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Economist Mar 10th 2012

核子時代於70年前,芝加哥的一座壁球場開始,一個人拿著斧頭小心翼翼地守著。一個由費米(Enrico Fermi),自伽利略後義大利最偉大的物理學家,所領導的團隊,花了數個星期,建立了一個「核反應堆」,將鈾塊及石墨磚構成經過精心計算的幾何槽,透過用鎘製成的「控制棒」來調整。壁球場是當時大學校園裡唯一夠大的空間。1942年12月2日反應堆已經建構地夠大,能夠在從爐心抽出控制棒的情況下進行核子反應。

拿斧頭的人是怕反應失去控制。如果失去反應,他將會砍斷繩索,讓主要的控制棒插入反應堆,吸收驅動反應的中子、回復到穩定狀態。就像許多費米其他的點子一樣,有簡單的魅力。今日每個商業運轉的核能反應爐都有控制棒預備著,可立即終止反應,這個程序叫做急停(SCRAM) — 以紀念當時芝加哥的持斧者(safety control rod axeman)。

第一次沒出任何差錯,當其他的控制棒機械性地撤回,輻射計數器數值就升高。費米證實他的團隊已經展示了真正的連鎖反應後,感到滿意,將控制棒重新插入。開了一瓶基安帝(Chianti)酒慶祝。一通加密電話直通國防部的研究委員會主席,告知「義大利的航海家已經抵達新大陸」。持斧者也放下了斧頭。

第一座反應爐所產生的能量相當微小:只有半瓦。以熱形式來看,現在最強大反應爐所能產生的能量,是當時的一百億倍,而這些能量的大約三分之一能轉換成電力。五百萬瓩這個數量不是很好理解,換算成今日的能量,大約是六個摧毀廣島的原子彈所釋放出之能量。試想這些能量產生的過程,是將約當幾座游泳池的水,加熱至約沸點三倍的高溫,鋼管內的高壓,約當海底一哩深的壓力,你就對現代反應爐天殺的奇蹟有些概念了。

如果在萊特兄弟首次成功起飛的70年後,飛機的續航力是一開始的十億倍,那飛機就可以繞地球幾千圈,飛上幾個世紀;如果速度快了十億倍,就可以跟光速對跑。即使是電腦產業發展要因的摩爾定律速率(積體電路上可容納的電晶體數目,約每兩年便會增加一倍),也需要花上60年才能到達十億倍。

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但這樣的比較有些太奉承核能科技了。萊特兄弟希望他們的第一次飛行,能越快越遠越好;而第一個反應爐所要做的事情,是以最小最安全的方式來做。在費米示範第一個經控制的連鎖反應時,要摧毀廣島跟長崎的那兩個未經控制的反應已經在計畫中了。能產生數百萬瓦熱能的反應爐設計就在費米同事的繪圖板裡。核能並沒有如航空業或是電腦業一樣,在幾十年的時間中都穩定發展。它綻放地很快,然後就很奇怪地不動了。

最早先,拿反應爐來發電並不是優先選項。曼哈頓計畫 — 在費米成功後不久,戰時的核武計畫開始玩真的 — 原本是這個專案的唯一目的:製造炸彈。核子連鎖反應,無論是用在反應爐還是核彈,都是來自於重原子經過撞擊後,產生的中子,不斷去進行的「核分裂」。費米反應爐的核分裂是某種特殊類型,或說是鈾235的同位素。自然界的鈾裡面,可以進行核分裂的只有這種鈾235,僅有0.7%。這對費米的反應爐並不是問題。加上石墨做為緩衝劑,可減緩中子速度,讓其他原子核更好分裂,連鎖反應就能在核分裂很稀有的情況下,仍得以進行(譯按:用白話來講的話就是因為中子的速度太快,不利撞擊,要讓反應持續,中子的速度反而必須靠石墨等緩衝物減慢)。炸彈則不是需要緩衝的地方:要做一枚核彈,你需要一個幾乎全都是鈾235的核心。而因為要析出鈾235是極度困難的事情,曼哈頓計劃的物理學家們,當時並沒有信心能提供一顆核彈所需的量。

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這創造出對可裂物料(fissile material)其他來源的需求,而反應爐適時提供了。當中子撞擊一顆非可裂解的鈾原子 — 這佔了絕大多數 — 會將其轉變成一個新的元素:鈽。鈽原子可裂解,且從原本就在反應爐裡的鈾中取得鈽,比析出鈾235簡單多了。所以反應爐也可以當成鈽工廠,且早期的反應爐也只為了這個目的存在。到了50年代中期,英國跟法國有些反應爐也拿來發電;反正這些反應爐都需要冷凝,拿冷凝所產生的水蒸氣來發電,也可做好公關。但當時反應爐的主要作用,還是為了核彈準備燃料。

Rickover's killer app
李高佛的殺手app

今日幾乎所有核電廠的血統都不同。而一位令人敬畏的美軍潛艇將領李高佛(Hyman Rickover),看到核電廠裝在潛艇上的利基。柴油潛艇需要藉由通氣管跟空氣接觸;而核子潛艇可以在水面下待上無限久的時間。但以石墨做為緩衝器的反應爐,對潛艇來說不夠簡潔。李高佛最後使用了一座空間上較輕巧的反應爐 — 壓水式反應爐,利用輕水同時作為緩衝劑跟冷凝劑。在許多方面來講,都是不太好的妥協方式。即使在高壓的條件下,水也沒辦法在加熱超過350°C後,仍以液態的形式存在。這會限制能量轉換的效率(在這種情況,越熱能量也要越高)。一般的水也不是非常好的緩衝劑。如果是含有氫同位素的重水,作為緩衝劑的效果會好些,但果是一般的輕水,那就不太好。

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為了彌補緩衝不良的情況,輕水反應爐需要純度更高的鈾235。這邊的鈾並不需要到達跟核彈一樣高的純度,但拿來提高鈾純度,以應用在輕水反應爐的濃縮系統,幾乎都可以拿來提煉核彈等級的高純度鈾。這也是伊朗僵局的技術基礎,他們聲稱他們的濃縮系統只是拿來用作反應爐的燃料,沒人相信。其他種類燃料/緩衝劑的組合,也可以使用未經濃縮的鈾、不會製造出鈽之類的廢棄物,因此可以很清楚地辨認武器用跟發電用的差別。但這些無法作為60年代潛艇的動力。

在50年代早期,核子物理學家大多不會對輕水反應爐的潛力感到興奮。在核子年代的第十年,他們已經知道許多燃料、緩衝劑(也有不需要任何緩衝的設計)的種類,以及如何從反應爐取得熱量。他們對可同時消耗鈽、製造出鈽的「中子增殖反應爐」感到興奮,美國在1951年首次建造了這樣的反應爐。製造的前提是,如果能利用核子神奇的自我生產燃煤能力,那就真的是核能「經濟」學了。對中子增殖反應爐的迷戀持續了數十年,俄國、英國、德國、印度、中國、法國、日本跟美國都有建造過。但這樣的原子爐最後被證明,用在商業用途上的吸引力不太夠,畢竟這個世界看起來有足夠的鈾。(議按:這種反應爐的好處,就是可將原本無法進行連鎖反應的材料,變成可以使用的材料。如果鈾不足,這樣的反應爐自然很有吸引力。)

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1952年製造核彈的科學家們,也利用核融合的技術,讓核彈的威力大上數倍。核融合就是將較小的原子核結合,而非去裂解較大的原子核。想將這樣的原則應用在反應爐上的聲音立刻興起,但60年過去,研究仍在持續,也花了很多錢,但還沒有任何商業可行性的前景。

Make mine a PWR
作個壓水反應爐給我

當時的海軍並不需要令人興奮的點子;他們需要的是,利用可行技術的潛艇動力。李高佛擁有天才般的組織能力,得以建造工業基地打造反應爐、挑選訓練海軍的工程師來操作反應爐、同時灌輸幹部一絲不苟的安全觀念,不讓反應爐失控。在李高佛的指導下,美國的工業界也習得如何生產壓水式反應爐,盡而成為供電設備。因此隨著60年代的增長,壓水式反應爐便成為美國核電界的主流。而沸水式反應爐 — 一樣用輕水緩衝,但效率較低、不適航,但某種程度上較簡單也較安全 — 則提供了另一個選項。沸水式反應爐所提供的動力,佔了全球核電產能的21%,但這個數字有被刻意減少。與其說是因為福島事件採用此機型(舊型的壓水式反應爐,也不見得就會比較好),還不如說曾採用此反應爐的國家,無論規模大小,都沒甚麼興趣增建新廠(美國),或甚至都沒了(德國跟日本)。採用壓水式反應爐的數字,也因此而增加到68%,其他種類的技術則遠遠被拋在後。

這樣的同質性,在已經高齡70歲的高科技產業中,是不太尋常的。在萊特兄弟首航的的70年後,戰鬥機的速度已可以比音速快三倍、火箭可以送人類到月球、客機隊一天可以載送成千上萬的旅客、直昇機可以停在摩天大樓的頂樓。加上無人機的話,航空機的飛行時間,已經可以比萊特兄弟的首航久上數十億倍了。但航空機能有如此的發展跟演化,歸因於許多工程師團隊的努力,得以較廉價地開發。預估20年代跟30年代約有10萬種類型的航空機在試飛。

而另一方面,發展核子反應爐,從來就不是那種巡迴演出的實驗。部分原因是因為其風險,以及跟核彈科技的連結。且當人們可以利用飛機來做許多事的時候,可以拿反應爐來作的事情,大概就是提煉鈽來作核彈、當潛艇的動力源、醫學用的同位素、發熱發電等。而只有最後一項是大生意,且很容易用其他方法取代。所以選項就越來越封閉、雞蛋只能放在同一個籃子。這個世界幾乎是看著反應爐問世、規模化、加大尺寸及測試以滿足自身需求。而這麼多年過去,這個世界認為,我們不需要跟持斧人一樣小心。

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