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合理、實際的做法—核能,不能輕言放棄的選擇

科學月刊_96
・2011/03/16 ・5403字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

以目前的技術,僅依賴綠色能源是不切實際的,事實上核能發電的低成本、低二氧化碳排放量,證明其具有高度經濟效益,同時滿足環保訴求。

李 敏

人類文明的持續發展需要能源,根據國際能源署的資料顯示, 2005 年人類使用的能源有80%來自化石能源,而全球77%的能源被少數28%的人口耗用。2007 年世界人口為65 億人,預估2050 年將成長為85~100 億人。人口的成長加上全人類對物質文明的追求,可以預期人類未來將耗費更多的能源,化石燃料的蘊藏量不足以支撐人類文明的發展,恐怕只是時間早晚的問題。近年來,金磚四國——巴西、蘇俄、印度與中國的經濟大幅成長,石油需求成長率超出全球平均甚多,需求的增加造成了價格的上升, 2008 年時,石油價格一度逼近每桶150 美元。化石燃料的供需與價格不穩定,可能還不是化石燃料最麻煩的問題。


燃燒化石燃料會產生二氧化碳,加劇地球大氣層的溫室效應。目前大氣中二氧化碳含量約為380ppm(p p m =百萬分之一),工業革命前為100ppm ,且以每年2ppm 的速率增加中。有科學家預測只要超過450ppm,就會發生「毀滅性災難」,若以現在二氧化碳累積的速度來估算,距離地球毀滅的時間只剩下35 年了。1987 年聯合國世界環境與發展委員會發表《我們共同的未來》報告,將永續發展定義為:「能滿足當代需求,同時不損及後代子孫滿足其本身需求的發展」。追求永續發展是人類崇高的理想,但前提是要找到「永續能源」。

有人認為利用風力、太陽能、潮汐、地熱、水力等再生能源發電,可以視為「永續能源」;但從實務面來看,所有的再生能源能量密度均偏低,且能量存在的溫度不高,故能量之熱功轉換效率受限於熱力學第二定律(能量不可能100%地由熱轉換為功,轉換比例的上限值與能量存在的溫度有關)而無法提升,故再生能源發電裝置均較為龐大,且需要大量的土地來建置。風力、太陽能、水力等能源均與環境及氣候狀況有關,無法全年無休地提供穩定電力,因此當再生能源無法供電時,還是需要其他能源輔佐。在節能減碳的風潮中,可以確定的是各類型之再生能源發電均會在未來能源供應占有一席之地,而節約能源及提升能源使用的效率,也有助於降低能源需求的成長率,但是可能尚無法替代化石燃料,成為提供基本需求之主要能源,所以已經使用超過50 年的核能發電,仍然會是一個無法輕言放棄的選擇。

核能發電發展現況

1954 年6 月,世界第一座功率為6000瓩(千瓦)的民用核能電廠,於前蘇聯的奧布寧斯克(Obninsk)商轉;1957 年第一艘核子動力潛艇鸚鵡螺號於美國下水,同年第一座壓水式反應器的核能電廠於美國賓州的西濱堡(Shipping Port)商轉,功率為6 萬瓩,從此人類在能源的選擇上多了個選項。核能發電進入市場的早期成長非常快速,由1960 年的100 萬瓩大幅增加至70 年代末期的1億瓩、80年代末期的3億瓩,直至90 年代初期核能發電的成長開始放緩,2005 年之全球裝置容量達3.66 億瓩。

自1970 年1 月後,由於受到第一次能源危機帶來之經濟不景氣的影響,超過三分之二以上訂購之核能電廠並未興建。核能的使用一直是個具爭議性的議題。反核人士主要的論點包括:核能電廠可能發生毀滅性事故、對放射線的恐懼、核能的使用會加速核武的擴散、核電廠產生之放射性廢棄物的運輸與處置等。1979 年美國的三哩島核電廠事故及1986 年前蘇聯車諾比核電廠災變,引起核電廠的停建風潮,有些國家甚至考慮逐步淘汰核能電廠。但是能源極端依賴進口的國家,如法國、韓國與日本,仍然選擇持續大規模地發展核電。到2009 年為止,法國、韓國與日本的核電比例分別為75.2%、34.8%與28.9%。瑞士、瑞典及烏克蘭的核電比例亦達到了39.5%、37.4%與48.6%。目前美國仍是全球最大的核能使用國,共擁有144部機組,2009年時其裝置容量達1.063億瓩,發電量為7967.5 億度,至於核能發電占比則為20.2%。圖一所示為2009年世界核能使用國家的核能發電占比。

時至今日,核分裂反應發現後的70年,世界第一座動力核反應器運轉後的50年,全球有438 座反應器在30 個國家運轉(圖二),總裝置容量為3.72億瓩,2007年的發電總量為2 萬6080 億度,占世界電力供應的16%,占世界初級能源(指蘊藏於大自然,且未經任何人工轉化過程的能源,如煤礦、陽光、鈾)供應的6%。目前有61座反應器在15 個國家興建中,總裝置容量為5822.9 萬瓩。2004 年化石燃料價格開始攀升, 2005年2 月16 日京都議定書生效,使得決策者對已沉寂一段時間的核能再度產生興趣。2002 年芬蘭國會同意第五座核電廠的興建,是歐洲超過10 年來第一座獲得興建執照的核電廠。

歐亞洲許多國家,如蘇俄、日本、中國、韓國、印度、阿拉伯聯合大公國等國均規畫積極發展核能。尚未使用核能但在考慮的有馬來西亞、越南、約旦、泰國、義大利、波蘭與土耳其等(圖三)。國際能源總署(International Energy Agency, IEA)剛公布的《全球核能科技發展藍圖》(N u c l e a r E n e r g y Technology Roadmap)報告指出,若希望於2050年時,把與能源使用相關的二氧化碳降低50%,需要12 億瓩的核能機組(相當約900 座核四廠的機組),為目前的3 . 2 4倍,屆時核能將提供全球24%的電力。

國際能源總署認為要達到此目標,並不需要任何技術上的突破,需要面對的是資金籌措的問題。同一份報告也預估, 2020 年核能機組的裝置容量為4.75~5 億瓩。未來幾年有可能開始興建核能機組的國家包括:加拿大、捷克、立陶宛、羅馬尼亞、英國與美國。美國電力公司考慮興建的機組有30個,2009年底前已經有22 個機組向政府提出執照申請。

核能發電與能源供應安全

核能發電燃料體積小、重量輕(表一),運輸貯存方便, 1公斤鈾在反應器內釋出的能量相當於2萬2000公斤的煤、1萬5000 公斤的石油或1 萬4000 公斤的液化天然氣。2007 年台灣共消耗625 萬公噸的液化天然氣,而全國液化天然氣儲存設施可容容納30 萬公噸,每天最高使用量3 萬5976公噸,安全儲存量為7天;相較之下,核能發電通常會在發電廠儲存下一燃料週期使用之燃料,故安全存量最短為18 個月,最長為36 個月。使用核能發電能避免能源供應上可能的風險。

台灣是個海島,超過99%能源依賴進口,如何確保能源供應的安全是政府必須面對的議題。以中國大陸兩年前春節期間的大風雪為例,即使煤礦、電廠、鐵路系統、輸配電系統都已修復,卻還是無法供電,因為發電要煤,煤在煤礦產地,鐵路運煤要電,三者有環環相扣的困擾,如何將初級能源由產地運到使用地點,亦是個重要的議題;若初級能源具有高能源密度,運輸的困擾會比較小。正因為核能發電能夠降低上述的風險,因此許多具有自產能源的國家如蘇俄、美國、中國都選擇積極發展核能發電。

核能發電的經濟特性

燃煤、燃氣、核能等各類發電方式的相對成本與電廠的所在地有關;一般而言,除了建於礦區旁的化石燃料電廠外,核能發電皆具有競爭力。根據台電公司公布的2007年發電成本,核能0.63 元∕度是各種發電方式中成本最低的,但這不是核電受政策制定者青睞最重要或唯一的原因。核電廠的高建廠成本,使得核能發電燃料成本占總發電成本比例低(約16%),故其發電成本穩定,較不易受到國際能源價格波動的影響。電力公司發電系統中若維持適當比例之核能,可以穩定發電成本。圖四所示為台灣電力公司近年各種發電方式的成本,如圖所示, 2004 年起,燃煤與複循環(以天然氣為燃料)的發電成本,受國際化石燃料價格飆升的影響,逐年上漲,而核能發電的成本則因運轉績效的改善,呈穩定下降的趨勢。使用核能發電固然可以避免能源供應與國家能源價格波動的風險,但也必須承受其他風險。核電廠的高建廠成本會使電力公司承擔財務風險,台電龍門電廠就是一個活生生的實例,但龍門電廠完工後,其發電成本必定讓人「驚豔」。

運轉中的核能電廠亦有經濟上的風險。2007 年7 月16 日,日本新潟中越地震造成東京電力公司柏崎刈羽核電廠7部核電機組全部急停。雖然所有機組均安全停機,沒有任何損毀或故障,可是地震發生時,廠址的地表加速度超過電廠安全停機地震設計值,已經違反核電廠安全設計哲學,在東電加強電廠的防震設計後,日本法規管制單位已允許電廠的部份機組重新啟動,但超過3年的停機已經造成電力公司重大的財務損失。

核能發電的二氧化碳排放

核能發電不是靠燃燒發電,故發電時不會排放二氧化碳,但是核能電廠的興建會使用大量的鋼材、水泥及其他需要精煉的材料,這些過程會消耗石化能源,也就會產生二氧化碳;核能廢料的處理也將耗費能源與產生二氧化碳。在計算各類能源使用的二氧化碳排放量時,應考慮整個生命週期的二氧化碳排放量,因此核能發電的單位發電量排放之二氧化碳不會是零。圖五是國際原子能總署(International Atomic Energy Agency, IAEA)估算各類型發電方法的單位發電量所排放之二氧化碳,而核能發電的二氧化碳排放是所有發電方法最低的,然而即便是乾淨的太陽能發電,製造晶片過程中仍排放不少二氧化碳。

核能發電與再生能源發電的比較

除了潮汐及地熱發電,再生能源的源頭均為太陽。化石燃料有蘊藏量不足的問題,再生能源中的太陽能與風能也有分布的問題。此外,再生能源最大的問題為能量密度非常低,需有廣大的土地面積來收集。

台灣人口占世界之0.3%,土地面積僅占世界之0.06%,而我們的能源消耗為全球之1%,以單位國土面積耗能來說,台灣排名第一,是美國的10 倍、日本的近2 倍、德國的近3 倍、荷蘭的1.3 倍。由此可知土地面積不足是台灣發展再生能源為作為主要能源的最大困難。台灣的日照再生能源發電,平均每平方公尺不到1000 瓦;假設我們完全不考慮成本,在中山高速公路上面加蓋太陽能光電板,高速公路全長373公里,假設平均寬度為50公尺,則總面積為18.67萬平方公尺,如果太陽能光電池的效率為17%,意味著單位面積可安裝容量為170瓦(2008年的造價為4 萬新台幣),則總裝置容量將為317萬瓩(僅面板總價即7568 億),以台灣日照量每千瓦太陽能光電池裝置容量每年可以發電900~1300 度來估計(南北部不同),則總發電量介於28 億6000 萬與41 億3000萬度間,與核四預估之年發電量201 億度(假設容量因數為85%)相比,僅為核四發電量的14.2~20.5%。

再談談風力發電,截至2009 年底,台灣共有182 台風機,總裝置容量為31.69 萬瓩, 98 年總發電量為8 億4800 萬度電,所有風機的平均容量因數為30.5%。假如我們將大型風機建在台灣海峽,沿著西部海岸線每1~2 公里建一台(共300 台),總共建三排(共900台),假設裝的機組是2009年功率最高的4500 瓩,總裝置容量為405 萬瓩,總發電量為108 億2000 萬度間,為核四發電量的53.8%。從數字來看,雖然再生能源的量可以非常龐大地以10 億或億為單位,但是與我們的能量消耗相比還是有段距離。

再生能源發電除了「量」的問題外,還有「質」的問題。電不能儲存,系統的供應與消耗必須平衡。因此電力輸配電系統必須要調度,當電力需求增多時,增加發電量;當電力需求減少時,減少發電量。而再生能源發電系統不但無法接受調度,還會製造調度的問題。以風力發電為例,風的強度會隨時間早晚、季節、年度而有所變異,甚至在任何瞬間都會有可觀的擾動,因此大規模使用風力發電的國家必須要有適當的方法克服這些問題。以全球風電使用比例最高的丹麥為例,其土地面積為台灣的1.19 倍,人口為台灣的24%,電力裝置容量為台灣的31.7%,2007 年總發電量為台灣的19.4%。為了平衡風力發電的不穩定性,丹麥的輸電系統與德國、瑞典及挪威相連,利用其他三國的電力設施來平衡風電;由於水力發電可快速增加與降低發電量,故瑞典與挪威的水力發電更成為丹麥風電的靠山;根據2007 年資料,丹麥電力出口114 億度,進口104 億度,在國與國之間流動的電力總量占了丹麥總發電量的55.6%,由此看來,即使丹麥的風力發電近總發電量的20%,也並非人民真正使用風電的比例。

丹麥2007 年分別自挪威與瑞典進口(淨值)28與26億度電;對德國的電力出口(淨值)為63億度。附帶一提的是,電力輸出與輸入並非等價值,即有時高價購入,但要賣出時為低價;記錄顯示,丹麥電力輸出價值曾有負值的情形發生,即花錢請別人消耗電力。而根據國際能源總署的資料,丹麥2008年家庭用電的價格為每度0.396美元,可能是全世界最高的。而獨立電網的國家或地區可能無法像丹麥一樣地幸運,可以利用別國的設施來完成自己的目標。值得深思的是,當全世界的國家都說要以再生能源來因應時,那該由誰來承擔電網穩定性的責任。

結 語

世界人口大幅成長,人類為追求更舒適的生活,導致對能源的需求更為殷切。地球化石資源蘊藏有限,化石燃料的使用會產生二氧化碳,使地球大氣層溫室效應加劇,造成近年來氣候的變遷。與其他發展中的再生能源技術相較,已使用了超過50 年的核能是一個成熟、有效、安全且不排放二氧化碳的能源使用技術。核能提供能源依賴進口國家一定程度之能源自主性,在人類未來的能源供應上一定會扮演著舉足輕重的角色。核能的復甦已經激起另一波關於核廢料與核能安全的辯論;一些準備發展核電的開發中國家,工業安全紀錄非常差,政治不清廉亦是普遍性的問題。大部分已經在使用核能的國家,對使用過的核燃料都還沒有最終解決方案;將核廢料深埋在地底是共同的說辭,但也都還沒找到長期儲存高強度輻射廢棄物的適當場址。此外,有些反核人士更擔心核能的擴張,會大幅增加核武擴散與核子恐怖主義的風險。能源的使用是一個複雜的議題,包括技術、經濟與社會等層面。一個國家會選擇何種能源可能與其特殊的條件有關;但若選擇核能時,也許最難解決的是社會與政治層面的問題,而非技術或環保問題。

李 敏:任教清華大學工程與系統科學系

為什麼人類無法決斷地捨棄核能?
更多核能相關介紹,請參閱《科學月刊2011.2月號》〈為「核」不能〉封面故事

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從科學角度剖析能源政策的背後:核電延役真正的問題是什麼?
PanSci_96
・2023/07/09 ・3732字 ・閱讀時間約 7 分鐘

民眾黨總統參選人柯文哲,在 5 月 20 號正式宣補參選的誓師大會上,直球說出他的能源政策,就包含核電廠延役。

隨著 2024 大選戰鑼敲響,能源議題勢必會是各家爭論的議題。除了是政治口水之外,確實也與民生相關、不能忽視,而「核電」又是其中的熱門,「核電廠究竟要不要延役」也成為許多討論居聚焦之處。這裡,我們就嘗試從科學的角度剖析「核電延役」會遇到的問題與挑戰。

提到核電廠延役,有一個時常被忽略,但政治人物勢必要面對的問題。那就是,卡滿發電廠的核廢料,到底該去哪?

台灣核電廠的現況

先複習一下,台灣的三個核電廠中,「核一」的兩部機組已分別在 2018 年 12 月及 2019 年 7 月正式進入除役階段,「核二」的兩部機組則分別在 2021 年 12 月及今年 3 月停機後,也進入除役程序。我們當時也做了一支影片,分析核二在除役後,需要面對的核廢料處置問題。本集的內容是這支影片的後續,歡迎大家先去複習複習。

跟在核一、核二之後,「核三」的兩部發電機組也將陸續在 2024 年 7 月和 2025 年 5 月停機,台灣全面告別核能。因此 2024 年的大選,會是挺核派最後的機會。

核電延役必須面對的問題:用過燃料棒無處可去

但就算挺核派成功修法讓核電延役,除了核三以外。核一、核二最大的問題,就是已經沒地方放核燃料棒了。舊的燃料棒不去,新的燃料棒不來。但現在核一、核二的用過燃料池已經被塞滿,核二的 1 號機甚至因為「用過燃料棒爆滿」而提早 6 個月停機。核電廠設定的 40 年服役期限甚至不是最大問題,因為它也無法阻止電廠在年限到來前,就因為用過燃料池爆滿提早停機。

所謂「用過燃料棒」,指的是發電完的燃料棒,也就是「高階放射性廢棄物」。這些燃料棒會在發完電後,暫時放置在用過燃料池中,等待放熱速度下降並且降溫。在用過燃料棒安定之後,依照各國處置流程,除了部分核電廠會將燃料棒繼續濕式儲存外,通常會將燃料棒移到「乾式貯存場」或是地下的「最終處置場」。不過目前台灣的狀況,不論是乾式貯存場還是最終處置場都還未啟用。因此,用過燃料棒,只能繼續卡在燃料池中。

用過燃料棒的處置現況

為了解決爆滿問題,台電已經多次做過處理。根據原能會資料,核一 1、2 號機原先規劃的燃料池,容量分別是 1410 和 1620 束的用過燃料棒,結果在 1986 年擴充至每機組 2470 束、1998 年再次擴充至 3083 束,最後的容量幾乎為原本規劃的兩倍。至於核二廠,兩部機組從原本規劃的 2571 束,經過 1991 年與 2003 年兩次擴充,也變成 4398 束,是原本的 1.7 倍。

台灣各核電廠用過燃料棒的貯存現況。表/行政院原子能委員會

這邊必須說明,因為廠區內的空間是固定的,因此容量擴充,並不是多蓋幾個水池擴充燃料池空間,而是在相同大小的燃料池內,重新改裝填放燃料的格架:藉由減少格架的間距,增加燃料格架的數量。這怎麼塞都有極限的啊!

順道一提,核二廠中原本要用來打包核燃料棒、好將燃料棒移到乾式貯存場的護箱裝載池,現在都被改裝成用過燃料棒的貯存空間。目前核二每部機組中的燃料棒超過 4800 束,各約 800 公噸。

這點也是總統蔡英文回應核電延役議題時所說的,除了法規以外,在核一核二重啟執行上會實際遇到的困難。

但話說回來,核廢料的最終處置場,要確定地點最早也要 2038 年才會選定場所。這還不是開始蓋,只是選定場所而已。在這之前,用過燃料棒如果想要移出燃料池與反應爐,它們能去的地方就是「乾式貯存場」。

那他們什麼時候能蓋好呢?其實,核一的乾式貯存場,2013 年就蓋好了。誒,那為何至今還未啟用呢?

燃料棒為何無法移至乾式貯存場?

依照規劃,乾式貯存場會建在各自發電廠的場區內,並且各有兩期規劃。

第一期是室外貯存,核一、核二預計分別能轉移 1680 和 2349 束燃料棒。後來原能會要求台電要興建第二期的室內貯存,如果完工,則可以為各自的核電廠容納 40 年發電量的核燃料棒,等於是兩座核電廠至今為止的所有燃料棒。

核一廠第二期室內乾式貯存設施透視示意圖(型式未定)。圖/台灣電力公司

然而,現實狀況是,雖然核一廠的乾式貯存已經完工,也在 101 年也通過了第一階段的冷測試作業,但從那之後到現在,都無法從新北市政府取得「水土保持設施完工證明」,自然無法往第二階段的熱測試前進。至於核二廠,新北市政府也駁回台電提出的「營建工地逕流廢水污染削減計畫」達 12 次,連興建工程都還未能開始執行。

除了政策面以外,是否能說服當地民眾,乾式貯存場的安全無虞,也是需要面對的問題。在之前的節目中,我們有提到乾式貯存場的設計不論是輻射量或是堅固性都不用擔心,畢竟連火箭撞了都沒事。至於燃料棒本身的安全也不用擔心,用過燃料棒放入乾式貯存場後只需要靠空氣的被動循環,就能維持溫度穩定,完全不需插電。

乾式貯存槽示意圖。圖/台灣電力公司

但保證是一回事,有人擔心台灣與核能大國的美國不同,核電廠都靠海,金屬製的處置罐暴露在海風中,會不會有鏽蝕導致核污染外洩的問題?

乾式貯存場安全嗎?

這個問題,當然要經過充分測試以後才知道,但我們可以先參考與我們環境相同的日本。

日本有三座乾式貯存場,其中一座,就位在日本 311 大地震中受災的福島電廠。這座 1995 年就啟用、位在海邊的貯存廠,至今都保存良好。甚至在海嘯與核子事故之後,日本進行緊急安全評估與處置、檢查了乾式貯存設施,結果表明貯存槽並沒有發現空氣自然對流被阻礙的狀況,排熱功能、輻射屏蔽、維持燃料棒亞臨界等功能也沒問題。此外,經過現地抽樣檢查,用過核子燃料棒也均未受損。雖然受到海水倒灌影響,外側的二次蓋有觀察到海鹽腐蝕的現象,但封蓋間並無發生氣密被破壞的情形。整體來說,硬體設施的防護是到位的。當然在事後,9 個貯存護箱被移送到廠區內,由另一個臨時保管設施進行保管。

當然,福島乾式貯存的設計與台灣並不相同,日本因為採取燃料棒再處理的策略,外頭是金屬護箱。台灣則與美國主流相同,最外頭採用的是混凝土護箱,結構強度比金屬護箱更強,並且留有空氣流動的自然通道。

你也許會問,台灣不是日本,比較高溫,氣候型態也不全然相同。沒錯,但真實數據也需要等待進到第二階段的熱測試,才能一起來檢視數據如何。

講到這邊,核一、核二延役要面臨的問題已經點出來了,核三的燃料池雖然還沒塞滿,但如果役期延長,遲早也會遇到相同的問題。而剩下的,就交給工程與政治去解決了。

我們該擁抱核能嗎?或許我們先問,該用什麼角度看待核能?

對於核能議題,除了近期的影片外,我們先前也討論過「核能算不算綠能」這個問題。但你真的知道綠能(Green energy)、潔凈能源(Clean energy)和永續能源(Sustainable energy)差在哪嗎?

嗯,坦白說這真的很混亂。在我們之前影片發表後,馬上有能源研究者提醒我們影片中的介紹不夠準確,因為在台灣雖然國發會把綠能定義為再生能源,美國的能源部則是根本不用 Green Energy,只使用 Clean Energy,而這就包括了核能。此外,歐盟也不用 Green Energy 這詞,而是指定歐洲綠色政綱(Green Deal)下能符合條件的能源。

比起這些內涵會持續變化的分類名詞,既然現在全球都對「淨零排放」有共識,那我們至少可以明確地將核能重新定位:那就是,核能確實是一個低碳排的發電方式,但,有核安的風險要考量,有核廢料的問題需要解決。在這個前提之下,討論要不要選擇它,應該會更有意義一些。

核電與綠能要或不要,其實沒有永恆正確的答案,歐盟在 2022 年把核能納入永續投資分類,結果現在在多國都面臨訴訟,被認為違反了分類法的初衷,錯誤地引導市場;德國一馬當先廢核,卻又因為烏俄戰爭延役核電,今年四月全數關閉後,能源空缺得改燒煤炭,也令人詬病;法國新建核電廠,且呼籲要將核能產生的氫氣納入可再生燃料,但西班牙跟德國則堅持反對…,就算只看歐洲,就知道要下定決心擁核或廢核,有多困難。

在民主的社會下,我們應該尊重每個人的選擇。但為了對得起選民,比起口號,政治人物更該提出務實的政策,核電廠如何延役?如何解決核廢料的去留?期望的台灣發電比例是什麼?用電安全在哪?不論是哪一方,我們都由衷希望能看到完整的政見與科學論證。

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從科學角度剖析能源政策的背後:既然核廢料沒地方去,有沒有別的方法可以處理?
PanSci_96
・2023/07/08 ・2795字 ・閱讀時間約 5 分鐘

核廢料沒地方去,幹嘛不丟入海溝或是送入太空?你知道國外有人工分裂核廢料,降低半衰期的方法嗎?

近期能源議題繞著核能打轉,除了核安以外,台灣遲遲無解的問題,還包括核廢料,正確來說,最大的問題是高階放射性廢棄物,也就是發電完的用過核燃料棒。在之前幾集有關的節目播出後,很多留言的朋友不約而同提出了幾個建議方案,其中許多值得好好談談。這集,就讓我們來回答這些問題。核廢料不能人工分解嗎?除了埋進地底,我們還有其他的選擇嗎?

能人工分解核廢料嗎?

在觀眾的回應中,許多人提到有一種可以人工分裂核廢料的方法:「核轉換」技術。據說透過此方法,人類可以把棘手的高階放射性廢棄物變得更好處理,去除放射性,地下處置也不用動輒數十萬年。這難道是煉金術嗎?

還真的有點像,所謂的核轉換(Transmutation)技術,與核燃料在核反應中,因為吸收中子造成的連鎖反應類似,科學家會將高能量中子或質子打入原子核中,誘發元素衰變。希望透過人工的方式,將會困擾人類數萬年的長半衰期核種,轉化成短半衰期或是不具放射性的元素。

核轉換的處理目標是半衰期極長的「錒系元素」,並將它們轉換成雖然具放射性,但半衰期較短的「鍶-90」(半衰期 29.1 年)或「銫-137」(30.17 年)(註:這裡的「較短」是指不到百年),或是將核種轉為較穩定的(ㄌㄧㄠˇ)或(ㄒㄧㄢ)。

目前此方法還在研究中,但是現實是,如果國內沒有發展相同技術,還是得要將高階放射性廢棄物運出國進行再處理,並且還要再運回國內,繼續乾式貯存。因此短時間內,高階放射性廢棄物的貯存問題,仍不會改變。而且,如果使用的是高能量質子束,需要 10~100 MW(百萬瓦)的驅動功率,會額外消耗能源。

等等,既然核轉換到過程也會誘發核分裂,過程中也會釋放大量能量,為何我們不蒐集這些能源呢?

沒錯,這就是另一種核反應爐「加速器驅動次臨界反應爐(ADS)」的構想。雖然發電效益較低,但至少我們能在不用外加能量的前提下,成功降低高階放射性廢棄物的半衰期。除此之外,所謂的「次臨界」,指的就是燃料內可反應的中子濃度低,處於無法持續發生連鎖反應的狀態,必須不斷透過外加的高能粒子射擊,才可以維持反應進行。也因此,次臨界反應爐的安全係數也相對較高。雖然目前 ADS 反應爐還在研究中,就像核融合與其他第四代核反應爐一樣,核工科學還有許多需要投資時間與金錢才能實踐的技術,我們就拭目以待吧。

核廢料可以送往人類生活圈以外嗎?

但除了核轉換和我們先前提過,將高階放射性廢棄物永遠埋進地底的「深層地質處置法」外,許多留言的朋友也分享了一些,曾經被評估過的處置方法,像是把核廢料送進太空的太空處置法、埋進海底的海床處置法、和丟進板塊交界處的隱沒帶處置法等等,這些真的有可能嗎?

不論是哪種方法,這些處置的核心,就是要將高階放射性廢棄物,長時間甚至永久地送離人類的生活圈。但這些方法,真的可行嗎?

不用空想,因為這些方法都曾被認真評估過可行性。但要記得,高階放射性廢棄物的處置,時間是以數千到數十萬年的時間尺度做計算。也就是說,就算短時間讓這些用過燃料棒眼不見為淨,但若不能妥善監測管理,到了要收拾善後時會更加麻煩。

因此,不論是埋進地底的深層地質處置法、丟進海溝深處的海床處置法、還是埋進極地冰層下方的冰層處置法,最大的問題,都在於能不能長時間控管。

深層地質處置法

而在這幾個方法中,深層地質處置法既滿足遠離人類生活圈,但又可以隨時緊急處置的條件,仍然是目前最主流的做法。例如目前進度最快,位在芬蘭的 Onkalo 深層地質處置場,從 2004 年動工至今,預計將於 2024 年正式啟用。至於跟我們一樣多地震的鄰居日本,他們位於北海道的的幌延深地層研究中心,也開始了全新的國際計畫,台灣也有參與。希望能從日本身上,實在了解地震帶上建置深層地質處置場的風險評估,取得寶貴的經驗。

位在芬蘭的 Onkalo 深層地質處置場一隅。圖/Posiva

隱沒帶處置法

隱沒帶處置法,指的是將高階放射性廢棄物放在板塊交界處,讓板塊將它們全帶向地底深處。在我們的腳底下,有著一塊塊的板塊,它們互相推擠,雖然速度緩慢,但力量十分巨大,足以導致地震發生,也是在地表刻畫出高山與各種地表變化的主要推手,想進一步了解我們的大地之母,可以參考我們的這一集

這種方法的推廣者認為,雖然岩石圈會循環,隱沒的板塊總有一天會熔融成上部地函,最後隨岩漿重新流至地表。但因為板塊移動每年約 1~10 公分,速度非常緩慢,高階放射性廢棄物再次冒到地表時已經是千萬年或是數億年之後,放射性已遠遠在標準之下。

這方法雖然看似可行,但關鍵的問題還是一樣,沒有人能確保和追蹤,這些被大地吞噬的高階放射性廢棄物最後去了哪裡,會不會上演像被關進獄門疆丟進隱沒帶的五條悟一樣在短時間中回到地表?真的難保意外發生。

太空處置法

至於要不要把核廢料送上太空,真的丟到我們完全不用再監測,可以兩手一攤就不管的地方呢⋯⋯?這邊歷史上也有個參考對象,只是結局不是那麼好。我說的當然不是有人真的把核廢料往外太空丟。

1977年,蘇聯發射了偵察衛星宇宙 954 號,上頭搭載了使用鈾-235 燃料的核反應爐。沒想到三個月後,衛星的路線逐漸脫離蘇聯的掌控,最終重新進入地球大氣層,化為碎片。雖然蘇聯聲稱碎片在墜入大氣層的過程中全部燒毀,但事實是,碎片灑落在加拿大的西北地區。加拿大協同美國花九個月,清掃了 12.4 萬平方公里的面積,才清除完了所有碎片,這雙方都出動百人逐步清掃的行動稱為「晨光行動(Operation Morning Light)」。

人員手持輻射偵測器逐步尋找衛星的殘骸。圖/wikipedia

核廢料不能「廢物利用」嗎?

除此之外,我們也多次提過,雖然目前的核反應爐無法使用這些用過核燃料棒,但他們很有潛力成為未來第四代核反應爐的發電原料,透過「核燃料循環」,減少新原料的開採需求,可以同時滿足零碳排發電,和不會增加高階放射性廢棄物的兩大優點,成為新的能源選擇。因此將這些用過燃料棒放在相對容易取得的地方,從再利用角度也是值得盤算盤算的。

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最安全的核電廠?小型核電廠 SMR 用發電量換安全性,遇到停電也不怕?
PanSci_96
・2023/06/03 ・2582字 ・閱讀時間約 5 分鐘

隨著核電廠陸續退役,台灣也逐漸邁向零核家園,郭台銘突然提出的「一縣市一核電」把核能議題的熱度重新炒到高峰。

雖然看似激進,但有人認為如果是郭董提到的「小型核電廠 SMR」的話,或許就有可能。這個 SMR 到底是什麼?它安全嗎?再者,它真的是核電的未來嗎?

實際上已經有人成功運行小型核電廠,並且已經併網發電了,他們是怎麼做到的?

小型核電廠是什麼?

台灣現在僅存,還在運作的核電廠就是核三廠,核三有兩部機組,每個機組的發電量大約為 950MW。

小型核電廠正式的名稱是「小型模組化反應爐」SMR(Small Modular Reactor),發電量通常在 20~300 MW,比一般核電廠小上許多。還有甚至更小,發電量 1~20 MW 的 MMR(Micro Modular Reactor)的反應爐。

奇怪,發電量怎麼越發展越小了呢?這樣不就得要蓋更多核電廠?

小型核電廠的特點就是小發電量,因為這能創造三個優點:安全、造價便宜、易組裝。

核能那麼危險,為什麼還要用?

這三個優點實際上就是現在核電發展的最大瓶頸。核能發電也已經有 60 年歷史了,但至今全世界的發電量中,核電也只佔大約 10%。最大的問題不外乎就是安全性、造價昂貴和建造時間久。

就算撇除安全性,漫長的建設時間與昂貴的發電成本,是讓許多電力公司卻步的原因之一。根據能源研究公司 BNEF(彭博新能源財經)的調查,從 2009 年到 2021 年,12 年間核能的建設成本增加了 36%;加上核電廠動輒 5~10 年的建設時間,就算核能是屬於低碳排的發電方式,大家也都更傾向選擇發展成熟的再生能源。

核能有一個最大的優點,那就是穩定持續發電。太陽能與風力這些再生能源容易隨天氣與時間影響發電量,反之核能屬於基載電力,本來就與風力、太陽能定位不同。

太陽能與風力等再生能源易隨天氣與時間影響發電。圖/Envato Elements

小型核電廠如何克服安全性?

要好要快也要便宜,除了穩定與低碳,還想要兼顧安全跟造價低的核電,小型核電廠真的是那個完美的選擇嗎?

小型核電廠 SMR 主打的特點就是一個字,小!只要夠小、功率降低,反應爐就不會一口氣釋放太多的熱,甚至能免除外部冷卻設備,靠自然循環降溫。

福島核電廠發生意外的主因就是海嘯破壞了核電廠中做為緊急電源設備的發電機與電池,導致冷卻系統失效,最後反應爐內的溫度無法抑制、不斷竄高,將水分解成了易燃的氫氣,產生爆炸。

如果 SMR 的反應爐可以撇除對外部冷卻系統的依賴,靠自己就能降溫,就能最大程度避免發生爆炸以及爐心熔毀的事故。

我們以目前 SMR 發展最成熟的美國公司 NuScale 為例,在他們發展的 60MW 反應爐中,含有 37 個燃料束,整個反應爐高約 17.8 公尺,直徑約 3 公尺。這個大小甚至可以在工廠製造,透過貨車或火車運送至預定地再快速組裝起來,大幅減少建造的時間與成本。

NuScale 把水循環系統都包在了反應爐,一次冷卻劑藉由熱對流上下循環,完全不需要幫浦,減少停電時產生的風險,一次冷卻劑的熱則會傳給二次冷卻劑,讓二次冷卻劑變為蒸氣推動渦輪發電。

如果真的遇上斷電事故,反應爐也有緊急冷卻系統,直接將整個反應爐泡在大水槽中;根據計算,水會在 30 天後完全蒸發,而此時的反應爐功率已經降低為原本的 4% 以下,只要靠空氣循環就能穩定溫度。

福島第一核電廠事故主因是由於海嘯破壞了做為緊急電源設備的發電機與電池。圖/維基百科

中國的小型核電廠是怎麼做到的?

而現在,在中國已經有第一座陸上 SMR 併到電網了!2021 年年底,中國山東省「石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程」正式併網發電,發電功率 200MW,雖然發電廠的總體積不小,但以它的發電功率及主打安全的設計,是實實在在的一座 SMR。

所謂的「高溫氣冷堆」,指的是流經燃料棒,充當冷卻劑與熱交換的材料,所使用氣體如:氦氣。與壓水式反應爐用水作為冷卻劑的最大差別在於不僅熱轉換效率更好,也不用擔心水因高溫氣化而有爆炸風險,故可承受更高的反應溫度。

比起傳統反應爐,高溫氣冷堆可以用更少的鈾 -235 進行反應,也就是能在燃料棒中有更多的鈾 -238 可以在溫度飆高時吸收掉多餘中子,加上高溫氣冷堆本身就能承受高溫的特性,如果真的遇到失去電力的情況,整個反應堆的溫度,也會穩定在 1600℃ 上下。

除此之外,石島灣核電廠的設計十分有趣,是球狀反應爐。在如同沙漏般的大反應爐中,燃料棒被做成了一顆顆直徑約 6.7 公分的燃料球,兩萬七千顆燃料球像沙漏中的沙子一般填充在反應爐內。

鈾燃料會被包裹在球狀構造的中心,外頭則是作為中子減速劑的石磨;作為冷卻劑的高溫氦氣會從球的中間通過帶走熱量,燃料球可從下方取出,並從上方填充。

不過,高溫氣冷堆能否成功,還需要許多時間觀察,例如石磨包裹的燃料球是否容易摩擦造成破裂,都是需要進一步注意的。

燃料棒被做成直徑約 6.7 公分的燃料球。圖/PanSci YouTube

小型核電廠的未來?

除了中國外,各國也都在發展不同形式的 SMR,甚至有人在發展功率 20MW 以下的微型核子反應爐 MMR。例如美國愛達荷國家實驗室正在建造的 MARVEL 反應爐,以及核能公司 Radiant,它們正在打造貨櫃大小、可以隨拉隨走的 MMR,希望能取代社區停電時使用的高污染柴油緊急發電機。

不論是小型還是微型核電廠,除了技術還有待發展,成本是否能壓低,也是個重要指標。當然,還有另一個大魔王,就是核廢料問題,還等著被解決。

根據研究推算,NuClear 各種機型每單位能量產生的核廢料可能會是傳統核電廠的 5.5~30 倍不等,球狀反應堆的體積因為球狀包裹物的設計,核廢料的體積也是明顯可見的變大,而這些核廢料的處置問題也是全球都在面對的問題。

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