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灰色的春天—福島核電廠輻射外釋事件

科學月刊_96
・2011/04/17 ・3429字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 561 ・九年級
更多好文請參閱《科學月刊2011.4月號》〈世界不是平的〉

核能的發現促進能源與醫療的發展,宛如發現上天賜予的寶物,我們對核能抱著種種期待,但水能載舟亦能覆舟,此次日本的核災危機,為全世界的人針對核安問題上了一課,警示人類面對核能應有的謹慎。

魏和祥

日本福島核能電廠發生事故,有下列幾點核能的資訊,值得大家參考,建立一些基本認識。

福島第一核能發電廠基本介紹

福島第一核能發電廠總共有6座反應爐:編號一~六。全部屬於沸水(壓水)式反應爐(The Boil Water Reactor, BWR),其中三號爐的核燃料鈽(239Pu)是由鈾–238(238U)孳生而來。而其他反應爐的核燃料是鈾–235(235U,濃度約15%以下)。

核能發電設備最重要有「反應爐」以及「熱交換及冷卻系統」。反應爐中重要的有核燃料棒及其包殼(Cladding)、中子源、控製棒、爐的容器、水(圖一)。一、二、四、五號核燃料棒為二氧化鈾(UO2)及八氧化三鈾(U3O8),三號核燃料棒為二氧化鈽(PuO2),是由238U孳生之MOx式(金屬氧化物的混合物,M代表金屬),其中內含少量約0.3%鈾–235。中子源以鈹–9同位素(9Be)為主,控製棒(control rod)是要控制連鎖反應的物質,因此材料為易吸收中子者,如銀銦鎘的合金(Ag-In-Cd alloys)。核反應爐的容器為強化鋼筋混凝土(Reinforced concrete containment vessel, RCCV),並充滿了水。

圖一:(A)反應爐內觀、(B)核燃料塊(U-235)、(C)控制棒

地震海嘯來襲 福島一廠失守

3月11日外海淺層(24公里)發生芮氏9.0級大地震,並產生了15公尺的海嘯,使核能發電設備遭受嚴重破壞。由於外圍電力供應被破壞,無法電動運送冷卻水進入爐內,不能將熱蒸汽冷卻,而使爐內水的溫度升高,致爐心溫度也升高,引發了一系列化學反應及氫氣爆炸。

氫氣爆炸並炸開外反應爐上建築物的原因是什麼呢?從熱力學觀點來看,水必需要在2000℃以上,方能分解為氫氣及氧氣,因此,即使水形成為高溫水蒸汽也不易分解,不會有氫爆。核燃料棒的包殼必須是吸收中子效率很低的材料,鋯(Zr)就是具有這種特性的元素之一。包殼材料就是使用鋯合金,其中含有98%的鋯,以及其他少量的鐵、鎳等。可是,當爐心溫度高達到約 900℃時,就會進行下面的化學反應,引發氫爆:

隨著氫氣爆炸之後,水量突然大量減少而降低水位,致核燃料棒露出水面。

輻射外洩之因與輻射汙染之慮

這次有放射性元素「銫–137」(137Cs, Cesium),以及碘素(131I, iodine)的外洩,由於這兩種核種(Nuclides)都放出β-射線,對身體破壞力較強。因銫–137是原子爐內才會有的放射物質,如果在核電廠周圍檢測出銫–137,表示原子爐已經有小量熔解而破損的現象,表示爐心溫度超過固體核燃料熔點約2000℃以上,所以才會漏出銫–137。

為什麼要吃碘片(KI)呢?主要是讓體內碘的濃度飽和,就可防阻甲狀腺吸收外界的碘–131(131I)。但是目前輻射劑量不是很高,不用擔心,而且因為碘–131的半衰期只有8.02天,消失的很快。在台灣,日本的輻射塵又不易吹來,不管如何,實在不用吃碘片。另一方面,銫–137的半衰期約30.17年,若爐心溫度降不下來,那後果就比較堪慮了。

福島核電廠發生輻射外洩事故,政府緊急疏散當地30萬居民,照片中穿著防護衣的工 作人員正在檢測從福島核電廠附近疏散的孩童身上的輻射量。(圖片來源:REUTERS/Kim Kyung-Hoon)

搶救福島一廠 日本的緊要措施

第一步就是從陸、海、空灌水到反應爐心及爐內之使用過核燃料儲存槽,使爐心溫度下降,最好在100℃以下,不再有水沸騰氣爆發生。另一方面灌入硼酸 (B2O3),它是最好的中子吸收劑,可降低中子源,抑制核反應。其次就是外接電力,將冷卻水恢復自動運轉,這才是真正的解決之道。
為什麼三號爐之搶救最為重要?因為三號爐的核燃料主要是鈽–239,若爐熔化爆炸,鈽–239對人類災害相當大。除輻射線之外,鈽–239的生命期(life-time)更長達2萬4000年,為害久遠。

從3月21日凌晨起,已將一~六號爐全部降溫到100℃以下,表示經過這些天的灌救,似乎已經奏效,但仍應多加注意,防止其再度升溫。此外,一、二、五、六號機也已成功外接電力,將冷卻水恢復自動運轉,這是好消息,希望三、四號機也能如此。但是否能正常復原運轉,仍是未知數。
三號機之爐內氣壓,起初尚未降到安定狀態,但現在已獲控制,應該不會有爆炸的可能。以專業角度來看,福島第一核能發電廠事故之危機,應已大致解除,但還要注意觀察及警戒。

輻射線劑量單位及自然輻射線

西弗(sievert, Sv):是衡量輻射劑量對生物組織的影響程度的單位,用來表示輻射對人體影響的程度,而1西弗=1焦耳∕公斤(J/kg)。但西弗單位表示相當大,所以常會用毫西弗(mSv)與微西弗(μSv)來表示,1西弗等於1000毫西弗,而1毫西弗等於1000微西弗。接觸到的環境只要維持在100毫西弗以內都是正常可接受的,據3月21日早晨的報導,核能發電廠上空及附近偵測到的劑量已從3.5毫西弗下降至2.5毫西弗,而工作人員暴露量超出100毫西弗,雖不大好,但無致命性危險。

自然存在的放射性元素:日常生活中我們人類本身就暴露在地球自然的放射性環境中。超過60種放射性核種元素(radioactive elements)與地球同在(表一),加上宇宙線造成的氫–3(H-3)、 鈹–7(Be-7)及碳–14(C-14)都包括在內。許多放射性核種幾乎與地球形成同時一起誕生,存留至今。而且,這些放射性核種與無放射性同位素(原子序與化學性質相同)共同存在。因此人類原本就暴露在其中,尤其愛好奇晶玉石者,暴露的機會更多,但也不必太擔心,不致於嚴重危害身體。根據美國的研究,成年人每天接受之自然輻射線有效劑量約為10微西弗,一年累積為3600微西弗,人的一生(100年)就會接受36萬微西弗,就目前日本人的壽命來看,他們有近100多萬人超過100歲,可見低劑量輻射線對人類並非致命性的重要因素。

表一:地球上主要的放射性核種元素

至於有人擔心這次福島核電廠事故散布到太平洋的銫–137,是否會毒害海洋生物?以目前輻射劑量強度,在核電廠的近海暫時會有汙染,但不久後溶入海洋,濃度及強度都會稀釋到相當微小,因此不用擔心。反而要擔心的是不斷地從深海地震地殼或岩石內部釋出之自然放射線核種。

事故後 電廠留存、輻射殘留問題

福島核電廠方圓20公里內暫時不宜久留,不宜飲用、食用當地的水或動、植物,需等輻射汙染處理過後才可以。各反應爐均已降溫,不致再有輻射外洩的可能,輻射汙染不致加深。

因曾經用海水灌救過反應爐,所以反應爐不可能再使用。日本政府於3月20日宣佈,福島第一核能發電廠一~六號機有可能廢爐停止運作,其中破壞不大的一號或五、六號或許暫時可運轉,來協助自動處理爐心的核燃料安全移除,但也是暫時性,終究會完全停止運作。

調查及處理福島核電廠方圓30公里以內之各種物件,如土地、河川、作物等的輻射汙染,是一件大工程。這一點,因日本曾受原子彈侵襲過、對這方面有相當經驗。不過這6座爐最好在停止運轉之後,能把核燃料棒抽出,外移並冷卻,棄除中子源及降低輻射強度。

結 語

從這次的核災難,筆者有列幾點省思:
一、100年來核能的悲喜劇,大家要回首居禮夫人當初的期待,利用核能治病與和平用途。今天,人類已享受了60多年的核子醫療及核能發電,核能本身無罪,而天災人禍導致悲劇。

二、人類最不該的是第一次世界大戰之後,二次大戰的兩顆原子彈(廣島的鈾原子彈,長崎的鈽原子彈),人類自相殘殺的數目是地球動物史上最為殘酷。從1950~1990年期間,美蘇兩國為首,把核能技術的研究發展,集中在核子武器,而把核能發電的技術研究發展看成次要。到目前為止,雖然法、德、日等國沒停止發展,但力量有限。

三、台灣的核能電廠型號與結構建造(由G.E.授權日本建造),皆與日本福島一廠大同小異。這次日本核能災難的救災與今後處理的方法,都值得我們借鏡。

四、人類物質文明至今日,面臨能源問題、環境問題、溫室效應問題,要何去何從必須好好省思。(本文資訊與數據為截稿時間2011年3月21日止)

魏和祥:任教淡江大學化學系

核能發電原理

核能發電的原理,是利用中子(n)撞擊核鈾–235或鈽–239,造成核分裂而產生熱能,利用熱交換給水,產生高溫水蒸汽去推動渦輪機及推動發電機。而高溫水蒸汽再被外送來的冷卻水冷卻後,再循環回送爐內。 圖中所示為壓水式反應器系統。壓水式反應器的冷卻水不會在反應器內汽化為水蒸汽,自反應爐流出之高溫的水,進入蒸汽產生器的一次側,將熱傳給二次側,造成流經二次側的工作流體沸騰為水蒸汽而推動汽機。

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科學月刊_96
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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》