【深造物理】核電廠如何把原子能變成家中的電？

在香港，地鐵穿梭、冷氣恆溫、手機充電，背後都仰賴穩定的電力供應。很多人聽過「核電」，也知道珠三角有核電站為本地供電，但核電廠究竟是怎樣把「看不見的原子世界」變成家中插座的電？這不是魔法，而是一套嚴謹、可控、且經過數十年演進的工程與物理。

本文帶你從能量轉換的基本概念出發，再走進反應器的心臟，理解鏈式反應如何被「馴服」，以及安全如何層層把關。你會看到核電與其他發電方式的比較、風險與效益的取捨、以及未來的新發展。

從熱到電：所有發電廠的共通邏輯

不論是燃煤、燃氣、核能，甚至部分地熱，背後的基本步驟其實很一致：先把水加熱成蒸氣，讓高速蒸氣推動渦輪機，帶動發電機，把機械能變成電能。差異只在於「熱」從哪裡來：

• 燃煤/燃氣：燃燒化石燃料釋放化學能。
• 核能：原子核分裂釋放核能。
• 太陽能/風力：例外，直接把光或風的動能轉成電，不經蒸氣。

核電的核心就是：以核分裂產生穩定、可控的大量熱，驅動同一套蒸氣-渦輪-發電機的機械鏈。

原子層級的能量：核分裂的物理

原子像一個迷你太陽系：中心是原子核，外面是電子。以鈾為例，鈾-235的原子核如果吸收一顆中子，會像受驚的西瓜裂開，分裂成兩個較小的核碎片，外加幾顆新生的中子，並釋放出大量能量。這能量來自質量與能量的等價（常見的 E=mc²）。

關鍵是「鏈式反應」：新生的中子又可去撞擊其他鈾-235，使更多分裂發生。若任其發展，反應會愈來愈快；若控制得當，反應就能維持在穩定水平，源源不絕供熱，這就是核電廠的本事。

如何把鏈式反應「溫柔」地握在手心

要讓鏈式反應可控，有三件法寶：

• 慢化劑（moderator）：把中子「減速」。中子慢下來，更容易被鈾-235抓住，讓反應有效率又可控。常見慢化劑是水、重水或石墨。
• 控制棒（control rods）：像「中子吸塵機」，材料（例如含硼或含鎘合金等）能吸收中子。插得多，反應就被壓低；抽出一些，反應就升高。緊急時可快速全插（稱為 SCRAM），令反應立刻停止。
• 冷卻劑（coolant）：把分裂產生的熱帶走，通常是水，也可能是氣體或液態金屬，視堆型而定。

另一個關鍵，是所謂「延遲中子」（delayed neutrons）。不是所有新生中子都立刻釋放，有一小部分會經由核碎片的衰變，稍後才釋放。這些延遲中子把反應器的時間尺放慢，讓人類與控制系統來得及調整，正是可控核反應與不可控爆炸之間的分野。

工程上也追求「負溫度係數」（negative temperature coefficient）：當溫度上升時，反應本身自然變弱（例如水變熱密度變低、慢化效果稍變），形成自穩定機制，避免小波動被放大。

反應器到插座：能量流的三個迴路

很多現代核電機組會分成「多迴路」設計，既提升效率也保障安全。

• 一次迴路：直接接觸反應爐芯，把熱帶到換熱器。這條迴路在堆型如加壓水型反應器（Pressurized Water Reactor, PWR）中被加壓，避免沸騰。
• 二次迴路：在蒸氣產生器把一次迴路的熱傳給潔淨水，產生乾淨蒸氣去推渦輪。這樣渦輪側不接觸一次迴路的放射性物質。
• 三次迴路：渦輪後的蒸氣在冷凝器遇上冷卻水（河水、海水或冷卻塔循環），凝結回水再循環。

另一常見堆型是沸水式反應器（Boiling Water Reactor, BWR），在爐內直接把水煮成蒸氣推動渦輪。兩者各有取捨：PWR隔離更嚴密，BWR系統簡化。無論哪種，核心都是把核能變熱、熱變蒸氣、蒸氣推動渦輪、渦輪帶動發電機。

核燃料的一生：從燃料棒到乏燃料

核燃料通常被製成小瓷狀顆粒，裝入細長的金屬包殼（例如鋯合金），形成燃料棒，再組成燃料組件。幾年下來，裂變把能量慢慢「榨」出，同時產生裂變產物與次生核素，吸收中子的能力增加，反應效率下降，這時就稱為「乏燃料」。

乏燃料仍然會產生「衰變熱」（decay heat），因為裂變產物還在放射性衰變，所以即使停堆，反應爐也要持續冷卻。初期通常在乏燃料池水中儲存與散熱，之後可轉入乾式貯存（dry cask）。部分國家研究再處理（reprocessing）與循環使用，但這涉及能源策略、經濟與規管等綜合考量。

安全為先：多重屏障與防禦縱深

核電的安全哲學被稱為「防禦縱深」（defense-in-depth）：假設任何單一層可能失效，便再設多層。

• 燃料陶瓷本身把大部分裂變產物固著。
• 燃料包殼封存微觀裂變氣體。
• 一次迴路與壓力邊界保持密封與監測。
• 鋼製內襯與厚實鋼筋混凝土「圍阻體」（containment）把放射性物質隔離於廠外。
• 多重主動與被動冷卻系統，確保即使停電或設備故障，也能移除衰變熱。

現代機組還強調人因工程、冗餘與多樣化設計（redundancy and diversity），以及地震、洪水等外部事件的整體防護。日常運作有嚴格程序、分級許可與獨立監管。

事故的科學與教訓：三個著名案例

歷史上幾次事故常被並列，但成因與物理大相逕庭：

• 三哩島（1979）：設備訊號與人機互動問題導致冷卻不充分，部分爐心受損，但圍阻體發揮作用，外界劑量有限。教訓促使程序、培訓與人因改進。
• 車諾比（1986）：特定堆型與測試條件下出現正反應性回饋，加上設計缺陷與操作問題引發爆炸與火災，無圍阻體防線。帶來巨大的健康與環境影響，全球安全標準由此大幅改革。
• 福島第一（2011）：海嘯超出設計假設，長時間全廠斷電，失去持續散熱能力，導致爐心受損與氫氣爆炸。事後全球加強對極端外部事件的韌性與被動冷卻能力。

每一宗事故都帶來具體改進，讓後來的機組更穩健。科學上，關鍵在於維持長期冷卻、管理氫氣與壓力、確保電源與水源的冗餘與多樣化。

放射線與健康：理性看待風險

放射線是自然存在的：宇宙線、地殼中的放射性元素、食物中的天然同位素都會帶來背景輻射。劑量（dose）以毫西弗（mSv）計，醫療影像如電腦掃描的單次劑量，往往比一般人一年背景輻射還高。核電廠周邊居民的年額外劑量通常非常低，遠低於法規限值與自然變動範圍。

風險管理重點在「把可避免的暴露減到最低」（ALARA 原則），以及高標準的監測、透明的通報與獨立監管。理解這些科學與制度背景，有助於把恐懼轉化為知情的選擇。

與其他發電比較：優勢與限制

特性	核能	燃氣/燃煤	風能/太陽能
碳排放	非常低（全生命週期）	高	非常低
能量密度	極高	中等	低（需大面積）
穩定性	高、可做基載（baseload）	高、可調度	間歇性需儲能/備援
燃料供應風險	少量燃料可供多年	受市場價格波動	無燃料，但受天氣影響
建設週期	長，前期資本高	較短	短至中等

核能的強項是穩定低碳與高容量因數（capacity factor），弱項是初期投資大、工期長，以及廢料與社會接受度議題。把它與可再生能源、儲能與需求管理組合，常見於追求淨零的多元路徑。

近代進展：第三代半、SMR 與第四代探索

• 第三代半（Gen III+）：在既有堆型上加入更強的被動安全（passive safety），例如靠自然循環與重力協助散熱，提升對極端事件的韌性。
• 小型模組化反應器（Small Modular Reactor, SMR）：容量較小、工廠化製造、模組化擴建，目標是縮短工期、降低資本風險，並在偏遠地區或工業用熱市場提供選項。
• 事故容忍燃料（Accident-Tolerant Fuel, ATF）：改良燃料包殼與陶瓷材料，提高在高溫缺水條件下的耐受性。
• 第四代（Gen IV）概念：包括高溫氣冷、熔鹽與快中子反應器等，追求更高熱效率、資源利用與廢物減量。這些多處於示範與研發階段。
• 數位化與人工智慧：用於狀態監測、預測性維護（predictive maintenance）與運行優化，提高可靠性與經濟性。

香港與區域能源的視角

香港電力需求高、土地緊、供電可靠性要求極高。透過區域電網連結，把穩定的低碳核電輸送到本地，是目前能源組合的一部分。這種跨區域協作讓城市可在有限土地上減少碳排，配合本地的燃氣機組與可再生能源，形成兼顧環保與供電穩定的組合。

從系統角度，核能提供基載，釋放出燃氣機組去靈活調節負載與支援風光波動；加上儲能、需求回應（demand response），可提升整體供電韌性。

如何判斷核能是否「值得」：一個實用框架

• 氣候目標：需要多少穩定低碳電？核能能否在時間表內提供？
• 系統成本：不只看發電成本，還要看備援、儲能、電網強化的整體成本。
• 地緣與供應鏈：燃料與設備的多元來源與長期保障。
• 社會授權：透明監管、風險溝通與廢料管理方案是否可信。
• 投資風險管理：工期、資金成本與項目執行力；SMR 等新路徑能否改善。

用這套框架思考，我們不必把核能神化或妖魔化，而是把它視為能源工具箱中的一把專業工具：在對的場景、以對的方法使用，就能發揮最大效益。

結語：看見「看不見」的能量

核電廠的原理可以濃縮為一句話：用核分裂把微觀尺度的結合能，穩定地換成宏觀世界可用的熱與電。為了做到這件事，人類設計了慢化、控制與冷卻的精密協奏，建起多重屏障，並在一次又一次的教訓中把系統打磨得更安全。

當我們在港鐵車廂裡享受涼風、在家中為手機充電，線路那頭可能正有一座反應器安靜運轉，把原子核的能量轉為穩定的電。理解其原理，不只是滿足好奇，更是參與未來能源選擇的基礎。下次談到核能，你已經能用科學的角度，判斷它在香港與世界能源版圖中的位置。