隨著1960年代臺灣開始的經濟發展以來，因應國內從民生轉向工業的電力需求，國家整體的電力來源已經由火力發電取代水力發電。然而，臺灣雖然有生產少量的煤與天然氣，但幾乎不產石油，所以火力發電的燃料明顯需要仰賴進口。為了要確保能源的穩定供應，同時支撐國內經濟蓬勃發展所需的電力，前經濟部長孫運璿在1977代左右拍板決定，以興建核能發電廠的方式來因應未來的電力需求[1]。

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自從1980年提出核四建廠計畫後，核能發電便逐漸成為我國穩定電力來源的選項之一。在提出核四建廠計畫前，因發生美國三浬島核電事故，民意便開始反核[2]，特別是自1999年核四興建以來，反核的聲浪便從未停過；尤其是2011年發生的福島核災，更使得廢核民意高漲[3]。

從心理學的角度來說，人類或動物對不瞭解的事物總會多少會懷抱著恐懼，這是人類的本性[4]。自此，反對和贊成的意見一直相持不下[5]。事實是，我國98%能源都需仰賴進口[6]，如果我國電力選項無法捨棄核電，那麼如何有效溝通就成為重要課題[7]。在有效溝通前，更需要對核能發電原理或是核子能有基本與正確的認識，如此一來，才能有助於基於科學事實的理性辯論與批判性思考。

認識核反應爐

首先，對核能發電原理基本認識的問題是，什麼是核能發電?核能發電廠有哪些種類呢?對於這些問題，我們不妨來參考一下，科學Online這個網站[8]是怎麼解釋的。

根據科學Online這個網站的說明，按照反應爐慢化劑（neutron moderator）和冷卻劑（coolant）的不同，核能發電廠可以分成：輕水型反應爐、沸水反應爐、壓水反應爐、重水反應爐、石墨慢化反應爐、輕元素慢化反應爐、和有機式調節反應爐(Organically moderated reactor, OMR)等不同操作原理的核能反應爐。幾乎所有的核能反應爐，都是使用熱中子（thermal neutrons）的熱反應爐（thermal reactors）[9]。

輕水型反應爐（輕水堆）(Light water moderated reactors, LWRs)的操作機制是，使用普通水[10]作為慢化劑和冷卻劑。利用運作時，溫度上升，水的密度變低，穿過水的中子可以充分減速的原理來降低核裂變的數目，也就是造成核反應的速率會隨溫度上升而降低的這種負面回饋（negative feedback）方式，讓核反應穩定下來。輕水型反應爐主要又分成兩種形式：沸水反應爐與壓水反應爐[11]。

沸水反應爐的反應爐爐心在進行的核分裂會產生熱能，使得已冷卻的水沸騰，變為高壓蒸汽驅動渦輪機，然後再通過發電機轉換為電能。蒸汽在離開渦輪機之後，再經過冷凝器凝結為液態水（給水），並迴流至反應爐爐心完成熱傳循環。沸水反應爐的優點是構造簡單，而且還能大大降低反應爐的工作壓力和爐心溫度，因此可以顯著提高反應爐的安全性，並有降低造價的優勢。然而，由於沸水反應爐的循環系統直接連接了爐心和渦輪機，因此有可能造成渦輪機受到放射性污染，同時會給設計和維修帶來麻煩[12]。

壓水式反應爐和沸水式反應爐最大的差別是，壓水式反應爐在水加熱成蒸汽的過程中採用了兩套迴路。這種兩套迴路的設計，可以確保汽輪機使用的蒸汽絕無核分裂反應所產生的放射性物質，是一種相對沸水反應爐較有利的反應爐。對照之下，壓水式反應爐因系統較為複雜，故運轉與維護也較沸水式反應爐費事。但壓水式反應爐比起沸水式反應爐設計，在運作與保養上均較為方便[13]。所以目前全世界核電廠、核潛艇和核動力航空母艦等使用的反應爐均以壓水式反應爐為主[14]。

我國位於臺北縣石門鄉目前已除役的核一廠，曾經採用奇異公司沸水式第4型[15]、位於臺北縣萬里鄉目前服役中的核二廠，係採用奇異公司沸水式第6型[16]、位於屏東縣恆春鎮目前服役中的核三廠，係採用西屋公司壓水式3迴路[17]、先前規劃的核四廠，則是使用的是目前最新的沸水反應爐技術 - 進階沸水反應爐(Advanced boiling water reactor, ABWR)[18]。

核能發電原理

其次，對核能發電原理基本認識的問題是，核能發電的原料是什麼?核能發電的原理又是什麼?對於這些問題，我們不妨繼續來看看科學Online的解說。

核能發電的原理，是基於人類發現放射性元素的存在與其神秘的特性。放射性元素會依據其半衰期[19]以衰變的方式不斷的放出能量，並經由衰變產生較輕的元素，宛如西方早期所追求的煉金術那樣的神奇。早在一百多年前的西元1896年，貝克勒爾（Henri Becquerel, 1852-1908）就已經發現了鈾的放射線性質，但當時並未引起太多科學家的注意[20]。之後的西元1902年9月[21]，一名來自波蘭華沙城、名叫瑪麗亞的女孩[22]，從好幾公噸的瀝青鈾礦中提煉出0.1公克的新物質，稱為氯化鐳，並與夫婿定出鐳元素的原子量是226[23]。鐳的發現，開啟了物理學上的一個新紀元。在那之前，人們因為服膺道爾頓的原子說而認為原子是一個穩定而不會改變的獨立個體。但是鐳的發現改變了大家的看法，因為鐳可衰變並從原子內部釋放出能量，是一種全新的能量來源。

之後，被尊稱為核物理學之父、大名鼎鼎的拉塞福（Ernest Rutherford, 1871-1937）也發現這種放射性的元素在釋出能量後，會轉變成另一種元素，於是徹底改變了科學家對元素的認知[24]。瑪麗亞在西元1903年6月以論文題目「放射性物質的研究」進行她的博士論文口試，並在後來與夫婿以及貝克勒爾因為在放射線物質研究上的傑出貢獻，而共同榮獲1903年的諾貝爾物理獎[25]。之後，她夫婿因意外過世後，於1911年因為發現鐳元素的重大貢獻，因此一人獨得諾貝爾化學獎，從而創下同一人先後獲得兩次不同領域諾貝爾獎的創舉[26]。這麼偉大的女性是誰呢?她就是鼎鼎大名的居禮夫人（Madame Marie Sklodowska Curie, 1867-1934）[27]。她發現的放射性元素，對自然科學界造成革命性的劃時代影響，也促進了放射線醫學的進展[28]。

此後，依據居禮夫人對放射性物質的研究的貢獻，核分裂(nuclear fission)在1938年被發現。核分裂是指，由較重的（原子序數較大的）原子，主要是指鈾或鈽，分裂成較輕的（原子序數較小的）原子的一種核反應，或是一種放射性的衰變形式[29]。在更進一步討論核分裂這個概念之前，讓我們先來回憶一下當年理化課中曾經學過的名詞，什麼是原子序?

簡單來說，一個原子是由位於原子核中的質子與中子，加上位於原子核外的電子所組成的。質子帶正電、電子帶負電、中子則不帶電荷，而且每個質子帶的正電量剛好等於每個電子帶的負電量，所以一個原子是電中性的。由於質子位於原子核中，數量不會變動，所以一個原子中的質子數量代表著此原子的本質，或是其物理性質或是其化學性質。不帶電荷的中子並不影響此原子的本質或是其化學性質，但是會因此影響原子的總重量或是其物理性質。一個原子的質子數量與中子數量的總合稱為原子量，並對應到此原子的原子核的總重量。換句話說，具有相同質子數量的原子就是相同的元素，但是如果彼此之間具有不同的中子數量，這些原子彼此間的關係，則是稱之為同位素的關係。同位素之間係以原子量做為區別。例如鈾的原子序是92，所以所有的鈾原子都剛好只有92個質子。有143個中子的鈾原子稱為鈾-235，也就是原子量為235的鈾。有146個中子的鈾原子則稱為鈾-238，也就是原子量為238的鈾，鈾-235與鈾-238兩者間是同位素的關係。

在自然界中的鈾礦裡，主要包含兩種鈾原子，也就是鈾-235與鈾-238，其中絕大多數都是鈍性的鈾-238，具有核分裂活性的鈾-235則是含量極為稀少。原子彈以及核電廠的能量來源都是核分裂。早期原子彈應用鈽-239為原料製成，而鈾-235的中子裂變則在核電廠中最常見[30]。由於在自然界中的鈾礦裡，具有核分裂活性的鈾-235含量極少，所以提供核能發電用的鈾燃料，還須先進一步經過濃縮的製程，使得適用於核電廠燃料棒中鈾-235的濃度，大約在3%到5%的範圍中[31]，才足以維持理想的連鎖反應。

核電廠的能量雖然來自鈾-235的中子裂變，但是單次鈾-235的中子裂變並不足以產生多少的能量。想要有源源不絕的能量，就必須要有連續不斷的中子裂變反應，也就是稱為連鎖反應的核分裂反應。鈾-235原子核受到中子撞擊時容易分裂，並且可能會產生二個以上的中子。這些中子還可以繼續撞擊其他的鈾-235原子核，並造成兩個或以上的周邊核反應被觸動，從而帶動其他的核反應繼續以指數形式增長，於是形成連鎖反應。若聚集在一起的鈾-235原子足夠多[32]，這種以指數形式增長的核反應，將會瞬間發生到失控的情況並伴隨釋放大量的能量。但是，如果將聚集在一起的鈾-235原子控制成濃度足夠多到維持連鎖反應，但又不夠多到產生指數形式增長而失控的連鎖反應，這於是就能在可控的條件下自原料鈾中源源不絕地獲得能量，這種能量通常以熱能的形式釋放到周圍的環境中。雖然核電廠燃料棒中鈾-235的濃度通常很低，大約在3%到5%間，其餘皆為無法產生核分裂的鈾-238，但核能電廠仍然需要對反應爐中的中子數量加以控制[33]，藉此控制連鎖反應的效率在適當的範圍內，避免危險的發生。

核能反應爐所用之燃料為低濃縮鈾錠，所裝鈾錠每18個月運轉僅需停爐一次以更換燃料，每次更換約四分之一。所需之天然鈾原料可由國際市場標購，濃縮服務已由我國與友邦政府簽訂雙邊協定，由其提供三十年之供應合約[34]。較常見的低濃縮鈾錠與常用的消耗性發電燃料相比，像是天然氣或是煤炭，具有能量密度高、運送數量少、不爆炸、不需要高壓運輸設備、不產生二氧化碳等等的多項優點。

備註：

延伸閱讀：

1. 《能源系列報導》為什麼多國決定重投核電懷抱？
2. 《能源系列報導》從零開始認識核能發電：優點及應用

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