核廢料放我家？高階核廢料的危險性與處理方式

• 張博宇／目前專研於高能高密度電漿、電漿推進、核融合等領域。

Take Home Message

• 美國國家點火設施（NIF）在去年使用慣性控制核融合，首次在可控的核融合反應中，令能量的輸出大於輸入，朝核融合產能邁進了一大步。
• NIF 將 2.05 百萬焦耳（MJ）的雷射能量注入靶材，經過核融合反應產生了 3.15 MJ 的能量，靶材增益為 1.5。但若將產生雷射能量的耗能考慮進去，則並沒有真正的能量輸出。
• 臺灣各學校的物理系、核工系、電漿所其實都有學者針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究，期望這次NIF的成果能推動相關領域進展。

去（2022）年 12 月，美國能源部（Department of Energy, DOE）、DOE 所屬的國家核安全管理局（National Nuclear Security Administration, NNSA）、勞倫斯利佛摩國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL），以及 LLNL 所屬的國家點火設施（National Ignition Facility, NIF）召開了一場記者會。

在記者會中，他們共同宣布在實驗中實現增益值（gain）大於一的結果，意即實現了第一次在可控的核融合（controlled nuclear fusion）反應中，輸出的能量大於輸入的能量，朝核融合產能邁進了一大步。然而，這項結果是否代表著核融合發電即將被實現？

產生能量的核融合反應

在核融合反應中，若兩個較輕的原子核可以融合成一個較重的原子核，且反應之後的總質量減少，那麼根據愛因斯坦（Albert Einstein）質能互換的關係（E ＝ mc²），減少的質量將會轉換成能量。

最容易產生的核融合反應是將氫（¹H）的兩個同位素氘（²H，或稱為 D）及氚（³H，或稱為 T）的原子核融合，產生一個 α 粒子（即氦原子核，⁴He）加一個中子（neutron, n），同時產生 17.6 百萬電子伏特（MeV）的能量：

D⁺ ＋ T⁺ → α²⁺＋ n ——公式一

在公式一的核融合反應中，兩個帶有正電的原子核必須互相靠近才能融合在一起。然而，兩個帶正電的粒子互相具有排斥力，而且愈靠近排斥力就愈大。因此，除非這兩個粒子互相靠近的速度快到排斥力無法阻止它們相撞，核融合才能發生。除此之外，還必須要考量到庫倫散射（Coulomb’s scattering）的現象——若兩個帶正電的原子核沒有正面對撞，則兩者會因為排斥力的原因轉向——更增加了兩者靠近的難度。

因此，只能把氘與氚氣體加熱到高溫，長時間侷限這些高溫的燃料，讓極少數高速的原子核有機會互相靠近並發生核融合反應、產生能量。但即便是最容易發生的氘加氚核融合反應，也需要將燃料加熱到 50 千電子伏特（keV，約為 5.8 億 ℃）才能有最高的反應速率。

有什麼方法可以將燃料加熱到所需要的溫度呢？看回公式一，氘與氚的核融合產物中具有能量為 14.1 MeV 的中子，及 3.5 MeV 的 α 粒子。我們可以讓高能的中子將能量攜出後再轉換為電能，但讓帶有較少能量的 α 粒子保留在系統中加熱燃料。因此普遍實現核融合產能的系統，目標都是將燃料加熱到溫度約 10 keV（約為 1 億 ℃），讓核融合產生的 α 粒子能繼續加熱燃料。

帶來重大進展的核融合研究

目前國際間研究的核融合反應主要可分為磁場控制核融合（magnetic confinement fusion）與慣性控制核融合（inertial confinement fusion），NIF 去年的實驗便是使用間接驅動（indirect-drive）的慣性控制核融合。

在這次的實驗中，當 2.05 百萬焦耳（megajoule, MJ）的雷射能量注入環空器（hohlraum）¹並加熱中間的球殼靶材後，經過核融合反應產生 3.15 MJ 的能量，意即靶材增益（target gain）約為 3.15 / 2.05 ＝ 1.5，是人類首次在可控的核融合反應中，輸出的能量大於輸入的能量。

然而，若將產生 2.05 MJ 的雷射能量考慮進去，需要耗掉的能量約為 300 MJ；換言之，這次實驗的真正能量增益（energy gain）約為 3.15 / 300 ≈ 0.01，並沒有真正的能量輸出。

不過，NIF 使用的是 90 年代的雷射技術，它的建造目的是為了國防研究所需，因此並不是最適合核融合的研究場域，在雷射技術上還有很大的進步空間。再者，回顧 NIF 從 2011 年開始進行的核融合實驗，歷經了超過十年終於第一次實現靶材產生的能量超過了雷射的能量，對 NIF 而言可說是向前邁進了一大步。

更重要的是，在去年的實驗中，靶材都進入了 α 粒子能夠繼續加熱燃料的燃燒電漿（burning plasma）範圍，是過去核融合研究從未達到的條件，只要稍微最佳化實驗條件便能讓輸出能量有顯著的提升。因此，這次的重大突破顯示了核融合的可行性並非天方夜譚。

臺灣的核融合相關研究發展

核融合研究本身是一個複雜的系統，在科學上及工程上都有許多的挑戰，許多名字上並沒有「核融合」的研究，其實也都間接與核融合相關。以這次的慣性控制核融合為例，相關的研究就包含了雷射技術、靶材製作技術、粒子量測技術、高速攝影技術等。

若以磁場控制核融合來說，也包含了高溫超導、微波技術、高壓脈衝技術、粒子加速器等科技。當然，最重要的就是電漿科學、電漿加熱、電漿量測技術等研究，因為任何材料在高溫的條件下，都會變成電漿態。 

在臺灣各個學校的物理系、核工系、電漿所分別都有 1～2 位老師在研究電漿相關的領域，尤其成功大學的太空與電漿科學研究所，更有針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究。然而，相較於國外蓬勃發展核融合的環境相比，臺灣投入核融合研究的人數仍然明顯不足。

期盼這次NIF的實驗成果，能夠吸引更多臺灣的學生及研究人員投入核融合的相關研究，更刺激政府、民間團體投入更多的資源在核融合研究上。

兩種不同的核融合方式

當物質被加熱到 1 億 ℃ 時，原子內部帶負電的電子便會脫離帶正電的原子核，形成帶負電的電子及帶正電的原子核混合在一起的狀態，稱為電漿（plasma）。我們可以利用帶電粒子的特性侷限高溫的電漿，目前廣泛被研究的核融合反應可分為磁場控制核融合與慣性控制核融合，它們的原理有哪些不同？

磁場控制核融合

其中一種方式便是藉由稱為「托卡馬克」（tokamak）的環形容器產生核融合。透過環磁場線圈及延著環形方向的電漿電流（plasma electric current），在環磁場線圈的內部形成一個扭曲但繞著環磁場線圈的螺旋磁力線（helical magnetic field），讓電漿不斷延著螺旋磁力線移動，被侷限在環磁場線圈形狀的真空腔中但不與真空腔的腔壁接觸。

最後，再將電漿加熱到 10 keV的溫度。此核融合的方式能透過磁場將低密度（接近真空）的電漿侷限在真空腔中上百秒或更久的時間，讓高溫的氘、氚原子核有機會互相靠近並發生核融合反應。

慣性控制核融合

慣性控制核融合是利用電漿本身的「慣性」來侷限電漿。由於粒子本身的質量不等於零，所以離開系統需要時間，只要燃料在離開系統前反應完畢，那是否被持續侷限就不重要了。

因此，慣性控制核融合必須將氘與氚的燃料加熱到近 10 keV，並壓縮到高壓力（約千兆大氣壓，gigabar）及高密度，讓粒子間碰撞的頻率在極高的密度下大幅度提升，增加核融合發生的頻率。因此僅需要將系統維持／侷限在奈秒（ns）內，同樣能將燃料燒完。

慣性控制核融合可分為直接（direct drive）或間接驅動，不過兩種驅動方式都是為了快速加熱球殼外層。當球殼中心的氘及氚溫度達到 10 keV 時，核融合反應便會從中心開始發生，產生的能量可以由內而外藉由核融合反應燃燒球殼。

球殼內部在前述的過程中因為壓縮產生高壓，外部的雷射也會停止使得外部的壓力減少，因此球殼又會被向外推。然而，因為球殼本身的慣性，被向外推較為耗時，因此只要向外燃燒球殼的速度大於球殼被向外推的速度，便能將整個球殼再被外推前燃燒殆盡，產生能量。

註解

• 〔註 1〕環空器是一種腔壁與腔內達到輻射熱平衡的空腔，在慣性控制核融合實驗中燃料球會被放入環空器，再於環空器兩端孔洞射入雷射提供能量。

• 〈本文選自《科學月刊》2023 年 4 月號〉
• 科學月刊／在一個資訊不值錢的時代中，試圖緊握那知識餘溫外，也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

有效運用當今的再生能源技術和改良輸電方式，無疑都是當務之急，也不要忘記，多數國家不像美國這麼幸運，有充足的太陽能和風力資源。美國可以寄望未來以再生能源獲取大部分電力，這不是一種普遍現象，而是例外。因此，在美國更有效運用太陽能和風力的同時，全球還是需要有清潔電力的新發明。

核能發電的優勢和疑慮

如果要簡短說明核能發電，那就是：這是唯一已證實可以不分晝夜、不分季節、不挑地點，穩定且大規模發電的零碳能源。

沒有任何其他清潔能源能做到目前核能發電給我們的這些好處，而且是還差得很遠。在利用水泥、鋼鐵和玻璃等材料的效益方面，核能發電廠也是第一名。下圖表呈現出不同發電方式下，每單位發電量需要消耗多少材料。

核電有很多問題已經不是什麼祕密，興建核電廠的成本目前已變得很高。人為疏失會導致意外事故，核電廠使用的燃料——鈾，有可能被用來製造核武，存放有危險性的核廢料也是棘手的問題。發生在美國三哩島、前蘇聯車諾比，以及日本福島的核電廠事故備受矚目，使這些風險成為焦點。造成這類核災的問題確實存在，但我們面對的方式應該是著手解決問題，而非直接停止發展這個領域。

核能發電造成的人命傷亡遠遠少於汽車，事實上，也遠遠少於任何一種化石燃料（見下圖表）。

新的技術 打造更安全的核能設施

儘管如此，核能發電技術還是應該要改良。把造成事故的問題逐一分析清楚，再設法以創新來解決。我對泰拉能源（TerraPower）設計的方案十分樂觀，泰拉能源的反應爐可以使用多種不同的燃料，包括其他核電廠的核廢料。這種反應爐產生的廢料也比現有核電廠少得多，同時採取全面自動化，排除人為疏失的可能性，又可以建造在地底，避免遭到攻擊。最後一點，反應爐運用巧妙的設計來控制核反應，本身就很安全。運用物理定律，事故基本上不會再發生。

泰拉能源要落實到興建新的核電廠，恐怕還要等很多年，到目前為止，我們設計的反應爐都只存在於超級電腦中。另一方面，我們正與美國政府積極合作，共同打造一座新一代核電廠的原型。

——本文摘自《如何避免氣候災難：結合科技與商業的奇蹟，全面啟動淨零轉型新經濟》，2023 年 ３ 月，天下雜誌出版，未經同意請勿轉載。

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

核二廠已經在 3 月 14 日正式退役，完成 40 年的發電任務；但你知道嗎？還得要再花 25 年，才能完成全部的退役工作。

而高階核廢料 -9620 束的核燃料棒，依照國際原子能總署（IAEA）建議，需要在遠離人類的地方儲存 20 萬年，然而它們至今仍留存在核二廠內，無處可去。

核廢料該何去何從？ 安全嗎？其他國家又是怎麼處理的呢？再者，難道核廢料不能再利用嗎？

核廢料該去何處

相比於其他發電方式，核能發電要退場可不簡單；未來 25 年的旅程中，包含 8 年的停機觀察、12 年的拆除，以及 5 年的觀察及復原階段。在漫長的退役過程中，除了審慎評估核污染的狀況以外，衍生出的核廢料去留，更是大家最關心的事情。

核能發電過程中，所產生的放射性廢棄物主要分兩種：半衰期長，以鈾、鈽、超鈾元素為主的燃料棒，屬於高階核廢料；其餘的核廢料，都屬於低階核廢料，像是發電廠使用的機具和產生的廢液，廠區內受污染的衣物、手套、紙張等。

而存放在蘭嶼「低放射性核廢料貯存場」的，並非是那些處理起來最棘手的燃料棒。實際上，不論是核一廠還是核二廠，真正的高階核廢料現在都正躺在燃料池內。當然，那裡不會是高階核廢料最後該待的地方，只是因為種種因素，導致下一階段的乾式儲存場遲遲未能啟用；核二廠甚至在 1991 年和 2003 年調整、擴充核電廠內的燃料池，才勉強塞進所有燃料棒。現在燃料池內擁擠的情況，一號機最後一批燃料棒甚至因為燃料池空間不足，至今仍卡在反應爐內，無法退出。

雖然不會爆炸，但是放在地表的核燃料棒，真的沒有輻射的風險嗎？在討論輻射量時，除了半衰期外，還要考慮不同元素在衰變時產生的能量大小。高階核廢料中，大約有 95% 是輻射量低，半衰期 45 億年的鈾 -238 與鈾 -235，而在剩餘材料中輻射較強的，是大部分不存在於自然界，因為核反應才誕生的人工產品超鈾元素。例如錼 -237、鈽 -239、鋂 -243 與鋦 -247，這些超鈾元素衰變時產生的輻射能量較大，半衰期也較長，是比較需要警戒的對象。

那這些高階核廢料究竟該到哪呢？根據國際原子能總署（IAEA）對於核廢棄物的管理規範，儲存核廢料時不只應考慮到對人類，還要同時考慮對環境的影響，盡可能減少廢棄物的總量，並確保最終處置場所的安全性。

台灣參考其他國家作法，燃料棒首先會在燃料池內以濕式儲存的方式繼續待數年，確定降溫、反應下降後，轉移到能讓核廢料存放超過 40 年的「乾式儲存場」，再來則是要能建立一個遠離所有生物生存環境的「最終處置場」。

乾式儲存場與最終處置場

這邊我們要先搞清楚，在反應爐中，鈾 235 是因為吸收中子才變得不穩定，進而引發一系列的連鎖反應；當我們拿掉這些亂源中子，鈾 235 是相對穩定的，半衰期甚至長達 7 億年，這也是為什麼鈾 235 能在大自然中存在，至今而沒有因為衰變而消失。

在核廢料儲存階段，還會通過放置大量的中子吸收材料在燃料棒之間，確保高階核廢料產生的中子不會引發連鎖反應。實際上，到了乾式儲存階段，僅有微弱的連鎖反應和自身衰變產生的過程會產生熱量，產生熱的速度光靠空氣的自然流動就能維持穩定。

整個乾式儲存場的設計，在經過層層阻絕後，廠區邊界的輻射標準值為每年 0.05 毫西弗。台灣人平均每年接受的背景輻射劑量約為 1.6 毫西弗，扣掉背景輻射，每年因為醫療、搭飛機所接受的背景輻射建議值建議不超過 1 毫西弗；以乾式儲存場的設計標準來說，其實不需要恐慌。另外，美國核能設備和系統供應商 Holtec 甚至做過時速 965 公里的火箭撞擊試驗，證實自家乾式儲存槽的安全性。

即便如此，有人還是會擔心天災等意外產生不可預期的後果。為了安心，我們是否能找個遠離人類的地方，永遠將這些核廢料藏起來，眼不見為淨呢？

目前國際上普遍認為，核廢料的最終去處將採用深層地質處置；將核廢料埋進 300 公尺以上的深度，數萬年甚至數十萬年。

從 1980 年代就開始，就有不少的地下示範場域進行相關研究；直到現在，預計於明年啟用、位於芬蘭地底 430 公尺的深層地質處置場 Onkalo（芬蘭語中的意思為空腔之意），最有望成為大家參考的對象。為了減少容器的腐蝕現象，核廢料會被裝在含硼的鋼罐中，外面再套一層銅膠囊，並使用膨潤土妥善密封；整座如蟻穴般的儲存場預計可以收納上方核電廠 100 年份的核廢料，並在被塞滿後，將剩餘的通道與設施重新填平。

至於台灣核廢料的最終處置場該設在哪呢？專家評估，核一、核二廠靠近第二類斷層山腳斷層，不適合作為核廢料的最終儲存場所；目前原能會還在調查適合的地點，預計 2038 年才會選定最終場所。

第四代核反應爐

核廢料這個棘手問題，除了封存以外，我們有沒有從根本解決，減少「量」的方法呢？可能還真的有，比爾蓋茲投資開發的第四代核反應爐——行波反應爐有可能可以解決這個問題。

為有效解決核廢料問題，在這個反應爐中，將過去無法作為發電原料的鈾 238 與其他核廢料作為原料。這對核分裂發電廠來說絕對是個好消息！現在的核燃料棒中能參與反應的鈾 235 僅佔 3～5%，其他 95% 都是鮮少參與反應的鈾 238，在自然界中鈾 238 的占比更高達 99.3%，如果行波反應爐可使用鈾 238 作為原料，絕對能大幅減少核廢料與需開採的鈾原料。

除了行波反應爐外，還有許多不需要持續添加核燃料、能循環發電的第四代核反應爐也正在研發當中，像是熔鹽反應爐，以及鈉冷快中子反應爐。

芬蘭深層地質處置場 Onkalo 也引出不同的聲音，畢竟如果未來第四代核電廠真的能將高階核廢料循環再使用，我們現在真的應該將之徹底封死嗎？

最後，我們還是要強調，台灣核一、核二、核三廠最後留下總計約 5000 噸的高階核廢料問題，仍不會改變。但將核廢料埋起來眼不見為淨，真的是最好的辦法嗎？你覺得這些高階核廢料又該如何處理呢？

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