在全球追求能源轉型與碳中和的浪潮下，核能再次成為世界各國能源政策辯論的焦點。它既被視為應對氣候變遷的低碳利器，也因其潛在的安全風險與核廢料問題而備受爭議。從日本福島核災引發的全球反核聲浪，到近年因能源危機而掀起的「核能復興潮」，大眾對核能的態度擺盪在希望與恐懼之間。
究竟，核能是什麼？驅動核電站運作的物理原理為何？它作為一種發電選項，具備哪些無可取代的優點，又伴隨著哪些必須正視的缺點與挑戰？本文將深入淺出地剖析核能發電的核心知識，幫助讀者建立全面且客觀的理解。
核能的基礎——核分裂與核融合
所謂的「核能」或「原子能」，是指存於原子核內部，將質子與中子緊密束縛在一起的巨大能量。當原子核的結構發生改變時，這股能量便會被釋放出來。釋放核能主要有兩種途徑：「核分裂」與「核融合」。
核分裂 (Nuclear Fission)
核分裂技術（或稱核裂變）是目前所有商業核電廠應用的技術。其原理是利用一個中子去撞擊一個重的原子核（例如鈾元素中的鈾-235），使其分裂成兩個或多個質量較小的原子核。在這個分裂過程中，會產生數個新的中子，並釋放出極其龐大的能量。
這些新產生的中子若能繼續撞擊其他可分裂的原子核，便會引發一連串的反應，這就是所謂的「連鎖反應」（Chain Reaction）。只要能精準地控制連鎖反應的速度，就能持續穩定地獲取熱能，這也是核能發電的基礎。
核融合 (Nuclear Fusion)
核融合的過程與核分裂恰好相反，它是將兩個質量較輕的原子核（例如氫的同位素——氘和氚）在高溫高壓的極端條件下，強迫它們聚合成一個更重的原子核（例如氦）。這個過程釋放出的能量甚至比核分裂還要巨大，太陽之所以能持續發光發熱，其能量來源就是核心處不斷進行的核融合反應。
科學家們正努力在地球上打造「人造太陽」，希望實現可控核融合發電。其優點是燃料來源（氫）幾乎取之不盡，且產物（氦）不具放射性，被視為終極的潔淨能源。然而，要達成並維持核融合所需的上億度高溫與穩定約束，技術挑戰極高。目前，由多國合作的「國際熱核融合實驗反應爐」（ITER）仍在建設與實驗階段，距離商業化應用仍有很長一段路要走。
核能發電廠的運作原理
核能發電廠的整體運作流程，與傳統的火力發電廠這種發電方式非常相似，它們的核心目標都是「利用熱能將水煮沸，產生高壓蒸汽來推動渦輪機，進而帶動發電機產生電力」。
兩者最根本的區別僅在於「熱能的來源」：火力發電廠透過燃燒煤炭、石油或天然氣來產生熱量，而核電廠的熱量則來自於反應器內受控制的核分裂連鎖反應。這個基本發電的原理是理解核能的關鍵。
以下是核電廠發電的詳細步驟與關鍵組件：
1. 燃料與反應爐 (Fuel and Reactor)
- 核燃料 (Nuclear Fuel): 核電廠主要使用「鈾-235」作為燃料。然而，自然界開採的鈾礦石中，絕大部分（約99.3%）是無法高效進行鏈式反應的「鈾-238」，可分裂的「鈾-235」僅佔約0.7%。因此，鈾礦石需要經過提煉、轉化與「濃縮」過程，將鈾-235的鈾濃度提升至3%至5%，才能製成核燃料棒。
- 反應爐 (Reactor): 這是核電廠的反應器（Reactor），一個巨大且堅固的壓力容器，內部裝載著數百至數千根核燃料棒。鏈式反應就在這裡發生。
2. 控制鏈式反應 (Controlling the Chain Reaction)
- 減速劑 (Moderator): 核分裂產生的中子速度太快，不易引發下一次分裂。因此需要「減速劑」（如輕水、重水、石墨）來降低中子速度，提高鏈式反應的效率。
- 控制棒 (Control Rods): 為了精確控制反應速度，反應爐內設有由強烈吸收中子材料（如硼、鎘）製成的「控制棒」。將控制棒插入燃料棒之間，能吸收中子，使鏈式反應減速或停止；反之，抽出控制棒則能加速反應。藉由調節控制棒的插入深度，即可精準控制反應爐的輸出功率。
3. 產生蒸汽 (Generating Steam)
- 冷卻劑 (Coolant): 核分裂產生的巨大熱能，需要由「冷卻劑」（如輕水、重水、氣體）不斷循環流過反應爐核心來帶走。
- 蒸汽產生: 被加熱的冷卻劑會將熱量傳遞給水，使其沸騰變成高溫高壓的水蒸氣。
4. 驅動發電機 (Driving the Generator)
- 高壓蒸汽被引導至汽輪機（Turbine），推動其葉片高速旋轉。
- 與汽輪機相連的發電機（Generator）隨之轉動，透過電磁感應原理將機械能轉換為電能。
- 做完功的蒸汽會經過冷凝器（Condenser），由外界的冷卻水（通常是海水或河水）降溫，凝結回液態水，再送回系統中循環使用。
| 關鍵組件 | 功能 |
|---|---|
| 核燃料棒 | 含有濃縮鈾-235，是核分裂反應的能量來源。 |
| 控制棒 | 由吸收中子的材料製成，用來調節鏈式反應速度，控制發電功率。 |
| 減速劑 | 減緩中子的速度，以提高引發下一次核分裂的機率。 |
| 冷卻劑 | 循環流動以帶走反應爐產生的巨大熱能。 |
| 反應爐壓力槽 | 容納核燃料與反應核心的厚重鋼製容器。 |
| 蒸汽產生器 | 利用冷卻劑帶來的熱能將水加熱成高壓蒸汽（主要用於壓水式反應爐）。 |
| 汽輪機與發電機 | 被蒸汽推動旋轉，將熱能與機械能轉換為電能。 |
| 圍阻體 | 由厚重的鋼筋混凝土構成，將整個反應爐系統包覆其中，是防止放射性物質外洩的最終屏障。 |
主流核反應爐技術詳解
根據冷卻劑、減速劑與內部設計的不同，核分裂反應爐發展出多種類型。目前全球商業運轉中的反應爐，主要為以下三種：
1. 壓水式反應爐 (Pressurized Water Reactor, PWR)
壓水式反應爐是全球佔比最高（約70%）的技術，廣泛應用於美國、法國、中國及臺灣的核三廠。
- 運作特點: 它採用「雙迴路」設計。
- 一迴路（主迴路）: 在極高壓力（約155大氣壓）下，水在反應爐中被加熱至攝氏300多度卻不會沸騰。這些高溫高壓水流至「蒸汽產生器」，將熱量傳給二迴路的水。
- 二迴路（次迴路）: 次迴路的水壓力較低，吸收一迴路的熱量後沸騰，產生乾淨的蒸汽去推動汽輪機。
- 優點: 由於兩個迴路的水是完全隔離的，帶有放射性的主迴路水不會接觸到汽輪機，因此二迴路的蒸汽與相關設備不具放射性，安全性較高。
- 缺點: 系統結構較為複雜，熱效率略低於沸水式。
2. 沸水式反應爐 (Boiling Water Reactor, BWR)
沸水式反應爐是第二常見的類型（約15%），應用於美國、日本、瑞典及臺灣的核一、核二廠。順帶一提，備受爭議的臺灣核四廠所規劃採用的則是更先進的進步型沸水式反應爐(ABWR)。
- 運作特點: 它採用「單迴路」設計，結構相對簡單。水直接在反應爐壓力槽內被加熱至沸騰，產生的蒸汽混合物經過汽水分離器後，直接送去推動汽輪機。
- 優點: 結構簡單，省去了蒸汽產生器，建造成本可能較低，熱效率較高。
- 缺點: 由於是單一迴路，推動汽輪機的蒸汽帶有微量放射性，因此汽輪機廠房需要有輻射屏蔽設計，且維護時需考慮輻射防護問題。
3. 壓重水式反應爐 (Pressurized Heavy Water Reactor, PHWR/CANDU)
此為加拿大設計的獨特反應爐（約10%），又稱CANDU反應爐。
- 運作特點: 使用「重水」（化學式D₂O）作為減速劑和冷卻劑。重水吸收中子的能力遠低於輕水，因此減速效率極高。
- 優點:
- 可使用未經濃縮的「天然鈾」作為燃料，節省了昂貴的濃縮成本。
- 其壓力管式設計允許在反應爐滿載運轉時進行燃料更換，發電效率極高。
- 缺點: 重水本身非常昂貴，且系統中若有重水洩漏，會產生帶放射性的氚。
核能發電優缺點的全面分析
核能的優點
- 低碳排放與潔淨能源: 核能發電過程中不燃燒化石燃料，因此不會對大氣排放二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等溫室氣體與空氣污染物。它被許多國際組織歸類為「低碳能源」或「潔淨能源」。
- 穩定可靠的基載電力: 核電廠一旦啟動，便可連續運轉12至18個月才需停機更換燃料。其發電量不受季節、天氣或日夜變化的影響，容量因數（實際發電量與額定容量的比值）可高達90%以上，是極其穩定可靠的「基載電力」來源。
- 高能量密度與低燃料成本: 核燃料的能量密度極高。舉例來說，一座百萬千瓦級的核電機組，每年僅需約25噸的濃縮鈾燃料；若改用燃煤，則需超過300萬噸的煤炭。這使得核燃料的體積小，運輸與儲存相對方便，且燃料費用在總發電成本中佔比很低。
- 減少對化石燃料的依賴: 對於缺乏化石能源的國家，發展核能是確保能源自主與安全的重要戰略。
核能的缺點與挑戰
1. 核能安全與事故風險
核安是公眾最關切的議題。儘管機率極低，但核電站一旦發生嚴重事故，其後果是災難性的。1986年的烏克蘭車諾比與2011年的日本福島核災，都造成了大規模的輻射物質洩漏，對環境與民眾健康造成了長遠的傷害。核反應無法像關瓦斯一樣瞬間停止，即使在停機後，衰變熱仍會持續產生，必須依靠冷卻系統持續降溫，否則可能導致爐心熔毀，這是核能最致命的風險。
2. 棘手的核廢料問題
核能發電會產生具有放射性的廢棄物。
- 低階核廢料: 如受污染的衣物、工具、以及反應爐中產生的化學污泥等，放射性較低，通常以淺層掩埋處理。
- 高階核廢料: 主要是使用過的核燃料棒，體積雖小，卻含有劇毒且具長達數萬年的強烈放射性。自核能發電問世70多年來，全球至今沒有任何一個國家能找到公認安全、可行的「最終處置場」方案，如何永久安全地隔絕這些致命廢料，是核能發展中最無解的難題。
3. 高昂的建造成本與退役費用
核電廠的建造涉及極高的安全標準與複雜技術，投資成本巨大，建設週期長達7至10年。此外，核電廠運轉壽命結束後的「除役」工程，包含拆除受輻射污染的設施與廢棄物處理，同樣耗資巨大且曠日廢時。
4. 鈾礦開採的環境影響
從開採鈾礦、提煉到濃縮成核燃料的過程，是整個 nuclear power 產業鏈的前端，不僅消耗大量能源與水資源，也會產生帶有放射性的廢棄物（礦渣、廢水），對礦區周邊的環境與居民健康構成威脅。
5. 核武擴散的隱憂
用於發電的核技術與材料（如鈾濃縮技術、反應爐產生的鈽），理論上可能被轉用於製造核武器，引發國際安全疑慮。
常見問題 (FAQ)
Q1: 核能是綠能嗎？
A1: 這個問題存在爭議。從「低碳排」的角度看，核能在發電時不產生溫室氣體，因此歐盟在特定條件下將其納入「綠色轉型能源」的分類中。然而，許多環保團體認為，考慮到核廢料的萬年危害與核災風險，核能不應被視為真正的「綠能」（Green Energy）或「永續能源」（Sustainable Energy）。通常較中性的稱呼是「低碳能源」或「潔淨能源」。
Q2: 核能是再生能源嗎？
A2: 不是。再生能源指的是能在短時間內自然補充的能源，如太陽能、風能、水力等。核能的燃料——鈾，是從地殼中開採的礦物，存量有限，一經使用便會消耗殆盡，因此屬於「非再生能源」。
Q3: 核電廠和原子彈有何不同？
A3: 兩者在原理和設計上有根本性的不同。主要差異在於「鈾-235的濃度」與「反應速度的控制」。核電廠使用的燃料濃度約為3-5%，並透過控制棒精確控制鏈式反應，使能量緩慢、穩定地釋放。而原子彈則使用濃度高達90%以上的武器級濃縮鈾，並且追求在瞬間引發不受控制的、極其劇烈的鏈式反應，以產生巨大的爆炸威力。核電廠的設計使其不可能像原子彈一樣爆炸。
Q4: 什麼是核廢料？如何處理？
A4: 核廢料是核能發電過程中產生的具有放射性的副產品。主要分為：
- 低階核廢料：受輕微污染的衣物、工具等。通常經過壓縮後裝桶，進行淺層掩埋。
- 高階核廢料：使用過的核燃料棒。具有極強放射性與高熱，需先在電廠內的用過燃料池中用水冷卻數年，再移至乾式貯存設施進行中期儲存。
至於如何進行長達數萬年的「最終處置」，目前全球普遍的研究方向是在數百公尺深、穩定的地質結構中進行深層地質處置，但尚未有國家正式啟用最終處置場。
總結
核能發電無疑是一項充滿矛盾的科技。它利用微觀世界中原子核的巨大力量，為人類社會提供了穩定、高效且近乎零碳排的電力，在應對氣候變遷的賽局中扮演著不可或缺的角色。然而，這股力量的背後，是揮之不去的核災陰影，以及留給千秋萬代、至今無解的核廢料難題。
從核分裂到核融合，從傳統大型反應爐到新一代的小型模組化反應爐（SMR），人類仍在不斷探索更安全、更永續利用核能的方法。最終，是否擁抱核能，以及如何利用核能，不僅是科學與工程的挑戰，更是每個社會在權衡利弊、價值取捨後，必須共同面對的艱難抉擇。
