核燃料的前世今生：關於鈾、鈽與釷那些事(二)

日本研發生敗的文殊滋生式反應爐，1995年完成，2017年除役，運作時間不足100天。只能希望下一個會更好。(圖/IAEA)

1934年，美國科學家費米(Enrico Fermi)與德國奧圖‧哈恩(Otto Hahn)，各自進行了中子撞擊鈾的實驗，他們原先的目的是要尋找鈾之後的元素，不過沒有成功，卻證實了核分裂。不過到了1940年，柏克萊大學的西伯格(Glenn Theodore Seaborg )與麥克米倫(Edwin Mattison McMillan)，利用氘核撞擊鈾，成功找到了2種新元素，分別以海王星(Neptune)爲名的鎿(Neptunium)，以及以冥王星(Pluto)爲名的鈽(Plutonium)。

自此，像是鈾238這種，可利用粒子撞擊形成別的核分裂物質的，就被稱爲「可增殖元料」(Fertile material)，這意味着它們可以在吸收中子以後，間接地形成核燃料，也就是鈽239，這就是下一代核反應爐「滋生式快中子反應爐」的原理，在理論上，現有的用過核燃料，都由用這樣的技術重新核反應繼續發電。

第1個核武器裝置「小工具」，它是實驗覈武器威力的，所以不需要外罩與彈翼那些東西。它的外表圓胖胖的，是以濃縮鈽爲核心。(圖/美國國會圖書館)

投在廣島的小男孩原子彈，以鈾235爲核，採用槍式引爆，外表比較長。(圖/美國國會圖書館)

投在長崎的胖子原子彈，它也是鈽239爲核心，外表圓胖，與小工具類似。(圖/美國國會圖書館)

鈽最早的用途也是核武器，曼哈頓計劃期間，在分離與濃縮鈾235的同時，也利用上述提到的增殖技術，在增加鈽239的數量，而且科學家還計算出來，要達成起爆最小核武器的程度，鈽239僅需15公斤就夠了，比鈾235的50公斤還少的多，因此鈽原子彈的製作難度相對較低，1945年7月16日在新墨西哥州的「三位一體核武實驗」(Trinity nuclear test)，第1枚核武裝置「小工具」(The Gadget)就是鈽原子彈，而投放到長崎的「胖子」原子彈(Fat Man) 也是鈽原子彈。

還是把重點放在和平用述。與鈾235相似，鈽239也是合適的核能發電材料，事實上，在覈反應爐研發的早期，科學家擔心鈾元素中，比例只有0.72%的鈾235可能會不夠使用，因此在1946年，美國愛達荷國家實驗室(Idaho National Laboratory)的人類第1座核反應爐EBR-I，就是使用中子滋生式的，它以鈾238爲增殖材料，持續產生鈽239再進行核反裂反應。在1951年12月20日，正式運轉時，它產生的電力點亮了4個燈泡，象徵人類進入核電時代。

世界第1個核子反應爐EBR-1，它以鈾238爲增殖材料，持續生成鈽239進行核反應，成功推動渦輪點亮燈泡。(圖/美國愛達荷國家實驗室)

快中子滋生反應意示圖，鈾238被轉化成鈽239，由鈽239進行核反應，整支核燃料能夠被充分使用，從反應開始到燃料耗盡，至少80年。(圖/網路)

其實理論上，由於中子滋生式可以將鈾238增殖成鈽239，再進行核反應，因此鈾燃料的潛力可被充分利用，其燃料使用效率會比現行的低濃度鈾235，要高出10倍，大概填充一次燃料，就能運轉80年而不必再更換燃料，如果目前地球上已累積的用過核燃料被充分利用，大概可以使用1千年不虞匱乏，徹底解決人類的能源問題。

不過，快中子滋生反應爐的技術難題不少，EBR-I在運作4年後(1955年)就因燃料夾具太厚，冷卻不足而造成爐心熔燬。到了1966年，密西根州費米核電廠的「費米1號」( Fermi 1)滋生式反應爐也出現部分燃料熔燬的問題，雖然美國核管理委員會表示，沒有異常放射性釋放到環境中，但是這也顯示了快中子反應爐的技術困難。另外世界第1艘使用鉛鉍冷卻式快中子反應爐(型號KT-1)的核潛艦-蘇聯K-27號潛艦，雖然在試航時達成新的航行速度紀錄，但是卻在1968年5月 24日發生輻射泄漏，144名艦員，有9人死於輻射中毒，被稱爲「水下車諾比」事故，由於該事件沒有像K-19那樣被拍成電影，所以較不爲人知。

日本在1995年完成的文殊快中子反應爐電廠，也因數次的鈉冷卻劑導致失火，長期停爐沒有真正運作過，在2017年宣告退役。

並且濃縮鈾的技術在之後也更爲進步，意味着鈾235的供應無虞，不需擔心枯竭，於是美國海軍上將李高佛決定先停止快中子反應器的研發，專心在慢中子反應器的優化，這也使得現在的商用核反應器絕大多數都是使用低度鈾235，每18個月需要更換燃料的類型。

李高佛的遠見是有道理的，但是留下一個後續問題，就是用過的核燃料會累積的愈來愈多，並遭到羣衆團體的炒作成爲反核運動主要抗議的目標。因此快中子反應爐在近十年以來再次被提及，包括比爾蓋茲的泰拉動力(Terra Power)所研發的行波式反應爐(TWR, Traveling wave reactor)，目標也是將用過核燃料充分利用。

如今核能科技比以往更進步，新的儀控與管理系統也有助降低事故的發生，因此許多核電支持者相信，這一次快子中反應爐強勢歸來，可以達成商用化的目標。

其實，在快中子反應爐還沒完成的現在，已經有一些摻有鈽元素的核燃料在使用中，這就是MOX燃料，全稱「混合氧化物燃料」(Mixed oxide fuel)，這種核燃料混合了部分再處理鈾與較高濃度的鈽，使得反應爐裡既有慢中子反應，但也有少部分的快中子反應，熱效率與反應效率也更好。在歐洲大概有30座核反應爐使用MOX，日本玄海核電3號機、高濱3號機也是使用MOX燃料。

除了鈾，以及相應生成的鈽以外，最近十幾年還有第3種核燃料的可能被提出，就是「釷燃料」，釷在地殼中的丰度比鈾來的高，更沒有匱乏的問題，因此有一種看法認爲，釷燃料纔是核電技術的希望，是否真是如此？下回揭曉。(待續)