五南官網-核能關鍵報告

理工-工科類-能源
核能關鍵報告
核能的過去、現在與未來

作　　者：陳發林
出版社別：五南
書　　系：閱讀科普
出版日期：2014/08/13(1版1刷)
ＩＳＢＮ：978-957-11-7760-1
書　　號：5A98
頁　　數：216
開　　數：25K
定　　價：280元
優惠價格：252元

前行政院國家科學委員會主委、前國立成功大學校長  翁政義
前行政院國家科學委員會副主委、前國立臺灣大學副校長  陳正宏

　　這是一本介紹歷史人物與事件的文字匯集。全書分成三章和一後記，故事從三千年前的古希臘思想開講。在第一章中，作者以自然哲學發展的關鍵人物與其貢獻為主體，逐一論述建構這三千年思想主軸的人物與事件。在第二章中，作者闡述為何研製一顆核彈卻需動用有史以來最優秀的人力、最龐大的物力，配合最嚴格的研發和管理架構來執行；而整體計畫能奇蹟式地在3年內完成，清楚展現人類在毀滅邊緣的掙扎中，所能爆發的集體創造力是何等驚人。在第三章中，作者將歷史焦點轉到核電；這原本被稱為核能之和平用途者，有著低到無法計價的電力成本，卻演變成規模不同的各類核災，造成諸多社會不安與環境浩劫。最後，作者以本書所列諸多核電廠的歷史案例為根據，對台灣可能即將舉辦的「核四公投」這還沒成為歷史的事件做出評論。
　　在1946年7月1日，美國時代週刊的封面把愛因斯坦的頭像和核彈爆炸的蕈狀雲放在一起，並在E= 的公式旁加註「一切物質都是由速度和火焰構成」，著實反映出人類對使用核能的憂慮。當核分裂技術將原子中所夾帶的能量釋放出來後，人類並沒享受到潔淨且無限供應的能源，所帶來的卻是先有兩次毀滅性的屠殺，然後是未用完燃料所留下無盡的輻射。本書所整理的珍貴資料，應可引領讀者進入一波反省的思緒，以成就本書的使命。

陳發林教授
於1989年獲航空機械博士學位歸國後，一直在國立台灣大學應用力學研究所任教至今，長期投入流體力學相關問題之研究，如屬基礎研究的流體穩定性和合金固化熱流，又如屬應用研究的隧道與地鐵系統通風、燃料電池水熱管理等。近來因擔任能源國家型科技計畫執行長之故，對能源技術與政策投入許多心力，先後完成台灣再生能源蘊藏量評估、台灣黑潮電廠開發計畫、台灣低碳電力結構評估等工作。去年完成「The Kuroshio Power Plant」一書交由倫敦Springer出版。

陳發林教授是一位在機械領域學術表現非常傑出的學者。他的研究專長在流體力學與熱傳學，尤其在液動穩定問題的探討。其成就由所獲得的學術獎勵如國科會傑出獎、教育部學術獎及國家講座教授等可見一斑。他除了在學術理論研究外，對於實際應用課題亦多關注，例如他曾針對長隧道的通風、遭遇火災的熱擴散問題做了深入的探討，對於雪山隧道設計的改善提出許多學理分析的數據。他亦曾擔任工研院能源暨資源研究所所長、又曾擔任國家能源發展計畫總辦公室執行祕書，對於能源問題涉獵甚深且廣，此應為其撰寫此書的原因之一。
半年多前，他跟我提及正擬撰寫科學發展史方面的書，我亦贊同之，並和他討論一些觀點。令我驚訝的，他在短短數月中完成了有關核能發展中的關鍵人物與事件史料的搜集與撰述，所論述之內容既豐富又生動，誠為一難得之作。依我看，此書至少有如下特點：
一曰脈絡清楚、要點突出。第一章講述所涉及自然哲學的早期，從源頭寫起，從古希臘亞里斯多德（Aristotle）的地心說，到文藝復興時期哥白尼（Copernicus）的日心說，第谷（Tycho）的天文觀測，刻卜勒（Kepler）的行星運動定律，伽利略（Galileo）的運動和落體理論，牛頓（Newton）的萬有引力定律和運動定律，從而建立了力學，奠定了古典物理的基礎。其後法拉第（Faraday）發現電磁感應現象，馬克斯威爾（Maxwell）建構了完整的電磁動力學方程式；乃至近代物理（相對論、量子理論）誕生後所衍生的核子物理的過程，舖張出核能由來的歷史。
第二章為核彈發展的歷程，從曼哈頓計畫開始，逐步講述計畫中的關鍵技術、日本遭受核彈二次大戰結束後所引發的核武競賽、到核武冷戰事件。第三章為核電發展史，從第一座核子反應爐的成功引起核電風潮，到幾次核災發生幾乎讓核電產業消失的轉折，再到各國核電政策的消長。第四章為後記，實則為探討臺灣核電發展問題，從臺灣核電發展歷史，到全球核電公投案例，引出臺灣的公投議題，最後預測核四的命運。全書可謂條理清楚，章目分明，再看每章之內皆能抓住關鍵做深入之評介，此乃精到之筆。
二曰具有新義。本書雖然為介紹核能發展歷史之人物與事件的匯集，但其講述之內容，具有可引領讀者進到反思的情懷，例如在第一些章闡述哥白尼公開發表太陽為宇宙中心的學說，駁斥留傳幾近兩千年的亞里斯多德和托勒密（Ptolemai）的地球為宇宙中心學說。這個創見最重要的意義在於讓天文學獨立於哲學之外，並拋開神的意志，人類可以用理性的態度了解宇宙和物理世界，結果促成人類修正對宇宙的觀念，對人類的貢獻極其偉大。誠如愛因斯坦在紀念哥氏逝世410週年紀念會所說的：「哥白尼不但奠定現代天文學的基礎，還促成人類對於宇宙觀念的改變。一旦地球不再是宇宙中心，一旦地球只是一顆小行星，人類自詡的重要性就無法維持，因此哥白尼以他的成就和偉大的人格教導人類必須謙卑。」
第二章闡述一批科學家如愛因斯坦寫信給羅斯福總統，建議製造核彈以遏制納粹德國，於是啟動曼哈頓計畫。該計畫匯集了史上最優秀的人力與最龐大的物力，在短短的三年完成核彈的研製，並試爆成功，展現出人類驚人的集體創造力。三天內在日本的長島和長崎投下兩顆原子彈，其殺傷力無與倫比，讓日本決定投降而提早結束二次大戰，其成就固然減少了許多軍人的生命，但卻平白多讓數十萬平民百姓傷亡。「二戰」後，其他國家如蘇、英、法、中等先後自行研製原子彈成功，打破了美國的核武壟斷，開啟了核武競賽的局面，尤其是美蘇之間。在這樣的處境下，人類對於傳統上戰爭必有輸贏的觀念打破了，動用核武器的戰爭，將是同歸一盡。由於這種心理上的震驚，從某種意義來縮說，核彈成了世界和平的重要因素。
第三章論述核電原本有著低到無法計價的電力成本，卻演變成各類規模不同的核災，以致造成社會大眾不安與環境浩劫之憂慮，而可能變成昂貴到無法計價的電力成本。作者在其序文指出「這種高污染、高危險的能源技術，顯然是二戰後倉促誕生的早產兒。我們相信，支撐人類文明發展的能源系統，絕不會也不應建構在這種不成熟且不文
明的技術上。」這段話具有相當的震撼性，但還原歷史真相，也有幾分真實性。當蘇聯於1957年10月發射史波尼克一號人造衛星時，艾森豪政府急於決定讓做為發電用的核子反應爐早日運轉-任何一種都好。儘管當時有幾種不同冷卻方式的設計被提出，而其中唯一最接近成熟的是已應用於核能潛艇的輕水原子爐，於是這種設計被火速擴大為商用規模並開始運轉，且導致更進一步的技術發展，而取代其他所有原子爐的設計。由此觀之，一項並不是最好的技術因為歷史上的偶然意外被選上了，並一直沿用，我們不禁懷疑，人類文明的發展過程中，到底發生過多少這種事？
最後，後記中很客觀地提出核四公投應澄清的四個疑慮議題，並做出評論。指出負責任的政府必須做的事。
《核能關鍵報告》這本書所論述的是攸關人類面對生存與發展非常重要的課題，我相信這本書的問世，對於大眾理解核電的本質問題有很大的幫助，使其在面對公投時之抉擇會有較理性的判斷，而非盲目的、意識形態的決定，是為本書的最大貢獻。


前行政院國家科學委員會主委、前國立成功大學校長  翁政義

相對論的啟蒙：電與磁的作用
打破牛頓力學體系的原動力，是為了回答牛頓所留下的一個問題：什麼是萬有引力？換成伽利略的話應是：兩個物體間為何會有作用力？牛頓建立萬有引力定律後，似乎對所獲的成就心滿意足，早把伽利略當年所提出的問題置於一旁，而這問題則被愛因斯坦透過建立一套驚天動地的嶄新學說「相對論」所解答。而這套嶄新學說的發展，要從一位只有小學學歷的英國科學家法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）說起。
法拉第於1791年出生在倫敦南部的貧窮鐵匠之家，十四歲就輟學作裝訂書本學徒。二十歲那年聽了當時的著名化學家戴維（Humphry Davy, 1778-1829）演講後，將所做長達百頁的筆記交給戴維，不久就被他聘為助理而進入科學界工作。在戴維的實驗室工作期間，法拉第在電學與化學實驗上做了很多重要貢獻，而最被後人所推崇的貢獻是他所建立的電磁場學說。他應用簡單的銅線圈、磁鐵和指南針做實驗，發現當一塊磁鐵在一組線圈中來回做相對運動時，線圈中會產生電流；當在一條導線中通入電流時，導線周圍會產生一個比地球磁力還大的磁場，讓指南針轉向。為了解釋為何沒有直接接觸的線圈和磁鐵會有交互作用，法拉第引進了「場」的觀念：移動的磁鐵在線圈中產生一個電場來推動電流，通電的導線在其周圍產生一磁場來改變指南針方向，都不須直接的碰觸就可互相作用，與萬有引力的現象相同。現今影響人類文明相當深遠的兩項發明：發電機和馬達，都是應用法拉第所發現這電與磁交互作用原理而生，而這些都是他在49歲罹患失憶症之前的研究成果。
蘇格蘭物理學家麥克斯威爾（James Clerk Maxwell, 1831-1879）就是利用法拉第所建立的場觀念，並配合法拉第的電磁實驗結果，組合高斯電定律、高斯磁定律、法拉第磁感應定律和安培定律等四個方程式，另在安培定律中引入一項「位移電流」（或稱麥克斯威爾修正項），建立一套可以同時描述電場和磁場和二者間相互作用的方程組。這四個聯立方程式（後稱麥克斯威爾方程式），結合了原本只是獨自並靜態地描述電與磁現象的四個不相關方程式，不只能解釋法拉第實驗的電磁互動現象，更證實這互動所形成的電磁波是由電場和磁場垂直交互振盪所造成。同時，他也藉由這電磁交互作用關係，算出電磁波的速度正好是光前進的速度，其大小正是電場和磁場強度的比值。這套方程組被愛因斯坦稱為是「自萬有引力學說被建立以來，物理學最重要的理論」。電磁波的重要性要到1901年馬可尼（Guglielmo Marconi, 1874-1937）發明無線電通訊後才被廣泛的認知，目前大家所熟悉的無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線等，都是電磁波的一種。電磁波的波長從數千公里到只有普朗克長度，其波譜是連續的、也是無限的；她在宇宙中無處不在，是一種充滿萬有的神奇現象。
相對論的主角：光速是宇宙常數
在麥克斯威爾方程式中，電場與磁場的傳遞速度可分別由∇2E = με(∂2E/∂t2)以及∇2B = με(∂2B/∂t2)兩方程式代表，其中E表電場強度、B表磁感應強度、μ表電常數、ε表磁常數。將這方程式與波動方程式∇2f = (1/ν2)(∂2f/∂t2)比較後知，電場與磁場的傳遞速度為ν = 1/≈3×108 m/s，此值正好與光速相同，依定義則是電磁波傳遞的速度。由麥克斯威爾的推導過程可知，其大小與發射磁場或電場的物體之移動速度無關。於是，愛因斯坦以此重要發現，認定電磁波的傳遞速度就是光速，並且不論觀測者如何運動，其所觀測的光速都是定值。
「光速在宇宙中是定值」這觀念是劃時代的創建。在這之前，光的速度多大？是否為大家公認的無限大？這些問題困擾眾多科學家甚久。牛頓解釋萬有引力定律時，就推論萬有引力可以在「瞬間」跨越非常遙遠的距離，兩物體立即感受到相互間的作用力，亦即重力傳遞速度（後稱重力波速）是無限大之意。但愛因斯坦修正了這個觀念，他認為兩物體之間的萬有引力是以光速傳遞。這推論若成立，就推翻了屹立不搖數百年，牛頓以絕對空間和絕對時間所推導出來的萬有引力學說（曾被實驗證實「極為正確」的理論）。
事實上，光的速度早在1676年時，就被星象學家羅默（Olaus Roemer, 1644-1710）估算過。羅默在觀測木星和其衛星的運動時，發現木星衛星的運動週期會因木星靠近地球而變短、因遠離地球而變長，這結果卻違反牛頓萬有引力定律。但羅默對牛頓的萬有引力定律的正確性深具信心，所以他認定木衛週期應不會改變。而所觀測的木衛週期有變化，可能是因為地球與木星的距離太長，讓地球上的觀察者對木衛的位置產生視差，導致木衛在靠近和遠離地球時，其所發出的光要抵達地球所需的時間有所差異。羅默就利用這抵達時間的差異，配合地球與木衛間的不同距離，來計算光速；所得結果雖然誤差不小，但這卻是人類歷史上第一次估算光的速度。在數十年後，正確的光速值才由麥克斯威爾從其所建立的方程組中算出：299,792,458 m/s。
相對論的內涵：時空中的能量守恆
愛因斯坦是位不世天才（圖1.6），16歲就因反對當時物理學界的主流「乙太動力學理論」，而深入探討波茲曼的分子論和普朗克的量子觀，進而提出一套自己的想法和作法。於1905年，當時26歲的愛因斯坦還是瑞士專利局的一位三級技師，就在物理學中三個極不相同、對未來物理學發展極為重要的三個領域，即電學、量子力學和統計物理學，發表了六篇影響深遠的論文。其中，狹義相對論對後世的影響最為深遠，而發現狹義相對論的靈感是來自麥克斯威爾方程組所引出的現象：光的速度與光源的運動速度無關。所以他懷疑牛頓以絕對空間和絕對時間所建立的萬有引力定律一定存在著矛盾。
為解決這矛盾，愛因斯坦將時間與三維空間融合成一時空座標系，並在其上推導狹義相對論。我們參考曼徹斯特大學物理系考克斯教授（Brian Cox, 1968 -）在德國數學家閔考斯基（Hermann Minkowski, 1864-1909）所建立的簡化時空座標系中所做的推導，來解釋狹義相對論的內涵。在閔考斯基的座標系中，橫軸代表兩事件的距離x，縱軸代表兩事件的時間ct（請注意，c為常數，也可以看作光速）。建立此時空體系需掌握三要素，即：(1)不變性，如動量守恆、角動量守恆、能量守恆等；(2)距離，必須考慮時空座標中兩個「事件的距離」，而不只是「空間的距離」，而任何觀察者所測量的「事件的距離」應該一致；(3)因果性，在任何觀察者的時間座標裡，「因」的時間點必定早於「果」的時間點。譬如，我投出一個棒球並打碎了某扇窗戶，那麼「我投出球（因）」的時間應先於「窗戶被擊碎（果）」的時間。
基於這時空三要素，以及光速恆定的要求，可將時空中兩事件的距離定義為，其中c為光速、t和x分別為任意觀測者所測得的時間差以及空間中的距離。依照這定義，假設火車以定速v（相對地表）行駛，花了t秒鐘到達目的地。對火車上的乘客而言，火車在時空中所行走的距離為（因為乘客和火車的距離為0）；而靜止在地表的觀察者認為，火車花了t'秒鐘抵達目的地，在時空中所行走的距離則為。在時空座標系中，這兩個事件的距離應該相同，於是有，
亦即火車上所花的時間比較長（或說事件發生得比較慢），這就是愛因斯坦打垮牛頓力學系統的原始立論：沒有絕對的時間或空間。
既然沒有絕對的時間，自然就沒有絕對的速度。從前面所推導的中，我們可以定義一項時間膨脹係數γ = 1/，於是t' = γt，闡述了移動中的物體與靜止觀察者之間，移動者的時間被膨脹（或說拉長）的程度。約在愛因斯坦提出這時間膨脹的觀念的百年後，瑞士CERN的同步加速實驗室即證實了粒子在高速下的生命週期變長：在靜止狀態下，核反應後的μ介子只會存在2.2微秒，但在99.94%的光速狀態下，其生命周期則延長為29倍。
質能互換：難以實現的理論
E = mc2告訴我們，質量中蘊藏著巨大的能量，若能將質量轉換成能量，就能解決人類對能源需求不斷擴張的問題。依據這公式，若能將1Kg的物質轉換成能量，就能產生約250億度電力，則臺灣每年所需電力只要10Kg物質就可解決。但若要用燒煤來供應這筆電力，就需燃燒（即化學反應）2500萬噸的煤。然而，應用這公式的根本罩門是：並非所有物質都可以做能量轉換。以目前的科技水平看，質能轉換的條件實在是嚴格到幾乎不可行的程度。易言之，有了這公式我們還是無法隨心所欲的將質量轉換成能量。事實上，愛因斯坦提出此公式時，對能否有可行的質能轉換技術卻存有很大的懷疑。在事隔一百年後的今天，當年產生這懷疑的基本因素還是沒變。以目前的科學技術發展程度看，我們離這能源終極解決之道還差的很遠。
要探索這可行的轉換技術，我們首先要瞭解質量是如何被摧毀而轉換成能量。這問題也可以另一種方式提問：在自然法則的規範之下，能量和質量可以相互轉換的可能性有多大？物質轉換成能量的過程中，有什麼限制？知道這限制的內容時，可為我們應用E = mc2提供什麼幫助？這些問題的初步答案可從物理標準模型得知：自然界有一套獨有的機制用來將質量轉換成能量，就是利用反物質（反粒子）與正物質（正粒子）的作用，讓質量消滅而產生能量。換言之，依照目前物理學家所公認可行的主方程式的反應理論，我們必需先有生產並儲存反物質的方法。但在地球上，反物質只能在實驗室中，以龐大能量激發才能產生。設在瑞士與法國邊界地下的大型電子正子對撞機就是為達到這類目的而設的實驗室。然而，這實驗室在服役的12年間（1989-2000）所得到的兩千多萬筆資料，在在證實標準模型理論中諸多粒子間相互作用模型的正確性的同時，也推論要成功摧毀質量來產生能量的可能性甚低。
事實上，不論在地球上，或是在目前我們所理解的宇宙中，質量很難完全消失；縱使消失，也只有其中很小的部份可轉換成能量。譬如，太陽上所發生的核融合反應，把質量轉換成能量的效率就很低。理論上，在太陽核心處的溫度為1000億度，但要發生核融合的溫度應比這數值還要高1000倍。但因後來量子理論的出現，才把這核融合所需溫度的理論值大幅降低，科學家才有能力解釋英國物理學家愛丁頓（Arthur S. Eddington, 1882-1944）的學說：太陽能源是由氫變成氦（質子轉變成中子）的融合反應所造成。但是在自然界，質子轉變成中子的效率仍然很低，太陽上1000克的物質大概只能產生1/5000瓦的能量（核融合所生能量）；但在人體內，同樣質量的物質所能產生的能量常能超過1瓦（化學反應所生能量）。
核分裂：實現相對論的工程
核融合雖可產生龐大能量，但所需條件的門檻太高，在地球上難以實現。然而，核分裂過程也會產生質能互換而釋放出能量，雖然反應效率甚低，但這卻是目前唯一人類可以成功地消滅質量來產生能量的技術。然而，非常不幸的是，人類首次應用這技術的目的，卻是用來大規模的毀滅自己：核彈的發明。但是要把愛因斯坦的公式E = mc2和核彈的發明直接劃上等號是不公平的。因為即使沒有愛因斯坦公式的出現，核分裂技術的發展也必然會發生，因為這技術在十九世紀末已經在另一領域的科學研究中默然興起。

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