奔騰思潮》處理核廢料之完整藍圖(李敏)


奔騰思潮》處理核廢料之完整藍圖(李敏)

112年前11月公建執行5421億 較過去增1千億

圖爲遠眺核電廠內的相關設施。(本報資料照片)

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核能發電燃料體積小,易於運輸與儲存,核電機組一次更換燃料可以使用18至24個月;核能發電成本中,購買燃料成本佔比低,故發電成本不因國際能源價格飆漲而大幅度波動。更重要的是,核能發電單位發電量的碳排,幾乎是各種發電方式中最低的,根據聯合國政府間氣侯變遷專門委員會(IPCC)的資料,每度核電生命週期排放的溫室效應氣體量爲每度24克,與陸地及海域風電相當,而大型光電的排放強度爲每度48克。

近年來,溫室效應氣體在大氣中的累積,造成氣侯的變遷,對人類的活動,甚至生存,帶來重大的影響。過去數年全球各地出現熱浪、酷寒、洪水、乾旱、與颶風等極端氣象幾乎已成常態,民衆意識到地球氣候變遷纔是人類應該正視的關鍵議題。國際能源署認定人類要在2050年達到碳中和,核能是不可或缺的能源,歐盟已於2022年將核能視爲淨零碳排必要手段,也認同核能可以視爲綠能。俄烏戰爭與中東再一次的兵兇戰危,讓世界各國認知能源供應的不虞匱乏與價格穩定,對國家安全的重要性。根據國際核能組織的資料,世界上有50個國家準備擴張核能佔比,開始興建核能電廠或規劃核能的使用。核能復甦已是國際趨勢。

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核電廠安全與核廢料處置的疑慮

不可諱言的,核能發電的使用確實是一個具爭議,且有多層面向的議題。能源的使用是一項選擇,即然是選擇,必然要考慮國家特殊的天然條件與地緣關係,當然不可避免的會摻雜個人主觀的認知與價值觀,也與國民對能源議題的瞭解程度有關。

長久以來,反對使用核電最重要的原因,爲對輻射的恐懼,擔心核電廠發生爐心熔燬事故,導致放射性物質的外釋,對民衆造成健康的影響,以及憂慮無法處置含有長半衰期放射性核種的高階「核廢料」。

趙嘉崇博士,美國麻省理工學院核工博士,曾任職美國的電力研究院(Electric Power Research Institute, EPRI),專責於核子動力反應器安全分析與評估相關研究的督導與規劃,對於影響核能業界的三件事故,美國三浬島、前蘇聯車諾比爾、與日本福島事故,有透澈的瞭解。趙博士也曾在多所世界著名大學客座,擔任享譽國際的核能期刊的編輯,趙博士在覈能領域的學術界與產業界都頗負勝盛名。他於2022年出版A Complete Perspective of Nuclear Energy,中譯爲「全面透視核能」該書中,對核能發電的基本原理,核電廠技術、核能安全、核武擴散與核廢料等議題都有着墨,深入淺出,是瞭解核能絕佳的工具。該書的重點可以說是闡述核電的安全性。

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他有感於民衆與決策者對於核廢料的妥善處置多有疑慮,趙博士不眠不休的完成了第二部鉅著,「處理核廢料之完整藍圖」,對核廢料議題做了更深入的剖析,也從各個不同的層面探討核廢料,也適切的提出他的見解,並對能源政策決策者與執行者提出具體的建議。

低階核廢料、用過核燃料、與高階核廢料

在討論核廢料議題前,首先要知道,依照廢料中放射核種的數量,以及放射性核種的半衰期長短。核廢料粗分爲兩大類,一類爲放射性核種含量低,且核種半衰期較短,通稱爲低階核廢料。全世界已有超過100座的低階核廢料終期處置設施,低階核廢料可以妥善處置已毋庸置疑,需要克服的只是民衆的鄰避效應。

另一類爲核種半衰期長,且廢料中放射性核種含量較高的高階的核廢料。核燃料使用後,自爐心退出的燃料,稱爲使用過核燃料,含有多種與大量放射性核種,包括分裂產物,以及半衰期非常長的超鈾元素。事實上,使用過核燃料中,尚有大量的能源,若經過再處理的程序,可以回收鈾與鈽,再次置入放應器,產生能量。用過核燃料再處理後剩下來不可用的物質,纔是真正的高階核廢料。處置的方式是將高階核廢料以玻璃材料固化,加以適當的多層包覆,再進行深層地質處置,也就是埋存在約500公尺深,地質條件適當的地窖中,再將地窖填滿遇水會膨脹的膨潤土。玻璃固化材料、多層包覆材料、膨潤土、以及500公尺厚的地殼,將放射性核種與生物圈隔離,避免對生物圈產生影響。目前美國已有一座高階核廢料處置場,位於墨西哥州,永久儲存生產核武產生的高階核廢料。

天然現象證明高階核廢料的地質處置可行

贊成核能的人認爲,埋存用過核燃料,即使包裝經過千年後,有可能損壞,但釋出的核種,在地質屏障中的遷移能力很低,經過上百萬年才移動數公分。這項認知,來自於天然存在的核反應爐,20億年前,當鈾-235的含量較高時,非洲加彭共和國有個天然的核反應器,處於臨界狀態長達數百萬年,產生了各種會存在於用過核燃料的放射性核種,檢視該鈾礦周邊的放射性核種分佈,發現核種遷移的距離非常短,500公尺深的地窖,絕對可以防止放射性核種危害到生物圈。

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反核團體認爲任何的隔離措施要保證萬年,或者10萬年有效是不可能的事。滄海桑田,他們可以想像出各種的情境,擔心核廢料會對後代子孫帶來危害。但是替萬年後子孫憂心的人,是否認知到任何發電方式都會產生廢棄物,生產光電池晶片的過程會產生各類型的廢棄物、光電池本身也是廢棄物、風機的葉片、化石燃料發電排放的二氧化碳更是廢棄物。

在各種發電方式中,單位發電量產生的廢棄物,核能發電遠遠的低於其他發電方式。核能發電是對產生的廢棄物最負責任的發電方式。不論是高階或低階核廢料都留有完整的記錄與妥善包裝處置,儲存時絕對沒有任何安全顧慮。深層地質的永久處置,再以千年計的可見未來,可以有效的將放射性核種與生物圈隔離。那些爲萬年後子孫憂心的人,是否想過非核的地球,30年後還適合子孫居住嗎?

用過核燃料的直接地質處置

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用過核燃料再處理可以大幅度減少需要處置廢棄物總量,又能回收可以再次作爲燃料的鈾與鈽,但是麻煩的是鈽可以製造原子彈,如果處理後的鈽是單獨存在,核燃料再處理有核武擴散的疑慮。再加上燃料再處理程序複雜昂貴,有些國家已經決定將用過核燃料視爲廢棄物,直接進行前述的深層地質處置,也就是將用過核燃料適當的包裝後,埋存在約500公尺深,地質條件適當的地窖中。這些國家包括瑞典、芬蘭、美國等國。瑞典與芬蘭已找到場址,已開始儲存設施的興建。美國也選內華達州猶卡山場址,設施的設計已完成,但因政治因素,設施的興建已延宕超過10年。臺灣目前的政策是將用過核燃料視爲廢棄物,直接進行深層地質處置,且有尋覓場址與設施興建的完整路徑圖,但高喊「非核家園」的執政黨,並沒有認真地依路徑圖執行。

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新技術的發展

高階核廢料或者用過核燃料都需要與生物圈妥善隔離萬年,才能讓民衆安心。有沒有辦法讓那些常半衰期的放射性核種消失呢?利用中子撞擊放射性核種,中子被吸收會改變原子核的組成,改變其半衰期,這個過程稱爲嬗變,嬗變也會產生能量。我們可以將高階核廢料置於會大量產生中子的裝置中,反應器或是其他設施,以適當之能量分佈的中子照射,誘發嬗變反應。利用嬗變消滅常半衰期的核種是可行的,但牽涉到新的程序與技術的發展,需要新的燃料再處理技術與新型核反應器(嬗變裝置)的開發。事實上,大家夢寐以求的核融合反應器技術,某些核融合反應會產生中子,這些中子也可以驅動嬗變反應。換句話說,用核融合反應器「吃掉」核分裂反應器的廢料。

世界上也有不少的核能使用國家選擇「觀望」,即靜待技術進一步的發展,看是否有更好的選擇,再等待的期間,好好的照顧與監管用過核燃料,乾式儲存設施是一致的選擇。用過核燃料可透過自然對移熱,絕無爆炸與燃燒的可能性,適當得照管下,沒有任何的安全顧慮。選擇觀望的國家大都是用過核燃料數量不多的國家,一來可能因爲國家地質狀況,廠址難覓;二來是因爲量小,設施興建分攤的單位處置成本過高,所以期盼將用過核燃料置於國際共同興建的地質處置設施。

臺灣核廢料的問題的因應

趙博士的書對於前述的選項都有明確的闡述,由基本物理現象出發,考量工程技術、物料、經濟、政治各層面。工程技術面含括瞭核燃料循環、用過核燃料處理、防範核武擴散、用過核燃料站存與監管、嬗變、以及新型核反應器設計等。同時也對「核電大國」與「非核電大國」該如何面對用過核燃料議題做出具體的建議,提出充滿創意的核廢料會計學與核廢料貨幣學論述。趙博士合乎邏輯的論述與流暢的文筆,讓瞭解枯燥且複雜的科學與工程問題成爲有趣的事,開卷後,不忍釋手。本書是核能工作者與對能圓領與有興趣的人,全面瞭解核廢料最佳的書籍。

最後我想借用趙博士書說的話,讓總統候選人與他的團隊瞭解臺灣的核廢料的問題該如何因應。

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建立處理核廢料的機制,來完成一系列必須執行的工作,這些工作有:

等时机到来之前先保密

1.成立專業處理廢廢料之機構

2.國家必須立法來規範核廢料之遠程政策

3.儲備核能科技人才來應對專業性與跨世紀性之議題

4.積極發展參與國際核能資產共享聯盟

5.尋覓建設短期與長期核廢料儲置地點設施■

(作者爲國立清華大學工程與系統科學系特聘教授)

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