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圖解你我應了解的核能與核電
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  • 圖解你我應了解的核能與核電

  • 作者:賀立維
  • 出版社:商周出版
  • 出版日期:2013-08-16
  • 定價:260元
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內容簡介

核電 ≠ 核能 第一本核能工程專家對核能原理、應用與核電問題的分析專書。 簡單易懂的文字與圖表,讓你快速了解核能、核電、核武的原理、世界各國發展核電的歷史與現況,並清晰解說核輻射對人類環境造成的問題、為什麼需要廢除核電廠、核廢料又該如何處理。解讀核電真相、認識核能應用的最完整專書。 核四電廠的問題近年在台灣吵得沸沸揚揚,究竟擁核者說得對,還是反核者有理? 如果核電廠有害,那為什麼世界上還有那麼多國家在使用?是否只要正常使用,核電廠就沒有安全疑慮?但從美國三哩島核災、車諾比核災、福島核災事件來看,理論上安全確實等於實質上安全嗎? 本書作者賀立維教授是核子工程博士,並曾任職於台灣原子能核能研究所,他以專業角度說明核電廠的問題,分析台灣核電廠的環境及隱憂,並說明世界各國核電廠現況;同時解答普羅大眾的疑惑,例如,停建核四,五年後台灣就會缺電嗎?沒有了核電廠,電價就會節節上漲嗎?台灣核一、核二、核三的核廢料目前處理實況與未來該如何處理?台灣一旦發生核災,我們該怎麼辦?所有專業客觀的分析與解答都在書中一一細述。 【精采內容】 ◎什麼是核能? 核能就是將可分裂的原子核打破時,由當中所發出的能量,又稱為核分裂能。在核分裂的過程中,會產生一百多種自然界不存在的元素,例如,碘131、鈽239等,都被稱作人造元素。碘131會使人類得到甲狀腺癌的機率提高很多。鈽239除了可以製造核武之外,也是一種毒性很強的物質,人們若是誤觸會立即死亡。 ◎核電的原理 核電廠的工作原理,是利用鈾原料所製成的核燃料,放在反應爐內進行核分裂,核分裂時會產生大量的能量,這些能量可以使冷卻水產生高溫高壓的水蒸汽,水蒸氣就可以推動渦輪機來發出電力。 ◎核子反應爐會像原子彈一樣爆炸嗎? 原子爐與原子彈爆炸的原因是不一樣的,但對人類與自然環境的危害卻不相上下。 原子彈的爆炸是由於中子撞擊鈾235或鈽239的原子核,以不受控制的連鎖反應來發出巨大的能量,瞬間的震波會破壞城市和殺傷生命,而強烈的輻射塵會繼續的傷害人類與破壞環境達數十年之久。 核子反應爐爆炸的原因,多半是由於冷卻系統出了問題,使得核燃料棒溫度急遽升高,大量失控的高溫高壓水蒸氣會與燃料棒的鋯合金護套作用產生氫氣;當濃度達到某種程度時,就會發生氫爆,將核電廠炸毀。此時燃料棒會熔毀,輻射物質會大量外洩造成大災難,它對人類與環境的傷害,也會達數十年甚至數百年之久。

內文試閱


核能的產生

  核能就是當原子核被中子打破而分裂時,由原子核當中所發出的能量,又稱為核分裂能。

  目前在自然界中被人類發現,能夠被分裂而產生能量的元素只有鈾235,它的原子序是92。鈾235與鈾238都是鈾的同位素,但它們的性質卻大不相同。鈾235可以被分裂用來做原子彈,或用來發電;鈾238就不行。

  另一種可以被分裂的同位素,是經由鈾238吸收一個中子而產生的鈽239,它也被稱為人造元素,或超鈾元素。鈽239在大自然中是不存在的。

  在一個核子設施中,當一個中子去撞擊一個鈾235或鈽239的原子核的時候,這個原子核會以某種機率被撞擊到而發生核裂變,就會釋放出一些新的中子以及很大的能量,這些能量就被稱為「原子能」,也就是我們一般俗稱的「核能」。所釋放出新的中子又會去撞擊其他鈾235或鈽239的原子核,又引起連續的裂變,這樣持續下去就叫做連鎖反應。

  連鎖反應的結果會釋放出巨大的能量,被撞擊而破裂的原子核會變成質量較小的碎片,這些碎片會帶有強烈的放射性,就是帶有輻射能的同位素。這些同位素就是人見人怕的核廢料。

  當原子彈爆炸或核電廠出事時,被釋放到大氣、海洋與土壤的放射性污染物,就是由這些分裂碎片所造成的。核災中或核電廠除役後,至今人們還無法處理的核廢料都是這些物質。

原子爐與原子彈的不同

  原子核被擊碎後所產生的能量,可以用愛因斯坦的質能轉換公式來計算,這個公式就是大家所熟悉的E = MC2(能量 = 質量 × 光速2 )。

  當發生核反應時,它所產生的能量E等於所被轉換的質量M,乘上光速C的平方。光速有多快呢?它一秒鐘可以跑三十萬公里,也就是在一秒鐘裡可以繞地球七圈半。其中轉換成能量而消失的質量M,大約是鈾235質量中的幾個百分點而已。

  世界各地的核能發電廠就是使用這些能量來發電。核子潛水艇、核子航空母艦等等也都是依據同樣的理論。以同樣的質量來說,由原子核所發出的能量,會比化學反應或物質燃燒中所釋放的熱能,大了幾千幾萬倍。

  可以發生核分裂的鈾235通常與不能發生核分裂的鈾238共同存在天然的鈾礦中,而它的比例相當低,只佔了百0.7%。若用一些高科技的濃縮方法,可以將它的濃度提升到2.5% ~ 4%左右,這就是用來做一般發電用核電廠的低濃縮鈾。若將它濃縮到90%以上,讓它瞬間爆炸開來,就是原子彈了。

  將鈾235用濃縮的方法來提煉的話,技術與費用非常昂貴,不是一般國家所能負擔,而且有這種能力的大國,也不會輕易的將技術或設備賣給其他國家。這些有濃縮鈾的國家包含了英、美、法、德以及前蘇聯等核子大國。例如,伊朗總統阿瑪迪尼賈曾於2009年底宣布,將興建十座新濃縮鈾廠,並將研究加工處理濃縮鈾的計畫。對於這種明顯的挑釁舉動,西方核武大國就揚言將對伊朗施以各種的制裁行動。

  另一種相對簡易的濃縮方法,就是以時間來換取空間。利用一種實驗用而不發電的重水式原子爐,經過長年累月的運轉,讓中子二十四小時不停的去撞擊含量較高的鈾238原子核。因為鈾238不會像鈾235一樣被分裂,但鈾238會吸收撞擊它的中子,而變成鈽239的同位素。鈽239跟鈾235一樣,是一種會被中子擊破而發生連鎖反應的核燃料,所以鈽239就可以成為原子彈或是原子爐的一種核燃料。

原子爐會像原子彈一樣爆炸嗎?

  經常會有人會擔心,核電廠會不會像原子彈一樣的爆炸?這點要跟讀者說明清楚,二者的爆炸原因是不一樣的,但它對人類的危害卻不相上下。原子彈的爆炸是由鈾235或鈽239的核原料,因連鎖反應關係而爆炸,它的威力就如前面所說的質能互變公式,只要數公斤的核燃料,就可以毀滅一座城市。

  以廣島核爆為例,彈體內裝有六十公斤的高濃縮鈾235,爆炸時約只有一公斤的質量發生連鎖反應,也就是只產生了一公斤左右的輻射線物質散發到大自然環境。而從這一公斤的核反應過程中,只有十多公克鈾235的質量,依據質能互變的理論轉變成能量,卻炸毀了整座城市。

  原子爐爆炸的主要原因是冷卻系統出了問題,稱為LOCA*,無論是什麼原因使得冷卻水系統受損,過熱的核燃料得不到冷卻,使得燃料棒的溫度急升,而原有的水就會產生大量的高溫水蒸氣。

  這些高溫的水蒸氣與燃料棒外面的鋯合金護套發生化學作用,就會產生氫氣。當氫氣的濃度與壓力達到某種程度時,就會產生氫爆,爆炸會使得原子爐內的高放射元素外洩,灌救水也會留出爐外,污染了周遭環境、空氣、水源、海洋。據研究,人類吸進的輻射可能會留在成人體內五十年;蘇聯車諾比事故導致周遭一千多公里外的烏克蘭、義大利的農產品都必須銷毀且被禁止輸出;這些就是核災可怕的地方。

核電廠的保護模式

  核電廠是極為複雜的發電系統,既使在安全上做最高的要求,最嚴謹的測試,還是難保永不出錯。1979年三哩島的核災事故就暴露了一個很重要的信息,就是核能世界中有一個可怕的錯誤鏈,一個錯誤會帶來另一個錯誤,一個接着一個,引發一系列的錯誤,導致無法挽救的災難。而若當時操作人員訓練不足,或建廠時有任何施工的問題,一旦出事而無法即時控制時,原子爐的爐心裡的鈾燃料棒就會熔毀,而引發可怕的核災。

  冷卻系統主要的目的是要帶走爐心的熱量,所以若發生問題,核燃料就可能熔毀,原子爐的爐底也會被熔穿。熔化的高溫核燃料會進入地下,汙染土地與地下水,這就是爐心熔毀。

  比如,福島核災就是海嘯沖垮了核島區外的冷卻系統,使得四座機組全部損壞,造成嚴重的輻射外洩,使鄰近的土地與住宅都受到輻射汙染,這種損失幾乎是無法估計的。 美國的三哩島、前蘇聯的車諾比與日本福島事件都發生了爐心熔毀。車諾比核原子爐的設計,因使用了正值的空泡係數(void coefficient),也就是冷卻系統故障時,會導致核原子爐功率迅速上升。其他國家所有的原子爐都使用了負的空泡係數,這是一種重要安全的設計。

  核電廠還有一個很複雜的問題,它的生命周期非常長。從建廠開始,到運轉發電,到廢廠除役,最後處理放射性核廢料,前後需要100年以上的時間。而核廢料放進了貯存場,至少需要保證這些核廢料在10萬年的時間裡,不會因任何原因出事,如地殼變動、戰爭、後人好奇挖掘或考古研究等,美國最近又宣佈要延長到100萬年。

  為了確保核電廠的安全,核電界將核電廠劃分為五層保護模式。

  第一層是類似陶瓷結構與性質所構成的二氧化鈾核燃料丸。

  核電廠一開始運轉,它就產生熱量、輻射線、核廢料。這些燃料丸在原子爐內的時間,平均約在四年左右。但在退出爐外後卻要照顧它們至少十萬年,目前還沒有研究出完善的辦法。

  第二層是以鋯合金將燃料丸包封,所形成的燃料棒。這種鋯合金在運轉時,對中子的吸收率很小,但若遇到攝氏一千多度的高溫蒸氣會產生氫氣。氫氣濃度高就會發生氫爆,福島核災就是這個原因造成的。

  第三層是由鋼製成,厚達十餘厘米的核原子爐的壓力槽,其中有許多穿孔,用來導通壓力槽內外的訊號、水流、蒸氣。這些穿孔的品質若有一點點問題,就會造成核電廠有爆炸的風險。

  第四層是由鋼筋混泥土建造,可耐高壓,並且氣密封閉的原子爐圍阻體,或稱作一次圍阻體。與壓力槽一樣,其中也有許多穿牆孔,用來導通圍阻體內外的訊號、水流、蒸氣等等。這些穿牆孔的品質若有一點點問題,也會使核電廠產生風險。

  第五層也就是最外層,是核原子爐的建築體,也被稱為二次圍阻體。這個保護體的主要目的是,要將廠內的輻射物質全部包封起來,不致外洩而危害到廠外大自然環境。車諾比核電廠就是因為沒有圍阻體,所以發生意外時,才造成無法挽救的災難。

  日本福島的核電廠便是因為這五個保護層皆遭到破壞,高輻射物質外散,而導致嚴重的核災。

  從過往的經驗中,在核電廠的建構與運轉中,只要產生一點點的人為錯誤、或設計盲點、或偷工減料、或機械故障,都有可能造成大災難;更不用說以上的問題同時出現時,會產生多嚴重的後果。而這也是台灣核四廠引起的爭議與令人恐懼的問題。因為如果核能原子爐發生意外,大量的放射性物質就會擴散,除了居民會直接受到輻射的傷害,造成死亡或引發癌症之外,當地的土壤和植物也都會受到污染,而這輻射污染是過了百年也不會消失的,因而牽連到是後代子子孫孫的生存問題。

停建核四,就會缺電嗎?

  台灣目前運轉中的大潭天然氣發電廠的發電量只有35%,若全功率發電,可抵一座半核四的發電量,以目前2.8GW的閒置容量就比核四的2.7GW還大,所以只要善於利用既有的電廠,比如,大潭發電廠,就是取代核四的具體作法。

  台電說天然氣是5.7元一度電,原因是國際天然氣價格高漲。事實上美國頁岩氣的大量開採,美國能源部也已經批准頁岩氣輸出,在數年之內會變成能源輸出國,國際天然氣價格會急遽下跌。

  天然氣價格的節節下跌是世界的趨勢,在原產地目前已下跌到谷底,北美已跌到了原來的四分之一以下,而且可以供應200至300年。所以預估未來天然氣發電成本,應可維持在與燃煤差不多甚至更低的程度,而且也沒有燃媒的汙染問題,更沒有核廢料的困擾與核災的壓力。

  為了能說服政府與人民,讓核四繼續蓋下去,台電堅持核電是最便宜的電。因核四的續建,對核電界的商機是很大。對未來運轉時,採購、維護、服務的經費比起其他的發電方式也非常驚人。以核二廠幾根螺栓要價一億元,可以看出一些端倪。除了台電自己宣稱這件事外,也發動被台電補助的諸多單位,也都與台電站在一條陣線上,宣稱核電是最便宜的電。諸如國內的一些經濟研究機構,比起其他領域研究案的金額是非常高的。這種源遠流長的補助項目,也是讓台灣的產官學以最大的力量來支持核電的電費最低的一個理由[3]。

  由於國家在能源上的資源多被核電所佔用,相對的使再生能源的資源受到擠壓。盡管民間團體對此有所質疑,但影響力還是有限。還有一個不太合理的事,是監督它的原能會接受台電的補助,承包台電的工程,雖原能會強調承包單位是它的下屬單位核研所,監察院針對這件事也曾提出糾正[4],但目前改善情形不多。

  監察院於2013年年初,就台電向民營電廠購電過程「異乎常情,悖乎常理」,通過彈劾當時的董事長、當時與前任的總經理[5]。台電購電不正常支出,以及圖利台電轉投資的民營電廠,使台電受到損失,這些案件應是導致電價虧損與電價不合理的原因之一。

  因為核四的巨大投資與一些其他原因,台電由賺錢的國營事業變成虧損的單位,台電在2013年二月負債一兆六千億,達資產一兆八千億的九成以上,將面臨破產的危機[6]。它將處理核廢料後端二千多億的基金,借用了九成以上,以目前的負債,將來是否還得出來?也就是說未來的核廢料將面臨無錢可處理的困境,這些事政府與人民均應很嚴肅的去面對它。

核四廠的核安問題

  核災的預防至今為止是無解的。自日本福島核災後,全世界的核電廠都以鉅額的經費來加強核電的安全。自30多年前,美國發生三哩島事件後,北美至今幾乎沒有增建一座新的核電廠加入運轉。因為沒有核電廠就是預防核災最好的方法。全世界一些老舊的核電廠也一座座的關閉,因為預防核災的代價太大,不敷成本,也使得核電廠所發出的電愈來愈貴。

  台灣的核電廠是公營的,核災的預防成了追加預算的正當理由,幾乎是無止境的追加,由10%、20% 直逼100% 的往追加。無論預算如何增加,政府還是宣稱核電是最便宜的電;而且是其他核電國家的四分之一以下,是全世界最便宜的電。但層出不窮的核四弊案,比如混凝土採購、反應爐爐座銲接、電纜線托架不防輻射材料等等多達數十件,這些弊案對核安到底有什麼樣的影響,使人非常擔心。期間又因為承包廠商施工有困難就改變設計,共變更了一千多項的設計,這對核安又增加許多變數。

  以一般的經驗,一項建築工程從變更到建管單位至現場勘察與核准,需花費二至三個月。原能會要如何去審查這一千多項變更設計案?若每項以平均一個月的時間來結案,則至少需要一千五百個月(一百年)才能審得完。目前快速的審查,誰能保證這對核安沒有影響。

  原能會在有限的人力中,又分出一部分的人去承包台電數十億的工程。雖說承包者是其所屬的核研所;但核研所的法定職責是,支持原能會對台電審查案的技術研究分析。而將人力用於過去沒有承包和工程經驗的案子,只能說是將台電工程當白老鼠。核研所得標後又層層轉包,甚至又回包給台電。工程最後由台電驗收,原能會發運轉執照,這種作法令人對核安的保證有很大的質疑。

核四廠的生水池問題

  台電比日本多蓋了一座生水池,但問題不在於水源,而是水灌不進高壓的爐心裡面。就像壓力鍋裡面的水快燒乾了,必須將火關掉,先將壓力釋放之後,才能將蓋子打開並倒入冷水。但是一座原子爐的熱源不在外部,而是在爐心裡面,是無法馬上將火關掉的。

  當原子爐發生狀況時,控制系統會立即將控制棒插入而停機,但燃料棒還是處在高溫的狀態,若沒有冷卻水持續的冷卻,它就會熔毀。燃料棒超溫時,外面的鋯合金護套會與水蒸氣發生化學作用,產生大量的氫氣,氫氣的濃度到了某個程度,就會發生氫爆。這就是福島核災的主要原因。 福島三號機發生氫爆後,因與四號機共用一個排氫氣管,因此又引起四號機的用過核燃料池發生氫爆,而我們的核電廠也都採用同樣的設計,安全也值得關注。

地震學家都司嘉宣的忠告

  東京大學地球物理學家都司嘉宣(Yoshibu Tsuji)博士,操著一口京片子,娓娓談論日本的核電與地質的關係,他給了我們一個很有啟發性的演講,題目是「歷代東海、南海地震海嘯研究-日本地理上的危險核電」。

  他的專長是有關於地震災害、海嘯災害以及歷史上的災害。他解讀古文記載,分析歷史上的災害實情。在1990 ~ 2007期間,他擔任日本歷史地震研究會的會長;長年任職於東京大學地震研究所的地震火山災害部,於2013年退休,現任日本文科省「地震、海嘯評價部」的評委。

  當2004年南海大地震與大海嘯之後,他擔任「地震、海嘯國際調查團」的團長,深入當地災區做學術調查。所以他的研究成果與提供海嘯防災的資訊,對世界的貢獻很大。在日本發生311核災之前與核災之後,他經常在日本教育電視台及其他電台解說地震、海嘯的地球物理學。

  他走訪了日本目前所有核電的現址,調查了核電廠下方地層及附近海底的地形。他不畏權勢,多次向社會發表他們的調查結果,在311核災發生的十年前,他就對伊芳、濱岡、美濱、敦賀地區,警告國民大海嘯發生的可能性。

  以下是他演講的重點,2011年東日本地震海嘯是一種「千年震災」,福島核電站的破壊過程就是一種天災加人禍。 日本應該立刻停止所有的核電站,同樣的台灣不合適建設核電站。

  東日本地震的特徴是廣泛的震源區域,南北可達550公里,東西可達200公里。

  他認為在日本應該要立刻停止以下的核電站,靜岡縣的濱岡核電站、福井縣的美濱核電站、四國愛媛縣的伊方核電站。

  他也認為台灣很不適合建設核電站,因為台灣位處歐亞大陸板塊與菲律賓板塊間,只要受到擠壓就會產生大地震。特別要注意的是,1867年時,基隆地震海嘯,記載中說明:1867年12月18日基隆全市倒壊、死者多數。淡水縣誌:「同治六年冬十一月大地震,二十三日鶏籠頭金包里沿海山傾地裂,海水暴漲、屋宇傾壊、溺數百人,是台灣歴史上最大的海嘯。」所以若要選擇建設核電廠的場所,要避開基隆附近,因這裡曾發生過歷史上最大的海嘯。

作者資料

賀立維

1981年政府公費留學美國愛荷華州立大學核子工程博士 1983年美國加州柏克萊大學博士後訪問學者 曾任職中山科學研究院核能研究所 曾兼任國立中央大學光電研究所、國立陽明大學醫學工程研究所、中央警察大學警政究所、中正理工學院系統工程研究所、國立高雄師範大學資訊教育研究所 現任宜蘭人文基金會專業技術顧問

基本資料

作者:賀立維 出版社:商周出版 書系:科學新視野系列 出版日期:2013-08-16 ISBN:9789862724330 城邦書號:BU0106 規格:平裝 / 單色 / 208頁 / 15cm×21cm
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