升與蒸發會讓系統進入次臨界狀態。這些系統裡面有大量的硼，像是反應爐控制棒（control rod）、用過燃料池裡面各種形式的硼。
用過的燃料，如果採濕式儲存，會在停機後被移到「用過燃料池」中，利用水帶走餘熱。原子能委員會核能管制處副處長徐明德說，用過燃料池中會有含硼元素的「控制格架」，目的也是減低核分裂產生的中子再撞到鈾的機率，讓連鎖反應慢慢停下來。
他指出，從反應爐中移除的用過燃料，在用過燃料池中經過一個月，仍會產生原始熱量的1/1000；過了一年，放出熱量仍有1/2000。若用過燃料池冷卻系統無法運作，如這次日本福島一廠中的三、四號機，就會有池水蒸發、用過燃料暴露在空氣中，造成放射性物質外洩的危險。
徐明德說，用過燃料大約有97%都可以再回收使用，能同時減少核廢料和高放射性物質。而一般大約要十至十五年，池裡用過燃料產生的熱量及放射性物質強濃度，才會減低至較安全的範圍。
用過燃料還可以採乾式儲存。徐明德說，原理是利用冷空氣自然循環，確認自然風能帶走剩餘核反應產生的餘熱，讓裝在儲存桶和護箱裡的用過燃料「吹風」冷卻；國際間乾式儲存設施約可儲存50至100年。
他表示，乾式儲存為較多國家採用，濕式燃料池有容量問題，加上看到日本福島電廠濕式儲存冷卻循環系統失靈後的經驗，應該會有更多人使用。
至於國內，核一廠乾式儲存設施正在建造中。
核能ABC
核能是儲存在原子核內的位能。核能電廠的基本原理就是將原子核內的位能經核反應後生成粒子的動能和電磁輻射能，這些能量先轉換成熱能再變成電能。
核分裂或核熔合反應後，總質量會比反應前少，這些減少的質量所攜帶的能量可變為核能釋放出來，依照愛因斯坦質能等效關係，質量為m克，光速c＝3×108m/s，能量為E，質能等效關係為E＝mc2；一克質量可產生9×1013焦耳的能量，相當於2500萬度的電能，可提供約3500個家庭一年的電力。
比較1莫耳鈾235核分裂與1莫耳的碳燃燒放熱的能量，鈾235約可放出2×1013焦耳，碳則約4× 105焦耳。兩者相差5000萬倍，純就能量來看，核能比傳統能量更經濟。
ABC必學單字大閱兵
nuclear energy 核能
nuclear fission 核分裂
chain reaction 連鎖反應
radionuclide 放射性核種
radioactive decay 放射性衰變
延伸閱讀
馬栩泉、張勝雄、陳聖鐘，《核能開發與應用》，新文京出版
Peter Terzakian著，李芳齡譯，《每秒千桶：看準下一波能源大勢與世紀商機》（A Thousand Barrels a Second），美商麥格羅•希爾出版
翁寶山，《臺灣的輻射與應用》，五南出版
錢伯章，《氫能和核能技術與應用》（簡體中文），科學出版社
周志偉，《新型核能技術：概念、應用與前景》，化學工業出版社
《科學月刊》2月號（為核不能？），科學月刊出版社
