文 /安康高中 朱晉杰（小豬老師）

首先，為這次日本大地震的受災災民祈福，希望他們能早日重建與走出陰霾，但因為這次伴隨而來的核子危機，實在令擔憂，小豬老師希望藉此文帶大家來認識神秘的核子世界，先來看背景資料： 

東北地方太平洋近海地震（日語：東北地方太平洋沖地震）是2011年3月11日14時46分（當地時間）發生於日本東北地方外海三陸沖區域的一次矩震級規模9.0大型逆衝區地震。

震央位於宮城縣首府仙台市以東的太平洋海域，震源深度測得數據為24.4公里（15.2英里），並引發最高10米的海嘯。

此次地震是日本有觀測紀錄以來規模最大的地震，引起的海嘯也是最為嚴重的，加上其引發的火災和核洩漏事故，導致全國性的地方機能癱瘓和經濟活動停止，東北地方部份城市更遭受毀滅性破壞。

福島第一核電廠事故（日語：福島第一原子力発電所事故）是2011年3月11日日本宮城縣東方外海發生矩震級規模9.0級大地震後所引起的一次核子事故，福島第一核電廠因此次地震造成有爐心熔毀危險的事故。

日本內閣官房長官枝野幸男向福島第一核電站周邊10公里內的居民發布緊急避難指示，要求他們緊急疏散，並要求3公里至10公里內居民處於準備狀態。他表示：「因為核反應堆無法進行冷卻，為以防萬一，希望大家緊急避難。」接到指示後，福島縣發出通報，緊急疏散輻射半徑20公里範圍內的居民，撤離規模為14000人左右。

日本經濟產業省原子能安全保安院於3月12日表示，福島第一核電站正門附近的輻射量是通常的70倍以上，而1號反應堆的中央控制室輻射量已升至通常的1000倍。這是日本首次確認有放射性物質外洩。

3月13日，3號機貌似也可能發生部分爐心熔毀。根據東京電力公司當地時間1pm通訊，發生化學爆炸的1號機注入海水與硼酸，這是為了要冷卻與阻止進一步核反應。由於反應堆安全殼的氣壓過高，3號機已經排氣。之後，為了要吸取中子，又灌入含有的硼酸的水。

雖然核反應堆安全殼內的氣壓很高，2號機的水位也比正常低，由於冷卻系統仍舊能夠將水注入，水位相當穩定。同日日本核能研究開發機構宣布，依照國際核事件分級表，將福島事故分級為第四級核事故。

政府官員談到爐心熔毀的可能之後，大約170,000–200,000名居民已被疏散至安全地區。而法國則認為問題比日本官方宣稱的更嚴重，是第六級事故。

3月14日上午11點01分，3號機也因同樣問題而導致氫氣爆炸，相關單位隨後發出通報，附近方圓20公里內600多位居民全部室內避難。

3月15日清晨6時10分，2號機組反應堆的控制壓力池損壞，而引發爆炸，而4號機組發生氫氣爆炸導致了火災，相關單位隨後要求廠房半徑20公里範圍內所有人撤離，30公里內範圍內的人留在家中，並將此區空域發布為無限期區域禁飛令。

3月16日，福島第一核電站內處理危機的工作人員全部撤離現場，實行暫時的避難。

面臨這樣子的核能發電廠危機，小豬老師用Q＆A的方式帶領大家來檢視這背後的一些課程概念：

Q1：核能發電研究的背景？

A1：1939 年哈恩（Otto Hahn， 1898～1968，德國人）發現，以中子撞擊鈾235會形成不穩定之原子核狀態，分裂成差不多各半的子原子核(可以是銣Rb 和銫Cs，也可以是鋇Ba 和氪Kr)，並釋放出巨大的能量。
核分裂（fission）之反應式可寫成

這樣子的反應產生的能量可以利用愛因斯坦提出的質能互換公式來解釋。

核分裂減少的質量，可以轉換為能量。

一顆鈾原子核分裂反應，約可釋放出2.1×10^－11 焦耳的能量 E。1 公斤的鈾核分裂釋放的能量約為 1 公斤的碳燃燒放出能量的 2 百萬倍，看起來蠻有效能的，但付出的代價也是非常大的。

一顆慢中子撞擊鈾235將產生鈾236的過渡元素，因為鈾236不穩定，接著會形成鋇與氪兩種原子及三顆中子，這三顆中子會繼續與其他鈾235形成碰撞產生下一個反應，稱為「鍊鎖反應」，如果適當地控制核能反應，取得一定的熱能，就可以用以發電。

Q2：人類第一個核子反應爐何時製造？由誰提出？

A2：在1939年哈恩和斯特拉斯曼發現核裂變後，費米馬上意識到次級中子和鏈式反應的可能性。

1942年12月2日他在芝加哥大學體育場的壁球館試驗成功了首座受控核反應爐。

Q3：核發發電的原理？

A3：基本上，核能發電與火力發電的運作原理雷同，都是產生熱能，接著讓水產生蒸汽用以推動發電渦輪引擎，利用電磁感應來發電。

Q4：目前臺灣的核能電廠種類？福島電廠採用的是哪一種？

A4：核能發電雖源自相同的物理現象，卻有不同的工程設計，目前世界上數量最多的是壓水式核電廠，其次是沸水式核電廠。

臺灣的核一廠（在新北市石門）與核二廠（在新北市萬里）採用的核子反應爐與日本福島均一樣，用的都是沸水式核電廠設備，甚至連興建中，位於新北市貢寮的核四廠都是。

上圖為沸水式核反應器的示意圖，圖中與控制棒相間較粗的紅棒為燃料棒，核分裂的主角—鈾-235—即裝在其中，燃料棒必須一直泡在水中，而水除了吸收核分裂反應產生的能量外，還兼做中子的「緩和劑」；要瞭解這個名詞須先回顧一下核分裂反應過程，該圖左邊使鈾-235發生分裂的中子必須是低能量的中子（在核能界稱其為慢中子或熱中子），而圖右邊新生中子的能量約為慢中子的四千萬倍，因此被稱為「快中子」；若想使快中子引發下一個鈾-235原子核之分裂，則必須使其能量降低，而水中的氫原子質量與中子相近，故快中子與氫原子碰撞多次後能量會傳給氫原子而變成慢中子。因此水因有緩和快中子能量的作用而被稱為緩和劑，而也因有此種現象才能使核分裂反應得以持續發生。

沸水式的控制棒在底端，但水會有輻射物質在其中，造成輻射物質也會影響到發電機組。

壓水式核反應器流程如圖所示，其分裂反應原理，燃料棒設計，緩和劑功能，壓力槽與圍阻體之作用等都與沸水式核反應器類似；兩者間最大的差別是壓水式反應器在水加熱成蒸汽的過程中採用了兩套迴路，在壓水式反應器中的「主迴路」裏冷水經過爐心加熱後只增加溫度但不變成蒸汽，熱水送至「蒸汽產生器」中把熱量傳給「次迴路」的水後變成冷水再送回爐心；而次迴路的水則會被加熱成蒸汽去推動汽輪機，用過的蒸汽再經海水冷卻後重複使用，這種設計可以確保汽輪機使用的蒸汽絕無核分裂反應所產生的放射性物質，但因系統較為複雜，故運轉與維護也較沸水式反應器費事。此外，壓水式反應器的控制棒設在壓力槽上端，由上向下抽插，比起沸水式反應器由下往上的設計在運作與保養上較為方便。

核三廠（在屏東墾丁）採用的就是這種系統。

Q5：核能反應的污染物質（輻射物質）？

A5：在眾所周知的輻射線有使用在醫學診斷的X射線，此外還有α射線、β射線、γ射線、中子射線及質子射線等，輻射線特性參考。

質子、中子、電子都是構成原子的粒子。質子與幾個中子構成原子核，周圍有幾個電子在軌道上運轉。氦原子核由二個質子與二個中子構成。輻射線僅憑人的五官無法判斷存在與否。需要使用蓋氏計數器才能測定。輻射線的穿透性，一般而言α射線用一張紙就可以讓它停止，但X線與γ射線會有相當強的穿透力。

輻射的分類可以分兩種。 

每天都會接受到輻射，其中大多來自於岩石、土壤或花崗岩石材所釋放出的氡氣。 部分來自宇宙射線，但宇宙射線會穿透人體，而不會與細胞作用，人體受到的自然輻射源可以用圓餅圖分析其比例。

Q6：輻射計量的指標，傷害程度如何劃分？

A6：可以用蓋革計數器等偵測儀器測量，輻射劑量是以人體組織器官每單位質量所吸收的輻射能量來計算。 計算單位是「西弗」或是「毫西弗）（mini sievert） 」 

可能接收的程度可以參考下圖。 

每人平均一年內吸收的宇宙射線劑量約為2 毫西弗，一般人每年輻射劑量應維持在5毫西弗以下。 

輻射曝露可以區分為體外曝露與體內曝露兩種，體外曝露是從人體外的輻射性物質曝露造成。α射線在皮膚表皮就會停止，其傷害應該沒有，但是對β射線及γ射線就需要小心注意。體內曝露是由已經進入體內的輻射核種造成的，會傷害人體內的臟器，此時α射線會對人體造成很大的傷害。

輻射曝露以後的傷害，與其他原因的傷害不一樣，有以下的特徵：

1. 無法直接知道已經遭到曝露，為了要確認被曝露與否，只能在被曝露當時，以輻射偵測器測量得知。

2. 曝後症狀會延遲出現。

3. 症狀的顯示因人不同，症狀的變化也是複雜的。

4. 具有遺傳性。

5. 少量曝露的傷害，很難與其他原因的傷害做明顯的區別。

如果被大量輻射線對全身曝露時，其一般傾向。

人體各器官的輻射性傷害（聯合國科學委員會1985年報告）

Q7：如何降低輻射所造成的危害？

A7：應盡量減少輻射的來源，如增加室內的通風，減少地面的裂縫，以避免氡氣的輻射，或採用屏障加以阻隔輻射源。若因工作必須接觸放射性物質時，應保持與輻射源的安全距離，穿戴防護衣，及縮短曝露時間。

最近流行吃碘片是有點過度緊張的作法，若沒有受到感染前吃碘片是無濟於事，而且會造成甲狀腺亢奮耶！ 

這次日本大地震造成的衝擊很大，在地球村的概念下，我們希望能發揮人溺己溺的精神，協助日本重建，但核子造成的傷害，短期內很難評估其影響範圍及時間，這讓我們想到了「水可載舟、亦可覆舟」這句話，科學的發展是為了幫人類謀福利而不是拿來殺人的，核能電廠的危機讓人憂心，核能發展如果受到阻礙，則地球暖化問題將更嚴重，希望早日能找出無污染的核融合商業運轉，解決掉所有問題，願天佑日本，天佑全世界的人類，2012電影的慘狀不要來，大家可以用智慧解決所有的危機。

圖文參考資料：維基百科、核電發電相關網站＆高中基礎物理課程。