【探索31-1】小型模組化核能電廠安全嗎？
曾經，核能被視為解救未來能源缺乏問題的良藥，但隨著1987年車諾比的一聲爆炸，「核能」這個名詞被蒙上了厚厚的陰影。時過多年，好不容易民眾對於核能不再恐懼時，2011年的福島核災，又再次讓人聞「核」色變。對於核能的「去」與「留」，成為持續爭議的火熱話題。儘管核能對許多人來說存在著巨大的隱憂，但我們不可否認，它產生能源的效率與量能使得我們難以割捨，尤其是面對淨零目標，我們真的有辦法不使用核能便達成嗎？偌大型核電廠存在安全隱憂，那麼小型模組核電廠是否會是解決能源問題的良藥呢？本期探索基礎科學講座邀請清華大學小型原子爐的「爐」主李志浩教授，來與我們分享核能的應用與問題，以及未來可能的發展走向。
講者、審訂｜清華大學工程與系統科學系 李志浩 教授
彙整、撰稿｜李宜靜
全世界2050的淨零目標，臺灣也跟上腳步，不過核能的「去」或「留」，一直是能源轉型中爭議的焦點。臺灣地質不穩、核廢料還找不到適合的存放地點。目前世界各地已建的核電廠以大型電廠為主，一旦發生意外，各國都將難以承擔，不過核能的發電量穩定、比傳統石化燃料的碳排也降低許多，那小型核電廠呢？有機會成為未來電力系統的一環嗎？探索基礎科學系列講座「淨零台灣，何得何能」第一講邀請清華大學工程與系統工程系的李志浩教授以「小型模組化核能電廠安全嗎？」為題進行專題演講。
小型核電的最大優勢：越小越容易達到本質安全
李志浩教授在演講的開始語帶些微感嘆的說，清大「工程與系統工程」系以前就叫做「核子工程」系，當時核能正興盛，是許多人的第一志願。自從1986年堪稱20世紀最嚴重的核災「車諾比」事件發生後，招生狀況就持續下降。如今，核工系的榮景不再，系上約90%的研究著轉向IC晶片製造與檢測，剩下的核子研究，則多著墨於核子醫學物理，例如透過核分裂產生中子來治療癌症。
「原子爐」是核反應發生的主要裝置，清大目前有一座 2 MW的小型原子爐，目前持續運轉中，以中子治療頭頸癌以及生產同位素為主。
小型核電廠目前主要應用在核子航空母艦、醫學領域與各研究機構中，清大這座小型原子爐建造於1961年，至今已經運轉超過60年。李志浩透過這個2 MW核反應裝置，向大家解釋小型原子爐是怎麼一回事？和大型的核電廠又有甚麼差別？
說到核能，最常見的問題之一是，核電廠是否「安全」？李志浩說，清華大學原子爐的使用執照在40年到期後，延長使用執照是每10年核發一次，核發前會需要做全面性的評估及檢查，查驗的人員總是問他，「當爐房遇到地震裂掉、或是老舊的管線破裂導致爐水流出去時，你們要如何進行爐心冷卻？」實際上，清大這座小型核反應器平時是靠水進行冷卻，因為原子爐規模夠小，因此若停機後無法用水降溫時，依舊可以靠空氣自然冷卻的方法，慢慢降溫。雖然爐心溫度仍會升高，但不至於會融掉，而造成輻射產物溢出之安全問題。因此他認為，核能是否安全，取決於核反應器規模的大小，小型核電廠在停機後僅需靠池水自然對流，即可保持爐心不致於溫度太高而融化，目前小型核電廠的定義是小於300 MW。世界上早已有小型核反應器用於核子航空母艦以及核子潛艇，目前已用於發電的小型核電廠有中國山東的高溫氣冷堆，以及俄羅斯核子水上發電船正在運轉，國際也有約70部的小型核電廠正在設計及建造之中，其安全性經評估之後，多比目前商業化大型核能發電廠安全1000倍以上。
他更提到，他在民國64年清大念書時，清大核工系的教授自己蓋了一部僅0.1 W的小型核反應爐，提供給全國大專院校同學實習使用。這樣的超小型裝置，裝置在拖車上曾經一路從新竹開到臺南成功大學。李志浩強調，只要規模小，就可以達到「本質安全」。他也坦言，大型核電廠要達到本質安全是不可能的。
大型的原子爐則是一定得靠強制冷卻水來冷卻反應爐，一但遇到全面停電而導致強制冷卻水無法供應的情況，就會發生像是福島核災這樣無法控制的情況，因為反應爐溫度降不下來，最後導致爐心融解，帶有輻射線之分裂產物溢出。既然小型的核電廠可以達到本質安全，那為什麼目前世界上仍以大型核電廠為居多？李志浩說，主因還是為了降低成本，發電廠有了規模就能以更低的價格產生更多的電。
大型核電廠有成本優勢，因此李志浩說，小型的核能電廠需要強調「模組化」，模組化的意思是大量重複小型的機組，如果此一來，設計與製造流程就能標準化，能夠使成本下降許多，另外本質安全之特性也可以降低廠區面積，廠界可以由數公里降至數百公尺。
核能發電原理與核廢料問題
李志浩進一步分享核能的基礎核發電原理，人類主要開採鈾-235及鈾-238用於核能發電，大自然中鈾-235的濃度約為0.7%，主要用於與中子撞擊產生連鎖反應，每個撞擊約釋放出200 MeV的熱量。核能發電與其他發電不同之處，在於核分裂後產生分裂產物仍不斷地發出衰變熱，即使關爐後仍需一段長時間之冷卻。
反應爐關機之後的衰變熱來自分裂產物及超鈾元素(鈽-239)，核廢料的問題也就此產生。這些產物的半衰期非常久，若以天然鈾礦的活度為安全標準值的話，約1萬年後，整批的衰變中的核廢料輻射活度，才會比天然鈾礦的活度還低。其中，超鈾元素的半衰期較久(主要為鈽-239)，因此如果把超鈾元素與其他產物分離，則是可以減少到1千年，分離後的超鈾元素可以放回反應爐中循環使用。不過，李志浩提到，臺灣國內目前無法進行鈽鈾分離，主要是因為所含的鈽-239可以用在核武中，涉及核武擴散的政治問題，國際上僅有少數國家能執行此技術。目前國際之趨勢為核廢料可以埋藏於地下數百公尺處，長期遠離人類生活區數十萬年。數萬年間，科技之發達或許可以解決人類對於輻射線之恐懼，千年後生物科技之發展，癌症或許可以很容易被治癒，人類對於輻射線致癌之現象，或許不再是個重大問題，核廢料也容易處理。
人類的能源需求將不段提升，我們需要核能嗎？帶有輻射的核廢料處理費用仍高
目前全球有411座核能，58部興建中，209部永久除役。李志浩透過清大校長天物理學家徐遐生院士的能源消耗推估資料來說明人類未來的用電需求。這份研究預估2050年時全球將達到90億人口，並假設每個人的生活水準和台灣一樣，這時全球將需要50兆瓦的能源。研究指出，若是根據2010年的發電量計算，還需要26兆瓦的電。這樣的發電需求若全部換算成太陽能需要0.3%全世界的土地，土地需求相當龐大，而根據徐遐生的熱力學推估，全球風力最多能提供2兆瓦、水力發電總共3兆瓦，洋流最多則是6兆瓦，仍然不足以補足這26兆瓦的發電量需求。因此他徐遐生院士認為唯有加入核融合與核分裂，才能夠滿足全人類所需之發電量，也達到淨零的目標。
對於未來核能會不會繼續發展的問題？李志浩補充說，首屆核能峰會今年於比利時布魯塞爾舉辦，35個國家支持將來會發展核能，不過有德國和奧地利一向都是持反對態度，目前核能發展最大的問題仍然是帶有輻射問題的核廢料無法處理。
李志浩指出核能的優點主要包含，不排放溫室氣體、穩定基載、佔地面積小，不過核能的缺點也不少，像是安全考量多、建廠時間長、關機後仍有餘熱、有核廢料、核子保安疑慮等。小型模組化的原子爐解主要解決的是「餘熱的問題」，但核廢料的問題也確實仍然存在。
臺灣的小型模組核電廠有商轉的機會嗎？
面對電力需求上升，雖然台灣目前政策走向是逐漸淘汰核電，但未來是否有可能重新發展核能，目前尚未有定論。小型核電廠有本質安全、廠區所需面積小、模組化後價格低等優點，不過，李志浩認為，臺灣目前關於核電廠的規範都是針對大型核電廠所制定，但小型核電廠的廠區設計與安全標準都應該有自己的規範，有了規範後，才有機會讓小型核電廠能夠實際商轉化。
雖然核能的爭議在國內仍然沒有共識，然而小型核電廠的發展，也替未來的能源發展提出一個可能性。
✨延伸閱讀：
- 《【人物專訪】跨領域核子研究翹楚——專訪李志浩教授》
- 工商時報，《妖魔化的清大原子爐，竟然成為癌末患者救命神器？》
- 公視新聞網，《首屆核能峰會 35國聲明將建新核電廠助淨零》
