319期
2022 年 10 月 26 日
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《能源系列報導》
從零開始認識核能發電:核廢料處理
王欣一/北美智權 專利工程師

相信「核廢料」這個名詞會讓一般民眾產生特別的恐懼與不安的印象。可能是誤以為「核廢料」是一種「核彈的相關廢料」,才會把「核廢料」認為是會爆炸的可怕東西;或是誤以為「核廢料」就會產生核幅射,會對人體造成嚴重傷害。因此,本文就「核廢料」的本質,基於科學的事實,並參照法令加以詳細說明以正視聽。

人類歷史發展總離不開能源變化。過去幾世紀以來,人們經由從地殼取得的石化燃料,開始了工業革命。之後,又靠蒸汽推動發電機產生電,使得文明迅速發展。但化石燃料等非可再生能源,也帶來廢棄物和許多環境汙染的問題。而其不可再生的本質,又會造成資源枯竭的問題。想解決問題,就必須尋找新的能源。雖然太陽能、風能、水力發電等發電方式不僅是可再生的清潔能源,且污染程度又小,但往往受自然條件限制。除了地理條件得天獨厚的國家(如冰島)外,並不是主要的發電方式。

比起石化能源,核能似乎更受青睞。核能發電時不會向大氣排放大量難以回收的二氧化碳,且能量密度高,利用效率也高;不少國家,例如法國與鄰近的日本,都建設有核電廠,但幾乎都是利用核分裂發電。核分裂發電的反應爐的放射性物質廢物與發電時伴隨的廢熱,一直都是不容忽視的問題。

自1950年代第一座核反應爐問世以來,核廢料一直是世界核能爭議的關鍵問題。除了再生能源(如水力、風力、太陽能)外,發電廠在產生電力後都會產生發電廢棄物。例如,天然氣發電或是燃煤發電,在發電後會產生大量的二氧化碳。另外,依據燃料的純淨程度,燃煤發電也會一併產生二氧化硫或懸浮性微粒,造成空氣汙染。像是臺中火力發電廠造成的PM2.5的空汙問題,一直是鄰近縣市的空氣汙染的一大主要來源。

核廢料是什麼?

不只核能發電廠會產生核廢料,醫療或者是實驗用途亦會產生所謂的「核廢料」,包括核子醫學科的各種放射線藥劑、放射腫瘤科用來治療的放射性金屬。也就是,只要醫院的核子醫學科持續服務病患,核廢料就一直產生。

一提到「核廢料」,相信這個名詞會讓一般民眾產生特別的恐懼與不安的印象。可能是誤以為「核廢料」是一種「核彈的相關廢料」,才會把「核廢料」認為是會爆炸的可怕東西;或是誤以為「核廢料」就會產生核幅射,會對人體造成嚴重傷害。因此,本文就「核廢料」的本質,基於科學的事實,並參照法令加以詳細說明以正視聽。

一般見諸於媒體的「核廢料」,實際上是「放射性廢棄物」的稱呼。依照2002年12月25日公布的「放射性物料管理法」第4條,其中定義放射性廢棄物為:「指具有放射性或受放射性物質污染之廢棄物,包括備供最終處置之用過核子燃料」。

另外,「放射性物料管理法施行細則」第4條,又將放射性廢棄物分類為高放射性廢棄物、及低放射性廢棄物兩類。因此,在法規上確實有將所謂的「核廢料」明確分類為高放射性廢棄物、及低放射性廢棄物兩類。在此,為了簡化說明,本文將高放射性廢棄物簡稱為高階核廢料、低放射性廢棄物簡稱為低階核廢料。這種分類的方式,可以說是依據其輻射量高低對人體造成的影響程度而定,另一說是依據其來源而定。

高階核廢料或低階核廢料是什麼?

俗稱低階核廢料的低放射性廢棄物,多半來自一些放射性作業、醫療、工業還有學術研究單位,在因應業務使用放射性同位素過程中所產生的輻射廢棄物、或是實驗用輻射廢棄物等。低放射性廢棄物又可概分為濕性廢棄物與乾性廢棄物兩種,或是可燃廢棄物及不可燃廢棄物兩種。低放射性廢棄物主要來源是在核能電廠的設備維修或改善工程、以及清潔與輻射防護,受到輻射汙染過的物品。因為有可能沾染到低程度的放射性元素,故稱為「低放射性廢棄物」。像是廢棄液體、廢液濃縮液、以及反應爐系統所產生的殘渣等濕性廢棄物;或是因為維護、除污、輻射防護的作業,或運轉過程中受放射性物質污染所產生的廢棄物質、廢棄工作服、廢棄工具、廢棄零組件與廢棄設備等乾性廢棄物。防護衣、塑膠、手套等歸類為可燃性廢棄物,工具、零件等歸類為不可燃性廢棄物。另外,在核能電廠運轉終了時,各項廢棄核設施拆除過程中所產生之廢棄物也被視為是一種低階核廢料。

俗稱高階核廢料的高放射性廢棄物,是指核能發電廠中使用過的核燃料棒。高階核廢料是貨真價實和反應爐有關的東西,它是經過核衰變、發過電之後所剩下來的東西,因具有高放射性所以被分類為高放射性廢棄物。

廢棄物不是已經發過電了,為什麼還有放射性?

《從零開始認識核能發電:核反應爐之建置及運作 》一文中提過,核能發電原子爐使用核燃料棒的發電方式,主要是利用其中的鈾-235原子,吸收中子後引起核分裂的放熱反應。核分裂反應除了產生大量的熱能與游離出來的中子等放射線之外,還一併產生多種核分裂後的較輕原子核。所以原子爐內的多種放射性元素,成為核能發電污染的來源。不同的放射性元素的形成原因可分成核分裂直接產物、中子活化的產物、或是因鈾-238衍生的超鈾元素。

如何處理低階核廢料?

如果是濕性廢棄物或是不可燃性廢棄物,目前皆採與水泥裹覆後固化的方式處理;而乾性廢棄物或是可燃性,目前以焚化或壓縮方式處理。焚燒可燃性廢棄物或是壓縮非燃性低階核廢料,都可以顯著減少體積。以低階核廢料來說,經過焚化壓縮、離心處理後,廢棄物會混入凝結水及水泥。固化廢棄物是第一層防護,目的是讓廢棄物更加安定、接著裝入廢棄桶是第二層防護。之後將廢棄物放到暫時儲存場的混凝土壕溝中是第三層防護。最後再移入最終處置地點的坑道中。

廢棄物經過焚化、壓縮或固化處理後,再以強化的鍍鋅鋼桶盛裝,暫存於核能電廠之廢棄物貯存庫內。最後廢棄物再送往最終處置場處置,好與人類生活環境永久隔離。核能發電不會像燃燒石化燃料那樣,產生數以萬噸計的二氧化碳氣體,因為難以固化所以只能盡數排入大氣層中。燃燒石化燃料不但造成溫室效應,對地球的氣候造成長期的影響,燃燒石化燃料還會進一步酸化海洋,對於水中生物的生存或繁衍皆造成長遠的傷害。

如何處理高階核廢料?

高階核廢料與低階核廢料由於性質迥異,因此處理方式並不相同。高階核廢料雖然已經大致耗盡其燃料而不再適用於核能發電,但核燃料棒在退出反應爐的初期,仍然會因為核衰變產生大量熱能而導致其溫度相當高,所以用過的核燃料棒需要經過三個處置階段。首先,將用過的核燃料棒靜置在核子燃料池內,用循環冷卻水來快速移除熱量的初步冷卻,稱為濕式貯存。之後當發熱的效率降至夠低時,便可取出改為乾式貯存。乾式貯存的存放時間為40年以上,以自然循環空氣移除殘餘熱量繼續降溫。用過的核燃料棒最後再移至至少幾百公尺深的地下最終處置場,隔離靜置。由於最終處置場的存放時間非常長,場址的地質篩選條件相對也相當嚴格,芬蘭就有自己的一套解決方案。

從以上客觀事實陳述可以了解,在臺灣,核廢料的實際名稱為「放射性廢棄物」,因為不是來自核子性武器,所以絕對與核彈無關。又已經大致耗盡其燃料,故也不會爆炸和燃燒。

低放射性廢棄物因為已被水泥固化後再封存於鋼桶內,深埋於地下,其封存工程就具有多層防護放射性物質外洩的功能。

總之,目前人類已有相當完善的技術,可準確量測輻射量,並積極努力將核廢料妥善加以處置與管理,以將其有效隔絕於人類的活動範圍外。現階段國內所遭遇的困境,惜超越科學層面,而遭到地方政府與民眾反對。惟有持續強化公眾溝通,取得共識與認同,才能有所突破。

因此在臺灣,核廢料的存放地點,每隔一段時間就會引發爭議。我們不妨可以借鏡別的國家的作法,看看他們是如何擁抱核能又不為其所傷。

許多國家都聲稱要廢核,但仍有許多國家繼續選擇核能帶來的便利生活。據媒體科技新報(TechNews)的報導,如果從芬蘭的經驗來看,在新核電站上線後,核電將占芬蘭全電力四成以上。芬蘭之所以擁抱核電,原因是有辦法安全地處理核廢料。芬蘭放射性廢物管理公司Posiva Oy已提交廢燃料封裝廠和最終處置設施的營運許可證申請,若順利通過,芬蘭地下核廢料儲存庫將是世界首例。

芬蘭的核廢料何去何從?

現在許多國家都沒有處理核廢料的長遠計畫,但芬蘭已經有所突破。芬蘭科學家已在地底約430公尺處,建設構造類似螞蟻巢穴的坑道,每條坑道都設計成死巷。用過的燃料棒會先在地上的水池冷卻數十年後,再由機器人運送到坑道底部。用過的燃料棒在此預計得以保持數萬年不受干擾。

多重阻障是核廢料封存的重要手段

為防止輻射外洩,核廢料在儲存與最終處置時需要採取多重阻障的概念,也就是透過層層包裹,將廢棄物隔絕於人類生活圈之外。

對於高階核廢料而言,目前沒有比像芬蘭的螞蟻巢穴這類永久深層處置場更好的解決方案了。這類永久深層處置場,能將有害的固體廢棄物在一定的時間內封存起來,而不會像石化燃料的廢棄物那樣只能任其在大氣層中堆積。這種方法能順利進行,原因不在芬蘭科學家的地質和工程能力特別突出,而是在選址過程、政府結構及對機構和專業知識的信任文化。

芬蘭最新核電廠大幅緩解能源短缺問題,一項民調顯示,有60%的芬蘭人支持核能,創下歷史新高。瑞典政府最近也批准核廢料地下存放計畫,還在等待瑞典環境法院批准。若能順利通過,屆時這兩個國家將成世界最早對核廢料負責的國家。

日本核廢料 儲存青森縣經驗可借鏡

最近日本又再次決定重啟核能發電廠,準備重新擁抱核能,享受核能帶來的好處,並繼續與核能共存。日本全國的核電廠,十幾年前就找到安置核廢料的地點、全部集中在青森縣的一個小村落。由於青森縣的六所村地質結構具有良好承載力,同時透水性相當低,加上緊鄰太平洋的丘陵地形,中選成為日本存放核廢料的地點。

怕輻射,不如先補腦

由於上述的核廢料選址存放的問題,「核廢料放你家嗎?」變成一種核能爭辯中常見的話術。在科學面前,不需要一些煽動式的民粹口號,而是需要基於科學的事實論述。核廢料放我家真的沒有問題嗎?時報出版的《怕輻射,不如先補腦》中如是說。其實,這種說法是完全沒有意義的。就2002年12月25日公布的現行法規「放射性物料管理法」,核廢料處理必須使用金屬加上混凝土做一個「乾儲桶」進行輻射屏蔽,讓乾儲桶外部的輻射劑量符合「每年不得超過0.25毫西弗」的輻射防護法規,在這個符合法規的前提之下,是可以高枕無憂的。所以說,「不管核廢料放誰家」本身都是一個利用無知恐懼所製造出來的假議題。

《怕輻射,不如先補腦》一書中又提到了一個很好的觀念,對一個科學家而言,所謂的「正反兩面」並不是等重的。事實上,在科學的領域中,我們不能只看單一研究的結果,必須要從數以萬計的研究論文中,以客觀的角度抽絲剝繭才能歸納某個特定現象可能的面貌,這也就是為什麼我們通常認為國際性大組織所提出的報告較為可信,因為那些報告都是全世界最專精的專家學者,埋頭檢視現有的科學證據所整理出來的結論。因此,正反意見未必能夠等重地放在天平的兩端。

放射線的缺點,各大媒體已經常報導,一般民眾都已非常了解。但核能的優點,一般民眾往往是身在福中不知福。幸運的是,時至今日,經過了無數的科學實驗以及一些核子事故的經驗,我們已經非常了解放射線,好比說輻射劑量對我們的健康有怎麼樣的影響、要怎麼防護才能讓我們安全無虞、哪些東西會產生放射線…等等。最關鍵的是,我們需要專家來處理這些問題。從科學的角度來說,只要核廢料的封裝合乎法定標準,便不會對人體造成傷害。

 

延伸閱讀:

  1. 《能源系列報導》為什麼多國決定重投核電懷抱?
  2. 《能源系列報導》從零開始認識核能發電:核反應爐之建置及運作
  3. 《能源系列報導》從零開始認識核能發電:優點及應用
  4. 《能源系列報導》從零開始認識核能發電:核融合的挑戰

 

參考資料

 

作者: 王欣一
現任: 北美智權 專利工程師
學歷: 國立臺灣大學化學研究所畢
專長: 化工、化學、材料、半導體、有機合成

 

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