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核廢料怎麼保存,才能安全「核」你一起走

彭 琬馨
・2016/03/16 ・2206字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

文/彭琬馨

時代力量新科立委黃國昌,二月十九日首度站上立法院質詢台,開口第一件事就針對行政院的 218 頁施政報告提出質疑,直指原先預計在 2016 年遷出蘭嶼的低階核廢料失信於民,「(施政報告)對於核廢料的處理一個字都沒有寫。」二月一日走馬上任的行政院長張善政,也答不出個所以然,只能強調「該做的事情都已經在做。」

在台灣光是蘭嶼、核一到三廠的低階核廢料,統計至二月底為止,已經累積 205,687 桶,高階核廢料也有 17,522 束。就算不看核電廠往後運轉會生產的垃圾,如此大量的核廢料,小小台灣要消化也不是那麼容易。無論是非核或廢核,民進黨政府上任後,勢必得面對已經產生的核廢料處理問題,但撇開複雜的政治立場不談,你了解核廢料嗎?向來被人詬病的核廢料,到底怎麼保存?

蘭嶼貯存場外觀。圖/flickr@billy1125
蘭嶼貯存場外觀。圖/flickr@billy1125

低/高階核廢料 半衰期大不同

依據輻射量高低對人體造成的影響程度,核廢料分為低階/高階兩個部分。低階核廢料主要指核電廠運轉過程中,受輻射汙染的物品如工作服、廢棄液體,以及醫療、研究機構生產的少量放射性廢棄物等(原能會針對低階核廢料的說明資料指出,除了核電廠以外的低階核廢料大約占 5 ~ 10 %),高階則是用過的核子燃料棒。

由於核廢料輻射強度會隨著時間增加而遞減,核種不同也會影響輻射發散的時間。

以低階核廢料中的大宗鈷 60 為例,半衰期約為 5.3 年,也就是每 5.3 年核種活度會降為原來的一半,低階核廢料大約需要近百年的時間,輻射強度才會接近自然背景值;高階核廢料更久,鈽 239 一個半衰期就要兩萬四千年,完全超出人類可以想像的時間範圍,因此高階核廢料最終處置在設計時就強調,存放地點至少要能夠讓高放射性的核廢料隔絕人類生活圈二十萬年,低階核廢料則是三百年。

核廢料保存原則:多重障蔽

為防止輻射外洩,核廢料在儲存與最終處置時採取「多重障蔽(Over design)」的概念,也就是透過層層包裹,將廢棄物隔絕於人類生活圈之外。「廢棄物外洩唯一的媒介是水,因為水會流動、其他不會」,曾擔任台電核能後端營運處處長的研究員李清山強調,只要能擋住水,讓裡面的水不要跑出來、外面的水不會跑進去,放射物要跑到我們的生活環境「幾乎不可能」。

以低階核廢料(簡稱低放)來說,包含固體、液體和氣體的廢棄物,經過焚化壓縮(減容)、離心處理後,核廢料會混入凝結水及水泥。李清山說固化核廢料(第一層防護)目的是「讓它更加安定化」;接著裝入廢棄桶(第二層防護),最後放到暫時儲存場的混凝土壕溝中(第三道防護),待找到最終處置地點,再移入淺地層或坑道中。

而高階核廢料因為會產生熱能,處置需要經過三個階段。先在用過燃料池中存放三到五年,讓燃料棒冷卻;接著移到設於地表的乾式儲存場隔絕,一般建議至少要四十年;最後找到「深地質處置」地點,藉由多重障蔽,將高階核廢料存放於地表下 300 至 1000 公尺(101 大約是508公尺),存放二十萬年左右,由於存放時間非常長,篩選場址的地質條件相對也相當嚴格。

鋼桶加鋅 強化核廢料保存

此外,保存技術的進展也能提升核廢料儲存效率。由於核廢料包含液體和氣體,早期使用鋼桶儲存,很容易發生腐蝕情況,原能會物管局自 1995 年七月起,就要求各廠改用抗蝕性較佳的「熱浸鍍鋅鋼桶」,改良後的熱浸鍍鋅鋼桶,是在原先的鋼桶上塗上一層鋅,由於鋅的抗蝕性很好,能抵抗環境中的溫度、鹽分、濕度,也較能抵禦核廢料帶來的腐蝕性。

台電核能後端營運處副處長黃添煌強調,蘭嶼儲存場的狀況比較特殊,一般來說,「在溫度、濕度控制的空調環境下(如核一到三廠的儲存倉庫),儲存桶基本上不會生鏽」。

不過,嚴謹的設計碰上多變的環境因素,加上人的執行力能不能落實,都會影響儲存場的品質管理。像是原先應該每十年評估一次是否需要檢整的蘭嶼儲存場,從民國 71 年(第一桶核廢料送進蘭嶼)開始到第一次大規模檢整時(民國 96 年),已經過了整整 25 年,許多廢料桶早已鏽蝕破損,過程中甚至發生疑似鈷 60 外洩的情況(對此台電強調,檢測到的鈷 60 是早期排放殘留,並非因為檢整外洩)。關注核能與能源議題的泛科學專欄作者廖英凱認為,持續性地監測技術、處理程序與定期檢整工程,「原理與技術都很簡單,但關鍵在必須正視與解決過去沒有做到的原因」。

核電廠的外部效應也應該留意

技術人員思考的是設備本身的安全性,不過更多人關心核電廠對環境帶來的外部效應。曾在核研所服務過的學者賀立維就認為,台電減容中心在焚燒低階核廢料時,沒有控管、檢測排出的廢氣,對此台電則回應,所有廢棄排放都有經過檢測、符合相關法規。不過核電廠在焚燒核廢料時可能帶來的潛在輻射公共安全問題,的確引起相關學者關注。在美國研究核廢料的專家卓鴻年,就曾投書媒體建議,台電應該針對低階核廢料不同處理方式,可能帶來的外部效應進行評估,才能確保核廢料場的長期安全。

民國 67 年,第一座核電廠在新北金山開始運轉時,正值台灣經濟起飛時期,政府將核一廠列為十大建設之一,希望核電廠運轉後能為發展中的台灣補足用電缺口,核電相關研究也開始蓬勃發展。如今三四十年過去,環保意識抬頭,人們對環境使用的想法不再相同。四十年前為解決用電需求「先蓋再說」的核電廠,沒考慮除役、核廢料等問題,四十年後還是要面對。在核電議題上,你看的是現在、還是很久以後的未來?無論是支持或反對,同樣生活在這塊土地上的我們,都得共同承擔。

 

低階核廢料何去何從圖表02jpg


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文章難易度
彭 琬馨
32 篇文章 ・ 1 位粉絲
一路都念一類組,沒什麼理科頭腦,但喜歡問為什麼,喜歡默默觀察人,對生活中的事物窮追不捨。相信只要努力就會變好,相信科學是為了人而存在。 在這個記者被大多數人看不起的年代,努力做個對得起自己的記者。


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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

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