財金(研)字第010號
中華民國八十九年十月
November 8,2000

核能發電之必要性(譯自The Need for Nuclear Power

 

財政金融組研究助理
      財政金融組研究助理 陳妍蒨

前言

    這個世界需要更多的能源。能源提昇勞力並促進生產力、建立並照明學校、淨化水質、提供廠房機械電力、驅動縫紉機和自動裝配器、儲存並移轉資訊。世界人口正呈現穩定的成長,於西元1999年已超過六十億人,然而仍有二十億(即世界人口的三分之一)的人口無法享受到電力。各項發展都要仰賴能源,若因缺乏能源而無法發展將會面臨各種的災難:貧窮、疾病和死亡。這樣的情況造成許多不穩定,而且可能帶來暴力的蔓延。因此基於國家安全,各已開發國家不得不協助人口稠密的開發中國家增加其能源產量。為了保險及安全上起見,能源供給的來源必須多樣化。

    英國皇家協會和工程皇家學會在西元1999年有關核能和氣候變化的報告中預測:「就全球而言,我們可以預測對於能源的消費,在未來的50年至少會達到現在的2倍,而且隨著世界人口的增加以及人們尋求改善其生活水準,在未來的100年,至少會以5倍的速度成長。」不過嚴謹保守估計,即使到西元2050年世界能源的產量能達到現在的三倍,也只能提供現在僅及美國平均每人使用量的三分之一進行消費。經濟合作開發組織(OECD)的國際能源協會(IEA)推斷至西元2020年為止,對於能源的需求將有65%的成長,其中有三分之二來自開發中國家。皇家協會和皇家學會提出警告:「照目前推測未來消費能源的水準來看,對於環境不能造成持續且長期的傷害又要配合世界對能源的需求是一項很大的挑戰。」這些傷害包括地表和空氣污染以及全球溫室效應。

    當今世界大部分的能源來自石油(39.5%)、煤炭(24.2%)、天然氣(22.1%)、水力發電(6.9%)和核能發電(6.3%)。雖然石油和煤炭仍是主要的能源來源,但其市場佔有率從十年前就已經開始減少,在此同時,天然氣和核能的佔有率則穩定成長,這樣的趨勢應會繼續維持下去。相對於反核團體的主張,核能發電既非滅絕亦非正臨停止使用的狀態。法國有79%的電力靠核能發電;比利時有60%;瑞典有42%;瑞士有39%;西班牙有37%;日本有34%;英國有21%;美國(世界最大核能生產國)有20%,南韓和中國大陸則宣稱將擴充其核能生產力,其中南韓欲建立16家新電廠,產量至少可以提高一倍。世界上有434座核子反應器,核能提供了超過一億人口每年對電力的需求。

 

世界能源來源

來源

比重

石油

39.5%

煤炭

24.2%

天然氣

22.1%

水力發電

6.9%

核能

6.3%

 

各國電力仰賴核能發電的比例

國家

比例

法國

79%

比利時

60%

瑞士

42%

瑞典

39%

西班牙

37%

日本

34%

英國

21%

美國

20%

 

    自西元1990年起,在美國和世界各地,核能安全和效率都已經大幅改進,西元1998年,作業反應爐的單位容量因數(Unit Capacity Factor:一座核能電廠產能所能生產的比例)已達到滿載水準。美國平均單位容量因數在西元1998年為80%,相較於1980年的50%1990年的66%。雖然核電廠的數量減少,美國1999年核能發電的產量仍較1998年多了9%。目前核能發電的平均生產成本每千瓦小時為1.9分美元,而天然氣發電的成本每千瓦小時為3.4分美元。同時,工作員所接觸的輻射量和每單位能源所產生的核廢料皆創新低。

    若天然氣的生產技術在未來半世紀能突破,則未來幾百年之能源市場主要將由天然氣與核能瓜分。未來天然氣或核能發電何者的市場佔有率較高仍無法判斷,但是不管是採用哪一種都會比現在所採用的能源更為乾淨且安全,而且這樣的優勢應該被認可。即使是環保人士也該歡迎這種轉變並且重新考慮他們對可循環使用之能源的執著。

 

碳化國度

    在所有發電的來源中,煤炭會對環境造成最大的傷害。哈佛大學公共衛生學院在最近的研究中指出,燃燒煤炭所產生的污染物,單單在美國每年就會造成15,000個早產兒死亡。過去煤炭佔世界主要能源的四分之一,燃燒煤炭所釋放出的有毒廢棄物相當多。然而這些廢棄物並非直接排放到空氣中或傾倒出來,有些甚至和建築材料混合在一起,其他則以氣體或有毒微粒子的型態發散出來-氧化硫和氧化氮(酸雨和煙霧的主要成分)、砷、汞、鎘、硒、鉛、硼、銅、氟、鎳、釩、鋅、一氧化碳、二氧化碳和其他會造成溫室效應的氣體-火力發電廠所釋放出的放射性物質也是該類污染的主要來源。燃燒煤炭時所釋放出的鈾和釷是地表普遍存在的輕度放射性物質。當地殼中的鈾元素衰退會產生放射性氣體氡氣,而氡氣通常深埋在地底下,在挖掘煤炭時會釋放出來。一座1,000百萬瓦特電力(1000-Mwe)的火力發電廠所釋放出來的放射性物質是同級核能發電廠的100倍。全世界每年因燃燒煤炭所釋放出的鈾和釷約37,000公噸,其中有7,300噸來自美國。既然鈾和釷是主要的核能燃料,燃燒煤炭所產生的能量似乎還比不上燃燒煤炭所浪費的能源。

    燃燒煤炭所造成的核能擴散是另一個被忽略的問題。一座1,000百萬瓦特電力(1000-Mwe)的火力發電廠一年所釋放出來的鈾約有74磅為鈾235元素,足以做兩顆原子彈。這些鈾元素在達到可用狀態之前必須進行核分裂,這些過程是相當複雜且昂貴的。任何國家的火力發電廠都可以將其燃燒所得的副產品收集起來,並累積足夠的核子武器原料去建立一座火力強大的兵工廠。在1950年代早期,由於相信礦藏總有用罄的一天,美國原子能委員會一直在研究如何將使用中的煤炭作為鈾元素的來源以製造核子武器,因為許多的礦物會藉由燃燒煤炭的過程而集中起來,我們可以將其由燃燒的灰燼中提煉出來。

    美國目前的法律強制核能發電廠必須投資在昂貴的作業系統上以避免放射性物質的釋出。然而火力發電廠則無此規定,由於對輻射擴散的恐懼,造成核子燃料在美國並不是很有效率的被循環使用。這些因素扭曲了核能發電的經濟價值,並產生了核廢料處理的難題。如果火力發電廠也受此限制而使成本提高,那麼燃燒煤炭所產生的電力將不再比核電便宜。

 

再生能源的沒落

    再生能源-水力、太陽能、風力、地熱和生物-需要相當高的資本投資成本,而且會對環境產生重大的影響。水力發電算不上真正可以循環使用的能源,因為水壩終究會淤塞。大部分再生能源都必須聚集大量微薄的能量,因此要有足夠的空間和人力來處理。不論是建造太陽能集電器、傾倒混凝土以建立風車、或是淹沒數平方英里的土地以蓋水壩都會造成重大的損害和污染。

    雖然世界上可供水力發電的地方有四分之一已經開發出來,但是水力發電所建造的水壩卻淹沒了大片的土地、迫使鄉村的居民遷移、改變河川的生態、、、這些都可以瓦解近幾年來環保人士對水力發電的支持。美國輸出入銀行面對環保團體的遊說,就以拒絕為中國大陸18,000百萬瓦特電力(MWe)的長江三峽水壩提供資金作為回應。

    由於上述種種因素和缺點,世界能源委員會和國際能源協會(IEA)就預言水力發電佔世界能源供給的比率不會超過6.9%。至於其他再生能源,即使只有些微的補助,到西元2020年為止,其比率也不過由現在的0.5%升到58%。美國對於再生能源的利用在世界上是首屈一指,然而從西元1997年到1998年,該類能源的產量卻降低了9.4%:水力發電減少了9.2%、地熱發電減少了5.4%、風力發電減少了50.5%,以及太陽能發電減少了27.7%

降低容量

天然氣與煤炭、石油與鈾相較,產量有限且對空氣造成很大的污染。核能發電最大的優點,是其可以從微少容量的核燃料中產生極巨大的能量,核分裂所轉換出來的能量是化學燃燒所產生之能量的數千萬倍。

因為核廢料具放射性,許多人對核廢料的衰退期有所恐懼。根據研究報告,具放射性的核廢料在600年之內會減少99%的放射性毒素,並非幾千年或幾百年。況且,根據世界衛生組織統計,目前的空氣污染及其他污染每年會造成三百多萬人死亡。另外,根據統計,每年每產生兆瓦電力,煤炭燃料發電會產生50萬公噸的固體廢棄物、石油燃料發電會產生30萬公噸固體廢棄物、天然氣會產生20萬公噸固體廢棄物,而核能發電僅會產生20立方公尺體積的固體廢棄物,這顯示使用其他能源並不一定環保。

建立核能發電廠需要比煤炭發電或天然氣發電更大的資本,這是因為核能需要建立完善的系統以避免放射性物質擴散;如果化石燃料電廠也要建立一套防止環境污染的系統,其所需要的資本將會顯著的高於核能電廠的成本。另外,在精密的防範控管下,若有放射性物質也是微量程度,並沒有醫學證實微量的放射性會使人類致癌機率增加。

其實,核能發生意外的機率是微乎其微的。在日本所發生的意外並未對大眾造成死亡或傷害,至於車諾比輻射外洩事件肇因於人為的操作錯誤,該反應器本身的設計也有問題,該設計在目前的西方國家是不可能通過的,該事件造成了部分人員和環境的傷亡。暴露在原子塵中的烏克蘭兒童罹患甲狀腺癌;至少800個病例被診斷出來;超過數千人受害,雖然這些疾病都是可以治療的,但是仍有三名孩童死亡。LNT研究報告計算結果顯示,車諾比地區的居民和清潔人員有3,420人後來死於癌症。車諾比原子反應器缺乏封閉性的設計,然而這樣的設計在西方國家是最基本的安全系統。災害過後的計算結果顯示封閉性的結構設計可以遏止輻射外洩,也就不會造成任何的傷亡。

即使在最嚴重的核電意外中,該數字相較於其他工業的重大意外仍算是相當低的。就工業災害、對環境的損害、對健康的影響、長期風險而言,超過40年的核能電廠操作經驗比其他化石燃料系統更為安全。

 

機器中的魔鬼

絕大多數用在核能反應爐裡的鈾是具有惰性而不活潑的,這種不易分裂的成分不易使用於武器製造上。然而,運作中的反應爐會增殖易分裂的鈽,鈽可以使用於炸彈核武中,也因此核子力量的商品化已引起大眾對武器擴張的憂心。在1977年,美國總統卡特無限延期「使用過的核燃料」再回收利用的辦法,此項決定增加了使用核能的風險,美國核能不再回收再利用,儘管這項回收會降低核子反應的速度,減少核能的浪費,延長核燃料的供應長達數千年。其他國家對這項決定的風險進行評估,並決定不跟隨美國做同樣的決定。例如,法國與英國對現行使用過的核燃料再加工利用;蘇聯正儲備燃料與推廣鈽的再利用;日本正實驗使用再生鈾與鈽的混合氧化物(MOX)燃料在其反應爐中,且預計在2007年全部百分之百使用這種新的混合燃料(MOX)。

儘管動力反應爐所產生的鈽理論上可以被用來製作核子彈,但是使用過的燃料是耐火且具有高度放射性,而且無法被恐佈份子拿來生產。從反應爐等級的鈽所產生的武器是不穩定的而且不確定能夠被生產出來的。印度從加拿大的重水反應爐及雙重用途的反應棒(鈽棒)偵測器中萃取出可製作武器的鈽。但在英國或法國的加工廠或是能源裝載廠中,沒有鈽再被轉來製造武器,國際原子能機構的檢查有效的防止這類轉換用途的情形發生。國際原子能機構做出結論表示,核子武器擴散的風險永遠存在即使核能發電已經不存在,該機構仍持續努力防止核武擴散。

諷剌的是,將使用過後的核燃料加以掩埋將會增加長期核能擴散的風險,廢核燃料中較不易分裂及更具放射性的同位素在經過一至三個世紀衰減後將會更增加在廢核燃料中所含鈽元素的爆炸性,且使其在使用於武器的用途上更具吸引力。除了不斷擴展世界上鈾的產量外,循環再利用在將鈽元素分裂為較短生命週期、無放射性及不具威脅性的核廢料的同時,可將其轉換成有用的能源。

數以百萬噸計的以幾十億美元製造出來武器用的鈽元素,在過去十年中已成軍隊中過剩的裝備。與其將其中過剩而令人擔心的鈽元素加以掩埋,不如將其回收成有價值的能源用途(正如美國華府所建議的)。一個國際性的再生及管理系統能夠防止隱藏性的擴散。在Los Alamos國家實際室中的Edward ArthurPaul CunninghamRichard Wagner三位學者想像這個系統能夠結合國際的監測鈽元素分離成動力反應爐中氧化燃料的過程,在長期而言,此種以先進且經整合過的材質所加工製造的反應爐將可處理全世界的核燃料,使這些燃料成為生命期限短且可長期儲存在地底下的核廢料。

 

新新事務

一項新產生的能源計畫(與天然瓦斯相較,較具安全性且可輕易的掌控)將必然會為那些缺乏核能設施的開發中國家提升核能所帶來的經濟利益。南非的Eskom指出,以氣體冷卻的水晶反應爐不需要核冷卻的動力與完全熔化,其為一項先進的設備,並且預測該反應爐所需的成本,每千瓦小時僅需1.5分美元,遠比瓦斯所產生的電力成本要來得低。美國麻薩諸塞州科技組織與艾達荷州「國家工程及環境研究室」研發出相似設計的反應爐以處理在產生氫氣與去鹽作用過程中所產生的高溫問題。

石油在現今大多用於交通運輸的應用上,但是其內部的氧化燃燒之發電器已經被提煉到極限了,若要更進一步改善交通污染只有放棄以石油製造的交通工具,致力研發無污染性的動力系統汽車。機動車中的在充電電池其實也不環保,其只將污染從汽車轉移到集中性高的能源上(除非這種集中性高的能源是核能)。為解決污染問題,新開發的商品燃料電池或許是一個較好的方式,因為燃料電池直接以氣態或液態燃料來發電,其易方便補給燃料。當以氫氣來運作時,燃料電池所產生的廢料僅是「水」。而且氫氣可由「水」分解獲得,因此不難想像這項發電設備能達到最低限度的污染。核能電力可以多方面的應用在日常生活中。因此,燃料電池使用天然氣體產生電力將會顯著地降低污染。

 

能源的未來發展

為了滿足世界能源的需求,Royal Society Royal Academy 建議可組織一研究機構,該機構研究的重心在於核能的議題,與建立一個全球性的核燃料儲存場與加工系統,並提供核能發電系統專業技術給發展中國家。

三位研究能源技術動力學的學者 (Arnulf Grubler, Nebojsa NakicenovicDavid Victor) 指出世界上大部分的國家對於電力的要求急遽增加。回顧過往,人類用來發電的能源從含碳量高的煤炭,轉為含碳量低的石油及天然瓦斯,因為碳對環境污染較為嚴重。然而核分裂之後所產生的物質卻完全不含碳,可以說比前面幾種能源還要環保。總而言之,核能電力是安全、環保的,它並非是一個問題,而是解決能源危機最好的辦法。

(本文轉載自89/11/08中央日報第六版)

來源Foreign AffairsISSN 00157120, January/February 2000, Volume 76Number 1. Published in six times annuallyJanuary , March, May, July, September, Novemberat 58 East 68th Street, New York, NY 10021.

原作者Richard RhodesThe making of the Atomic Bomb(原子彈的製造)及 Dark Sun(黑暗太陽)等書之作者

Demis Beller-核子工程師以及美國阿拉摩國家實驗室之技術人員

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