最新消息

首頁(Homepage)

推動改變

專題報導 氣候
10 mins

核能是什麼?核能發電的原理?核電有哪些優點與缺點

作者: 綠色和平氣候與能源專案小組

2011 年,日本 311 福島第一核電廠氫氣爆炸震驚世界,也喚醒臺灣社會對核能安全的疑慮,將臺灣反核運動推向高峰;然而,時過境遷,當政府積極發展再生能源、朝向非核家園目標邁進,「反反核」聲浪卻重新燃起。2018 年的公投中,有近 590 萬人對「廢除非核家園政策」投下了同意票,2021年「重啟核四」公投也將於 8 月投票,究竟什麼是核能?核能發電的原理、優點與缺點是什麼?這個牽絆臺灣社會數十年的能源難題如何解決?期待這篇文章能幫助您形成自己的觀點與立場。

什麼是核能

原子是構成世間萬物的結構,其核心由質子與中子組成,核外有電子包圍,在原子核中,有一股很強大的能量把中子和質子聚合在一起,所謂的核能,就是指原子核結構因為「核分裂(Nuclear fission)」或「核融合(Nuclear fusion)」發生變化時,所釋放出來的能量。所以,核能亦稱為「原子能」。

核分裂,指較大的原子核分裂成兩個較小的原子核,分裂過程中會釋放出巨大能量,目前世界上核電站均是以核分裂方式產生熱能來發電。

核融合,由兩個較小原子核結合成一個較大的原子核,其過程亦會釋放出能量,理論上核融合所放出的能量通常比核分裂的還大,就如太陽發出的光和熱,就是由氫核融合為氨的核子反應所產生,但目前的研究仍處於消耗電力比產生電力更多的困局。

核能發電的原理

目前世界上的核能發電,主要是利用輻射物質—鈾-235 進行「核分裂」反應來發電,發電前首先須開採鈾礦,鈾礦經過複雜的提煉及濃縮,製造成一般核反應爐堆可用、鈾濃度約為 3% 的燃料棒,再將大量的燃料棒放入反應爐堆之中,確保足以核分裂達致臨界並持續產生熱力,熱力所產生的蒸氣即可推動發電機發電。

圖解核能從開採到發電過程 Greenpeace

簡而言之,核能發電就是利用含有輻射物質的「鈾礦」去取代天然氣或煤炭等燃料以產生熱力發電,但在整個供應鏈中,包括開採、提煉、濃縮、發電,以及燃料棒後續處理,都會產生不同程度的輻射污染。因此,全球主要的國際組織對於核能,多以「低碳能源」/「潔淨能源」稱之,但不會稱為綠能(Green Energy)或永續能源(Sustainable Energy)。

核能發電的優點

核能發電是由連鎖的核分裂反應進行,其發電過程與燃燒煤炭、天然氣不同,並不會產生碳排放,且連鎖反應在無外力介入的情形下會長時間進行,一般可以連續發電18個月,若無任何意外,能夠持續穩定地發電。

核能發電的缺點

  1. 鈾礦開採與提煉
    在自然界的鈾礦中,穩定的同位素鈾-238 濃度為 99.3%,然而,真正可進行核分裂的同位素鈾 -235 的濃度僅為約 0.7%,換言之,開採鈾礦即是讓有害物質離開相對安全的地底環境,且會產生大量的廢棄物(畢竟只有 0.7% 的鈾是有用的),這些廢棄物會釋出含有放射性與有毒物質的氡氣與滲流水,無色亦無味,對於鄰近礦場的居民是一種相當難察覺的生存與健康威脅。哈薩克、加拿大、澳洲、尼日、納米比亞是全球五個主要鈾礦出口國。鈾礦的開採,是要將自然界之中約百萬分之一到十的鈾,開採及提煉約至百分之三水平的鈾燃料棒,但過程中對環境就產生大量輻射污染。當中較落後的尼日納米比亞,鈾礦所帶來的輻射污染就最為嚴重,當地的水源均錄得超過WHO標準的鈾濃度,對當地貧困的居民而言,飲用水本來就別無選擇,只能承受輻射超標所帶來的健康風險。 法國核能公司 Areva 位於尼日的大型鈾礦開採場 

    鈾礦石被挖出後,需先經過三次篩選及碾碎,加工成為泥漿,再以硫酸溶解過濾出鈾,並經過繁複的分離、萃取與純化程序,去除雜質後才能得出氧化鈾(俗稱:黃色蛋糕),這還沒完——黃色蛋糕還須經過攝氏 800 度的高溫加熱與濃縮加工,才能真正成為可使用的鈾燃料棒。在鈾礦成為鈾燃料棒的繁複過程中,不僅需要消耗大量的淡水,也會產生帶有低放射劑量的廢石、廢泥漿與廢水,耗費巨大資源且污染重重,也造成了碳排放。

  2. 核安問題
    雖然核能只是利用鈾礦去取代天然氣或煤炭,但這看似微小的差異,卻讓核電成為了人類過去大半個世紀以來的夢魘。以風險控制層面而言,燃燒天然氣或煤炭,只要停止加入燃料,火力就會很快減弱,可以避免更嚴重的災難,但核能發電不同——鈾燃料棒在開始核分裂,超越臨界產生熱力之後,核分裂就會不斷進行,人類沒有方法終止其分裂,只能透過加入冷水去控制溫度,以及加入其他物質組成控制棒去控制核分裂的速度。
    目前所有商業運作的核電站,都必須在完美的環境下運作,無時無刻控制及避免核反應堆過熱,而這就是核能最致命的缺點。當然,核電工程師也理解世界並不完美,他們就引用安全度評估(Probabilistic risk assessment, PRA) 去試圖分析不同出現核災的可能性,特別是爐心溶毀(Core Meltdown)的可能性。簡而言之,就是先預想爐心溶毀出現的條件,再評估每項條件的可能性。如果簡單以睡過頭而遲到上班為例,出現的條件包括了:沒有自然醒,鬧鐘壞了及家人沒有叫起床。三個條件各自出現的機率若同為10%,三個條件同時出現,即睡過頭而遲到的機率為1/1000。但這方法最大的缺點是只能處理已知的條件,但在人類的世界中總有意外,目前核電站一般聲稱在核反應爐運作一百萬年才會發生一次爐芯溶毀。但在1950年代開始,歷史上已發生三次重大的核事故,就是因為人類無法維持完美的外部環境而釀成——三哩島是因為冷卻劑大量流失;車諾比是因為控制棒無法順利插入反應爐堆;福島是因為後備發電機受損。雖然三次事故的成因看似不同,但都可以歸類為在失去完美的外部條件導致的一連串錯誤,釀成不同類型的核災,有爐心融解、反應堆爆炸,也有氫氣爆炸,而結果,同樣是大規模的輻射污染。

    曾是福島居民的菅野太太在核災發生若干年後回到舊家,該區仍是輻射值超標的歸還困難區,僅能短暫停留 © Christian Åslund / Greenpeace

     

  3. 數十年無解的核廢料問題
    核能發電過程中雖不產生碳排放,但從鈾礦開採、鈾濃縮、反應爐運轉、再處理乃至於反應爐除役,核燃料循環的整個過程都會製造對環境與人體具有危害的核廢料,其對人類文明的威脅可能不亞於過量的溫室氣體。核廢料,又稱放射性廢料,是核能發電下的副產品,其按放射性的高低又分為低階核廢料、中階核廢料與高階核廢料。

    低、中、高階核廢料依輻射污染等級高低區分 Greenpeace

    低階核廢料(Lowlevel Wastes,LLW),包括紙張、廢布料、工具、服裝、過濾器等等,通常是在掩埋場進行簡單的淺層掩埋;中階核廢料(ntermediate-level Wastes,ILW)則包含合成樹脂、化學污泥、從廢燃料棒上剝落的金屬護套,以及除役過後的受污反應爐部件。在某些國家中,即使是這些比低階核廢料帶有更高劑量放射性活度的中階核廢料,也依然僅僅是在掩埋場中淺層掩埋。雖然這並不是放射性程度最高的核廢料,但中階核廢料通常仍要求一定形式的屏蔽,並需要妥善小心的管理,以保護工人之健康與周遭環境。

    危險性最高的核廢料即是從核反應爐中移出的高階核廢料(High Level Waste,HLW)或用後燃料棒(spent fuel),其放射性可維持達數萬年之久。目前全世界約有 25 萬噸的大量高放射性用過燃料棒,每一年,全球商用核電反應爐的運轉製造約 1 萬 2 千噸的額外用過燃料棒,這些全世界終究必須去面對、管理的大量高階核廢料,便是為什麼世界各國陸續減少使用核能發電的原因。

    自 1951 年12 月 20 日人類首次用核反應爐產生出電能,至今 70 年過去,仍沒有任何一個國家可以解決「如何安全處置核廢料」的問題,至今各國所有嘗試尋找安全可靠的高階核廢永久處置方案的努力,最後都以失敗告終,且沒有任何國家可以準確地估算,若要管理這些核廢料長達數十年甚至數百年的時間,直到放射性衰變,需要負擔的成本總額到底是多少?(延伸閱讀:《全球核廢料危機報告》:大量核廢料難以處理)

對抗氣候變遷,無須倚賴核能

過去當人們使用核能發電時,可能未曾想過看似完美且穩定的發電方式,竟會衍伸出令幾代人都束手無策的核廢料難題,而今,當我們以數十年時間認知現階段科技對核廢料的無計可施,是否能夠捫心自問:我們真的需要利用核能來減少碳排放嗎?使用核能對抗氣候變遷,難道不是一種飲鴆止渴嗎?

氣候變遷,是本世紀迫切必須解決的問題,然而重新使用核能,無疑是以最暴力的方式嘗試解決一個棘手問題,而且不會成功,因為核電站的興建速度,至少需要 7-10 年,興建成本也比其他減碳的方法更貴,再留給世世代代更多無解的問題。核電目前只佔全球約10%的電力,換言之,每人只需節省 10% 的電力就可以淘汰核電,生活上簡單如冷氣調高一度,就可以節省約10%的電力了。持續堅持非核目標、加速發展再生能源、逐步淘汰火力發電,才是臺灣能源轉型、全球對抗氣候變遷的最佳路徑,無論石油或鈾礦,該深埋地底的,就讓它深埋下去吧!

延伸閱讀: