處理核廢料之完整藍圖
作  者╱
趙嘉崇
出版社別╱
五南
出版日期╱
2023/12/14   (1版 1刷)
  
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I  S  B  N ╱
978-626-366-846-1
書  號╱
5DN1
頁  數╱
260
開  數╱
20K
定  價╱
400



如何處置核廢料其實包括了三個議題:核廢料處理、核廢料提煉之再生使用與防範核武擴散,這三者是不能分開討論的,若只針對其中一個議題來尋求解決方案,永遠得不到完美的答案。這本書的宗旨是要闡明這三者錯綜複雜的關係、互相牽制的脈絡,並針對所有有關議題,納入考量後,做整體的分析,來描述全面解決處理核廢料的前提與方法,提供執行藍圖。但是,執行解方必須把「核電大國」與「非核電大國」分開進行,因為這兩類國家所面對的議題完全不同,各自面臨的困境與意欲發展的方向,也都不一樣。所有相關的技術細節與政策基礎都包括在書中,各式地底深層存儲方式與議題也做了有深度的描述與討論,許多正在研發有關核廢料再處理的新產品呼之欲出,不但可以免除輻射的擔憂,更能迅速達成經濟發展的效果,又對防範核武擴散形成有效的機制。
※推薦文
推薦序──核廢料?核資產?(資深媒體人 陳鳳馨)

核廢料真的是難以處理的廢物嗎?長期以來,我們總在核廢料危害後世子孫數萬年的恐慌中排斥核能,所有核廢料的思考就集中在能否找到核廢料的永久處置場,但若核廢料所具備的高輻射能量未來可以成為後世子孫的核資產,我們討論用過一次的核燃料棒時自然要有完全不同的思維。
全球氣候變遷與淨零排碳已成為人類共同課題與責任,在尋覓各種淨零路徑的努力中,核能的零碳排、穩定與低成本特性重新獲得青睞。
近來國際上掀起的核能復興浪潮,消極面來看,似乎是無可奈何的選擇,所有能源開發路徑都不可能幫助人類趕上2050 年淨零碳排的目標, 但更多投入分析解決碳排問題的人士,是澈底理解核燃料可循環運用的特質,理解核廢料未來可能價值後,從核廢料恐懼中解放,轉向積極擁抱新一代核能運用開發與研究。
比爾蓋茲是投入心力與資金的代表,國際知名的大導演奧立佛史東則是推廣宣導的另一個代表。
2018 年「以核養綠」公投案推動過程中,我有幸認識趙嘉崇博士, 他是世界級的核安專家,參與分析處理世界核能電廠各種意外事件或事故,核能理論到實務的各方面都有深入了解。
我兩度訪問趙嘉崇博士,也曾私下透過網路跨洋請教趙博士核能相關議題,他總能用最淺顯的方式,幫助我這樣的外行人理解核能與核廢料的基礎概念。
趙博士有項特點也讓人印象深刻,談起核電他不會侷限於物理特性等探討,核電的發展涉及工程手段的可實現性,經濟效益評估,材料科學發展與政治、政策互動,他都會一併納入思考,細細剖析,讓人們對未來可實現的路徑有更清楚的藍圖。
2022年趙博士也在台灣藉由五南圖書出版股份有限公司出版繁體中文的《全面透視核能》一書。

這一次他直接聚焦核廢料這個主題。
用過一次的核燃料棒使用的能量只有百分之五,餘下的百分之九十五能量所具備的諸多元素,不論是鈾、鈽、次錒系元素或其他核分裂衍生物,距離我們一般人都是遙遠難解的化學名詞,但他們的高放射性特性, 不論是進一步的提供能量,工業與醫學運用,乃至於太空探索的能量來源,都已是科學界正努力的方向。
台灣產業高度依賴出口,各國在追求淨零路徑上對進口產品可能或已出現的零碳要求只會越來越嚴格;另一方面,台灣獨立電網的特性,也讓台灣必須有一套完整的零碳能源藍圖。
這已經不是缺電與否的便利問題,也不只是電價高低的經濟問題,而是產業還能否發展的生存問題。
面對問題,解決問題,這才是我們這一代人負責任的態度。
台灣或許無法單獨建立核燃料循環方案,但理解核廢料的資產價值,建立核廢料資產數據,參與國際核燃料研究,為台灣建立遠程的核能政策。
這一切工作不能只期待政治人物,你我才是推動政治人物進步的原動力。這些功課,就從認識核廢料開始吧。


推薦序(國立清華大學工程與系統科學系 特聘教授 李敏)
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∼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,有大幅度的波動。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為每度24 克,與陸地及海域風電相當,而大型光電的排放強度為每度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。烏克蘭與蘇俄的戰爭,中東再一次的兵凶戰危,讓各國政府都體認到能源供應與價格穩定,對國家安全的重大衝擊。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。國際能源署也認定人類要在2050 年達到碳中和,核能是不可或缺的能源,歐盟也認同核能可以視為綠能。時空環境的改變,核能在未來能源供應上將扮演更重要的角色,是毋庸置疑的。
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,既然是選擇,必然要考慮國家特殊的天然條件與地緣關係,當然不可避免的會參雜個人主觀的認知與價值觀,也與國民對能源議題的了解程度有關。
長久以來,反對使用核電最重要的原因為對輻射的恐懼,擔心核電廠發生爐心熔毀事故,導致放射性物質的外釋,對民眾造成健康的影響,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,美國三哩島、前蘇聯車諾比與日本福島事故,有透徹的了解。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,趙博士在核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」,中譯為《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著墨,深入淺出,是了解核能絕佳的工具。該書的重點可以說是闡述核電的安全性。
他有感於民眾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。
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。核廢料粗分為兩大類,一類為放射性核種含量低,且核種半衰期較短,通稱為低階核廢料。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,需要克服的只是民眾的鄰避效應。
另一類為核種半衰期長,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,稱為使用過核燃料,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,再次置入核反應器,產生能量。用過核燃料再處理後剩下來不可用的物質,才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,將放射性核種與與生物圈隔離,避免對生物圈產生的影響。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。
反核團體認為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全隔離。那些為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為燃料的鈾與鈽,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為廢棄物,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。台灣目前的政策是將用過核燃料視為廢棄物,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。
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,才能讓民眾安心。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,這個過程稱為嬗變,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,以適當之能量分布的中子照射,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。選擇觀望的國家大都是用過核燃料數量不多的國家,一來可能因為國家地質狀況,廠址難覓﹔二來是因為量小, 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。
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。工程技術面含括核燃料循環、用過核燃料處理、防範核武擴散、用過核燃料暫存與監管、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為有趣的事,開卷後,不忍釋手。本書是核能工作者與對能源領域有興趣的人,全面了解核廢料最佳的書籍。
趙博士邀請本人為《處理核廢料之完整藍圖》寫序言,是我無上的榮耀。最後我想借用趙博士書說的話,為序言畫下句點。

「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:
1. 成立專業處理核廢料之機構
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. 尋覓短期與長期核廢料儲置地點以建造設施」

趙嘉崇
獲有美國麻省理工核能工程博士與德州奧斯丁大學核子物理碩士。
專長於研發核反應器物理、熱工水利與嚴重事故之大型分析智能工具。分析處理過世界核能電廠多次意外事件與事故,包括蘇俄車諾比核事故與日本福島核災。
曾代表美國核能學會在1984年創立一國際核能安全會議系列,擔任各屆會議議程主席與大會共同主席多次,多年致力此系列之組織化,成就其近四十年之國際盛名。
曾於位於維也納的國際核能總署任職「核能專家」,督導歐洲諸地核能電廠之運行安全與技術升級;曾任北京清華大學核能院講席教授,擔任講座之主題為「核能電廠嚴重事故分析」;曾任東京理工大學核工系客座教授,也任職位於英國牛津,歷史悠久、享譽國際的學術期刊《核能工程設計》編輯達十七年。
發表過數十篇核子物理、核能工程學術論文,獲有核能設備專利、商化奬與美國核能學會會長獎。近期著作有《全面透視核能》一書,英文版是「A Complete Perspective of Nuclear Energy」。

第1章 前言與總結
1.1 前言
1.2 全書主旨
1.3 如何利用核廢料
1.4 結論

第2章 什麼是核廢料
2.1 核廢料哪裡來
2.2 核廢料成分
2.3 核廢料對人身的傷害
2.4 核廢料的效益
2.5 核廢料分類

第3章 核廢料與核武的關係
3.1 核武原料之來源
3.2 為什麼要監控核廢料
3.3 監控核廢料之機制與機構
3.4 偵測核武原料之技術
3.5 各國監控核廢料與核燃料之現況

第4章 核廢料之再提煉與核燃料循環
4.1 為什麼要再提煉核廢料
4.2 核廢料提煉技術
4.3 核燃料循環之意義
4.4 核燃料循環之技術考量
4.5 釷鈾核燃料循環
4.6 核燃料循環的策略與展望

第5章 核廢料處理
5.1 核廢料地底處置之方法與方案
5.2 核廢料地底處置之技術議題
5.3 積極消除核廢料之核反應爐
5.4 核廢料處理的立法基礎與政治難題
5.5 世界各國進行的地底深層設施
5.6 鑽孔式超深地底掩埋法

第6章 核廢料國際聯盟
6.1 區域性核廢料國際聯盟
6.2 核燃料租用機制
6.3 核廢料處置場與提煉廠之聚集城
6.4 全球性多邊核燃料循環聯盟

第7章 核燃料循環新科技
7.1 輕水式快中子核反應爐
7.2 液態鉛快中子核反應爐
7.3 新式高溫核反應爐
7.4 從海水提煉鈾

第8章 處理核廢料之百年藍圖
8.1 核電大國之考量
8.2 核電大國之執行藍圖
8.3 非核電大國之考量
8.4 非核電大國之執行藍圖

第9章 核廢料啟發性的觀念
9.1 愛因斯坦不管如何進行質能轉換
9.2 輻射意味著連續性質能轉換
9.3 化學週期表須增加一個元次
9.4 怕輻射而排斥核廢料是不必要的
9.5 對輻射的正確態度
9.6 繼續認證輻射帶來的福祉

第10章 突破性科技
10.1 輻射是處理核廢料瓶頸
10.2 輻射環境機器人之使用
10.3 今年的新科技
10.4 適用範圍
10.5 人工智慧是三大議題解方

第11章結論

微處理器原理與
應用─組合語言
與PIC18微
控制器
半導體IC產品
可靠度:統計、
物理與工程
動畫基礎概論
自動化控制元件
設計與應用:台
達PLC/HM
I/SERVO
應用開發
VCSEL技術
原理與應用
直接雷射沉積技