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核二退場,核廢料還要放 20 年!又該何去何從?

PanSci_96
・2023/03/28 ・2622字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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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。

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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。

蘭嶼貯存場是臺灣唯一的核廢料貯存場。圖/維基百科

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。

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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。

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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。

核二廠還得要再花 25 年,才能完成全部的退役工作。圖/維基百科

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。

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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?

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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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揭密突破製程極限的關鍵技術——原子層沉積
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/08/30 ・3409字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 ASM 委託,泛科學企劃執行。 

以人類現在的科技,我們能精準打造出每一面牆只有原子厚度的房子嗎?在半導體的世界,我們做到了!

如果將半導體製程比喻為蓋房子,「薄膜製程」就像是在晶片上堆砌層層疊疊的磚塊,透過「微影製程」映照出房間布局 — 也就是電路,再經過蝕刻步驟雕出一格格的房間 — 電晶體,最終形成我們熟悉的晶片。為了打造出效能更強大的晶片,我們必須在晶片這棟「房子」大小不變的情況下,塞進更多如同「房間」的電晶體。

因此,半導體產業內的各家大廠不斷拿出壓箱寶,一下發展環繞式閘極、3D封裝等新設計。一下引入極紫外曝光機,來刻出更微小的電路。但別忘記,要做出這些複雜的設計,你都要先有好的基底,也就是要先能在晶圓上沉積出一層層只有數層原子厚度的材料。

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現在,這道薄膜製程成了電晶體微縮的一大關鍵。原子是物質組成的基本單位,直徑約0.1奈米,等於一根頭髮一百萬分之一的寬度。我們該怎麼精準地做出最薄只有原子厚度,而且還要長得非常均勻的薄膜,例如說3奈米就必須是3奈米,不能多也不能少?

這唯一的方法就是原子層沉積技術(ALD,Atomic Layer Deposition)。

蓋房子的第一步是什麼?沒錯,就是畫設計圖。只不過,在半導體的世界裡,我們不需要大興土木,就能將複雜的電路設計圖直接印到晶圓沉積的材料上,形成錯綜複雜的電路 — 這就是晶片製造的最重要的一環「微影製程」。

首先,工程師會在晶圓上製造二氧化矽或氮化矽絕緣層,進行第一次沉積,放上我們想要的材料。接著,為了在這層材料上雕出我們想要的電路圖案,會再塗上光阻劑,並且透過「曝光」,讓光阻劑只留下我們要的圖案。一次的循環完成後,就會換個材料,重複沉積、曝光、蝕刻的流程,這就像蓋房子一樣,由下而上,蓋出每個樓層,最後建成摩天大樓。

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薄膜沉積是關鍵第一步,基底的品質決定晶片的穩定性。但你知道嗎?不只是堆砌磚塊有很多種方式,薄膜沉積也有多樣化的選擇!在「薄膜製程」中,材料學家開發了許多種選擇來處理這項任務。薄膜製程大致可分為物理和化學兩類,物理的薄膜製程包括蒸鍍、濺鍍、離子鍍、物理氣相沉積、脈衝雷射沉積、分子束磊晶等方式。化學的薄膜製程包括化學氣相沉積、化學液相沉積等方式。不同材料和溫度條件會選擇不同的方法。

二氧化矽、碳化矽、氮化矽這些半導體材料,特別適合使用化學氣相沉積法(CVD, Chemical Vapor Deposition)。CVD 的過程也不難,氫氣、氬氣這些用來攜帶原料的「載氣」,會帶著要參與反應的氣體或原料蒸氣進入反應室。當兩種以上的原料在此混和,便會在已被加熱的目標基材上產生化學反應,逐漸在晶圓表面上長出我們的目標材料。

如果我們想增強半導體晶片的工作效能呢?那麼你會需要 CVD 衍生的磊晶(Epitaxy)技術!磊晶的過程就像是在為房子打「地基」,只不過這個地基的每一個「磚塊」只有原子或分子大小。透過磊晶,我們能在矽晶圓上長出一層完美的矽晶體基底層,並確保這兩層矽的晶格大小一致且工整對齊,這樣我們建造出來的摩天大樓就有最穩固、扎實的基礎。磊晶技術的精度也是各公司技術的重點。

雖然 CVD 是我們最常見的薄膜沉積技術,但隨著摩爾定律的推進,發展 3D、複雜結構的電晶體構造,薄膜也開始需要順著結構彎曲,並且追求精度更高、更一致的品質。這時 CVD 就顯得力有未逮。

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並不是說 CVD 不能用,實際上,不管是 CVD 還是其他薄膜製程技術,在半導體製程中仍占有重要地位。但重點是,隨著更小的半導體節點競爭愈發激烈,電晶體的設計也開始如下圖演變。

圖/Shutterstock

看出來差別了嗎?沒錯,就是構造越變越複雜!這根本是對薄膜沉積技術的一大考驗。

舉例來說,如果要用 CVD 技術在如此複雜的結構上沉積材料,就會出現像是清洗杯子底部時,有些地方沾不太到洗碗精的狀況。如果一口氣加大洗碗精的用量,雖然對杯子來說沒事,但對半導體來說,那些最靠近表層的地方,就會長出明顯比其他地方厚的材料。

該怎麼解決這個問題呢?

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CVD 容易在複雜結構出現薄膜厚度不均的問題。圖/ASM

材料學家的思路是,要找到一種方法,讓這層薄膜長到特定厚度時就停止繼續生長,這樣就能確保各處的薄膜厚度均勻。這種方法稱為 ALD,原子層沉積,顧名思義,以原子層為單位進行沉積。其實,ALD 就是 CVD 的改良版,最大的差異在所選用的化學氣體前驅物有著顯著的「自我侷限現象」,讓我們可以精準控制每次都只鋪上一層原子的厚度,並且將一步驟的反應拆為兩步驟。

在 ALD 的第一階段,我們先注入含有 A 成分的前驅物與基板表面反應。在這一步,要確保前驅物只會與基板產生反應,而不會不斷疊加,這樣,形成的薄膜,就絕對只有一層原子的厚度。反應會隨著表面空間的飽和而逐漸停止,這就稱為自我侷限現象。此時,我們可以通入惰性氣體將多餘的前驅物和副產物去除。在第二階段,我們再注入含有 B 成分的化學氣體,與早已附著在基材上的 A 成分反應,合成為我們的目標材料。

透過交替特殊氣體分子注入與多餘氣體分子去除的化學循環反應,將材料一層一層均勻包覆在關鍵零組件表面,每次沉積一個原子層的薄膜,我們就能實現極為精準的表面控制。

你知道 ALD 領域的龍頭廠商是誰嗎?這個隱形冠軍就是 ASM!ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商,自 1968 年,Arthur del Prado 於荷蘭創立 ASM 以來,ASM 一直都致力於推進半導體製程先進技術。2007 年,ASM 的產品 Pulsar ALD 更是成為首個運用在量產高介電常數金屬閘極邏輯裝置的沉積設備。至今 ASM 不僅在 ALD 市場佔有超過 55% 的市佔率,也在 PECVD、磊晶等領域有著舉足輕重的重要性。

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ASM 一直持續在快速成長,現在在北美、歐洲、及亞洲等地都設有技術研發與製造中心,營運據點廣布於全球 15 個地區。ASM 也很看重有「矽島」之稱的台灣市場,目前已在台灣深耕 18 年,於新竹、台中、林口、台南皆設有辦公室,並且在 2023 年於南科設立培訓中心,高雄辦公室也將於今年年底開幕!

當然,ALD 也不是薄膜製程的終點。

ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商。圖/ASM

最後,ASM 即將出席由國際半導體產業協會主辦的 SEMICON Taiwan 策略材料高峰論壇和人才培育論壇,就在 9 月 5 號的南港展覽館。如果你想掌握半導體產業的最新趨勢,絕對不能錯過!

圖片來源/ASM

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美國將玉米乙醇列入 SAF 前瞻政策,它真的能拯救燃料業的高碳排處境嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/06 ・2633字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 美國穀物協會 委託,泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎?

2007 年,從台北的八座加油站開始,民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3,指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示,則代表不同濃度,最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10,巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

圖片來源:Hanskeuken / Wikipedia

為什麼要加酒精呢?

單論玉米乙醇來說,碳排放趨近於零。為什麼呢?因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟,接著被採收,發酵成為玉米乙醇,最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環,淨排放都是 0,是個零碳的好燃料來源。

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圖片來源:shutterstock

當然,我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此,美國農業部經過評估分析,2017 發表的報告指出,玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF(永續航空燃料)前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%,而根據國際民用航空組織(ICAO)的預測,這個數字還會成長,2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF,開始成為航空業減碳的關鍵,及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續,都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高,以食用油為原料進行氫化的 HEFA,以及酒精航空燃料 ATJ(alcohol-to-jet)。

圖片來源:shutterstock

每種燃料的原料都不相同,因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料,因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油,再進行「氫化」。

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就引擎來說,我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵,以氫原子佔據這些鍵結,讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高,不易氧化,適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯,接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵,成為長鏈烷烴,性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化,但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外,HEFA 取用的油品來源來自餐廳,雖然是幫助廢油循環使用的好方法,但供應多少比較不穩定。相對的,因為 ATJ 來源是玉米等穀物,通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產,因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF,都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息,例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100% 的 SAF 燃料完成飛行,締下創舉。

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圖片來源:shutterstock

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析,在所有交通工具的碳排放中,航空業佔了其中的 12%,而公路交通則占了 77%。沒錯,航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%,但真正最大宗的碳排來源,還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢?有人擔心,酒精可能會吸收空氣中的水氣,對機械設備造成影響?

其實也不用那麼擔心,畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅,來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說,酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑,當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查,結果發現,由於 E10 汽油摻雜的比例非常低,和傳統汽油的化學性質差異非常小,這 50 年來的車輛,只要符合國際標準製造,都與 E10 汽油完全相容。

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解惑:這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎?

在環保議題裡,這種原本以為是一片好心,最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範,例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明,生質乙醇等生物燃料確實有持續性,但必須符合「永續」的標準,並且因為使用的原料是穀物,因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是,隨著目標變明確,專門生產生質酒精的玉米需求增加,這也帶動品種的改良。在美國,玉米產量連年提高,種植總面積卻緩步下降,避開了與糧爭地的問題。

另外,單位面積產量增加,也進一步降低收穫與運輸的複雜度,總碳排量也觀察到下降的趨勢,讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭,低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外,生質燃料車,是否也是個值得加碼投資的方向?

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參考資料

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特斯拉 Cybercab 登場!自駕車事故責任該由誰承擔?
PanSci_96
・2024/07/30 ・1411字 ・閱讀時間約 2 分鐘

特斯拉即將在 2024 年 10 月推出無人計程車,並且 Robotaxi 的正式名稱,將取名為 Cybercab。
等等,在無人車正式上路之前,我先問你一個重要問題。如果我開特斯拉自駕車撞死人,要負責的是我這個駕駛、乘客,還是特斯拉與馬斯克?

你敢開自駕車嗎?肇事責任是誰負責? 圖/envato

自駕車撞死人:駕駛、乘客,還是特斯拉負責?

當你駕駛特斯拉自駕車撞死人,責任歸屬是個複雜問題。無人車上路前,了解現行法律與技術界限至關重要。如果你強行介入自駕車運行,解除自駕功能後的事故責任由你全擔。如果不干預,事故責任可能由車商承擔。然而,最終誰來負責,仍取決於多方因素,包括車輛技術和法律規定。

這是個很現實的電車難題,應該說自駕車難題。如果你駕駛的自駕車正在失控向人群駛去,你是否有勇氣按下緊急剎車,承擔一切責任?

這類問題正是現在無人駕駛技術面臨的道德和法律挑戰。

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電車難題再現:自駕車技術的進展與挑戰

自駕車並不是未來的幻想,而是已經在我們的日常生活中逐漸實現的技術。特斯拉和其他汽車製造商已經展示了他們的自動駕駛系統,這些系統能夠完成從停車到高速公路駕駛的各種操作。目前的自駕技術主要依賴於先進駕駛輔助系統(ADAS),這些系統結合了多種技術以提升駕駛的安全性和效率。

ADAS 並不是一個新概念,它可以追溯到 1950 年代的汽車巡航控制系統,隨後在 1970 年代加入了防鎖死煞車系統和車身動態穩定系統。現代的 ADAS 功能更加多樣化,包括防撞系統、車道偏離警示、盲點監控、自適應巡航和駕駛監控等,這些功能大大降低了人為失誤導致的事故風險。

自駕車三隻眼睛:相機、光達和雷達的全面解析

自駕車依賴於三種主要感知技術:相機、光達和雷達。相機負責辨識交通號誌和行人,光達則通過發射紅外雷射光脈衝繪製 3D 地圖,雷達在惡劣天氣中表現尤為出色,能夠在雨天、霧天和沙塵暴中提供穩定的數據。

自駕車的決策過程可以分為感知、決策和控制三個步驟。感知階段依賴於相機、光達和雷達提供的數據,決策階段則依靠 AI 算法來判斷最佳行動方案,最後由控制系統執行決策。這些技術的進步使得自駕車在面對複雜的交通情況時,能夠做出更準確的反應。

全球無人計程車競賽:各國如何迎接自動駕駛未來

特斯拉並不是唯一的自駕車領導者,Google 的 Waymo 和通用汽車的 Cruise 已經在無人計程車領域取得了重大進展。中國的自動駕駛公司小馬智行和百度的蘿蔔快跑也已成功讓無人計程車在主要城市上路營運。根據預測,到 2025 年,全球將有約 800 萬輛 3 級或 4 級的自駕車在道路上行駛。

特斯拉的 Cybercab 無人計程車即將上路,標誌著自駕車技術進入新的階段。隨著技術的不斷進步和法律框架的完善,自駕車將在未來的交通系統中扮演越來越重要的角色。然而,自駕車事故責任的問題仍需進一步探討和解決,以確保這一新技術能夠安全、可靠地服務於社會。

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