綠學院》核能復興二部曲：能源的盡頭是核能之龍生九子

電是能源轉換成人類可用的形式之一，也是目前最精煉的能源，代價是去無存菁過程中造成許多環境污染。（圖片來源／made in russia臉書）

無極生太極，是生兩儀、四象、八卦…，愛因斯坦E=MC2質能互換的鐵嘴，不僅論斷了整個芸芸眾生的花花世界，也鋪陳了今日我們使用的各種能源，全是這太初核能的震盪餘波，上一篇說能源的盡頭是核能，其實能源的源頭也是核能。能源可分為初級能源和衍生能源，初級能源就是直接的核能，除前篇提及的核分裂及核融合外，還有核蛻變，是伴隨蛻變核逸出之粒子動能，如地熱、太空軍事微型電源等；衍生能源則是源自太陽核融合的陽光、抵達地球後衍生出的有太陽能、風力、生質能、（經大氣水文循環的）水力等。

電是能源轉換成人類可用的形式之一，也是目前最精煉的能源，代價是去無存菁過程中造成許多環境污染。理論上最乾淨、最完全的能源，莫過於正反物質的互毀作用(annihilation)，可將質量百分之百全然地轉化為能量，其效率為核分裂、核融合千百倍以上。但反物質宇宙中並不存在，目前只有在高能物理實驗室昂貴的加速器中，方能「造」出極微量、極短命的反物質，也只能在科幻小說與電影中有它們揮灑的舞台（註一）。

十八世紀的蒸汽機大量使用化石燃料，開啟了工業革命。1878年愛迪生更開創了電力公司，一個半世紀以來，火力發電的基本設計沒有變過，就是用化學反應（燃燒）熱產生蒸汽，進而推動發電機發電。

核分裂技術原理解析
露營烤肉時，你會發現生火燃燒本質就是連鎖反應(chain reaction)。廣義的燃燒可延伸為放出能量的反應，如粒線體就稱細胞發電廠，而爆炸便是失控的連鎖反應。核能發電的原理也跟火力發電一樣：生熱→產生蒸汽→發電，露營燒整晚的營火需足夠溫度維持，而核分裂是靠中子來分裂原子形成的連鎖反應。每一個核分裂又會放出兩三個中子，中子再分裂原子，形成快速幾何式成長的連鎖反應。若不控制好就是失控的爆炸，所以核子反應爐有精密嚴謹的控制機制。但核分裂連鎖反應因速度極快、能量極大，每次反應的時間是10-8到10-6這種奈秒級，所謂的一眨眼其實要0.1~0.2秒，也就是說一眨眼就核分裂了百萬次以上。以64位元電腦的最大整數是253(9×1015)，若每一個核分裂可誘發兩個核分裂，只要53次，核分裂數就已達到電腦的極限了，所以核電的每次核分裂多出的有效中子數必須嚴格控管在1%，以免低了會熄火，高了會爆炸，才能夠持續穩定發電且不失控爆炸。

中子誘發核分裂，還需有合適的核種（註二），U-235就是其翹楚，也是當年原子彈的第一順位候選，廣島原爆就是它的成名作。一般鈾礦的豐度(abundance)為0.1%至0.3%，0.5%以上的已是高品位礦，而天然鈾的U-235只佔0.7%，其他99.3%則是U-238，所以鈾礦精煉後的鈾，還得要濃化(Enrichment)來提高U-235濃度，不然中子打到鈾的概率很低，更別談誘發核分裂，畢竟有碰到才有機會。因U-235與U-238都是同一種元素，傳統化學提煉無法濃化，且U-235與U-238質量只差1%，物理離心法雖然可用，但效率不高，耗時且所費不貲，再說太濃了怕被盜用為核武，要降住大鬧天宮悟空的金剛箍，就是把U-235濃度限制在5%。既然濃度有限，就得從中子與U-235反應的效率著手，核分裂最初產生的中子速度極快、快速的激情，要修成正果當然，慢到極點的修練才能化蠻暴拙力為靈巧內勁，因此當快中子連降八個數量級到熱中子時，反應率便可提升幾百倍。以控制疫情爆發而言，避免群聚保持安全距離就是濃化反向，打疫苗就是減少反應效率。

核分裂核反應爐運作原理
目前商轉發電的主流是用核分裂的核反應爐（註三），多屬第2代技術、少數第3代技術，分為壓水式(Pressurized Water Reactor, PWR)及沸水式(Boiling Water Reactor, BWR)，是內襯防護層的大鋼桶，可承受高溫、高壓、化學腐蝕等，並防止輻射外洩，爐內主要有：

燃料棒(fuel rod)：
含有可核分裂原料如U-235的燃料粒

減速劑(moderator)：
減速中子，大幅提升與U-235反應概率，有普通水、重水或石墨

控制棒(control rod)：
是控制核反應的緊箍咒，用鎘吸收中子，插入抑制或抽出促進反應，快速調節速率

冷卻劑(coolant)：
帶出核反應熱（常用水、液態金屬或氣體），並可調整硼濃度（吸收中子）均勻地控制反應

PWR因冷卻劑迴路維持高壓而得名，爐內核分裂產生熱能、由冷卻劑吸收熱能帶出爐心，因有著15大氣壓的高壓設計，故315°C高溫的冷卻劑還維持液態，到蒸汽產生器進行熱交換產生蒸汽，蒸汽再推動發電機發電。BWR則冷卻劑直接在爐內沸騰成蒸汽，故省掉了熱交換的蒸汽產生器，但尺寸也較大。

運轉中核電主流的PWR (70%)及BWR (15%) 資料來源：台灣電力公司兒童網

對美國來說，曾經的核能超強大國，因為各種原因已經卅年沒有訂單了。這幾年核能從谷底強力反彈，結束了其零訂單世代，最近五年內，終於新加了兩座反應爐(VOGTLE 1 & 2)，但也僅限於此，並再無其他核電廠的興建，而是著力於核分裂第3.5代和第4代、核融合，及小型核能SMR的開發等。同一期間，大陸已經添了11座核反應爐，還有25座正在興建中，也就是說五年後大陸核能將挑戰、甚至取代美國的霸主寶座。

理解目前的核電技術原理，勉強算是入門磚，在進入更深的核能之前，接下來先看看過去四十年的核能寒冬，我們下一篇見！

《龍系之歌》        
混沌初開星雲舞，祖龍吞吐化恆初。
氫氦翻騰凝星骨，質能守恒啟宏圖。

九子各顯神通力，能流千轉入塵途。
囚牛好音撫弦動，洪爐深深熱丹鑄。
睚眥裂變破重垣，鈾鈽崩解釋天怒。
嘲風聚變慕遠眺，朝鳳逐日開新路。
狻猊鎮臥鎖地脈，吞煙吐熱守鼎戶。
狴犴司光接天火，螭吻銜波化雨露。
贔屭馱風旋羽曲，蒲牢吼潮力萬鈞。
椒圖盤踞護黑玉，沉眠古靈啟藍珠。

粒子幽微藏宙秘，餘波震盪現靈符。
核龍續譜未竟曲。薪傳文明共天樞。

註：潮汐是日月交互震盪，源於太初物質炸散後之角動量守衡的天體運動影響，潮汐能與核能關係較複雜，但全球所佔的比例微不足道，就不浪費篇幅了
註：在《太陽能和風力發電都拿得到綠電憑證，為什麼還是有人說不環保？》我們談到一次能源和二次能源，與本文談到初級能源和衍生能源的定義及用法完全不同，勿因英文感覺類似而誤解
（註一）七十年前諾貝爾物理學獎得主楊政寧、李正道的宇宙不對稱，撼動了物理界完美的對稱原理，是腦洞大開的超前理論，也解釋了太初剎那的質能互變的場景。根據對稱原理，大霹靂創出的物質與反物質必然相伴而生，物質與反物質互毀全都立時魂飛魄散、消耗殆盡，但因不對稱宿命，物質比反物質多了十億分之一，而那存活下來的十億分之一形成了今日的宇宙，也就是說盤古開天是極大能量創出極多的物質及反物質（能量轉成質量），隨之便全然滅盡（質量轉成能量），現今只有那殘留下的極微物質，反物質則蕩然無存
（註二）原子核裡的核子(nucleon)有帶正電的質子(proton)跟不帶電的中子(neutron)，元素指有同樣質子數(Z)的原子，同位素(isotope)是同一元素但不同中子數(N)，核種(nuclide)則是任意特定Z和N的原子核，如U-235，Z + N為質量數(mass number)，是束縛能曲線的橫座標
（註三）核反應爐(Reactor)又稱為核反應器或核反應堆。世界第一座核反應爐是在芝加哥大學用石墨塊堆成，石墨是中子減速劑也是反應器結構體(Chicago Pile-1 - Wikipedia)，木結構的樑柱，堆上45,000塊石墨磚，放了4噸純鈾及41噸氧化鈾，卻只有1.5W的功率，點個浴室的小夜燈都有困難，而現代的核反應爐則動輒就是上1 GW。

作者:王曉中
台大土木系畢業，美西北大學環工輻射博士。縱橫產官學研四十餘年，歷任原能會客座專家、國科會（芝加哥科學組組長、環發會執行祕書）、及美國家研究院、美核能工業界核安專家等，並在台大土木及公衛、成大、中醫大、北科大、政大、淡江、雲科大等授課。業餘耕耘文字，當過數種科技刊物總編，拿下國科會首屆科普文學獎。

(原始連結)

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