【核能4】核能發電的原理是甚麼？裂變與聚變有甚麼差別？

我們每天用電：煲水、坐電車、開冷氣，但電從哪裡來？核能是其中一種高密度的能量來源，聽到核二字，很多人會想起核彈、災難或輻射。其實核電的科學原理並不神秘，理解了幾個關鍵概念，你就可以比較冷靜地看核裂變（現有核電廠用的）和核聚變（未來有望普及的）各自的優勢與風險。下面用平常生活的比喻和幾個真實例子（如大亞灣、切爾諾貝爾、福島、Tokamak）來說明。

核裂變：像「排多米諾」的連鎖反應

核裂變可以想像成非常小、很重的原子核（例如鈾）被一粒中子撞倒後分裂，分裂時會放出大量能量以及更多的中子。這些新中子再去撞倒更多原子核，像多米諾骨牌一個接一個倒下，這就是所謂的連鎖反應。要發電，我們不是要一次性把所有多米諾都倒光（那會太猛、像炸彈），而是要把速度控制到一個穩定、可預測的節奏，讓爐心持續、穩定產熱。

控制這個連鎖反應有幾個重要工具：

1) 控制棒（Control rods）：可以把中子吸收掉，好像車的剎車，插得深吸收得多，連鎖速度就慢；抽得出來連鎖速度就加快。2) 減速劑或緩和劑（Moderator）：中子在剛被放出時速度很快，不容易被原子核捕捉。減速劑像道路上的減速帶，把高速中子減慢，讓它更容易碰到其他原子核。常見的減速劑包括水或石墨。3) 冷卻劑（Coolant）：分裂產生的熱要帶走才能用來蒸汽推動發電機，常用的就是水，形成「內迴路」把熱量傳到「外迴路」去產生蒸汽。這個內外迴路的設計很重要，因為內迴路可能帶有放射性物質，我們只要把熱帶走，而不讓放射性外洩。

壓水式反應堆的日常比喻

最常見的商用核電廠類型叫做「壓水式反應堆（PWR）」。把它想像成一個高壓熱水瓶做的爐心：裡面的水因為受高壓，沸點大大提高，可以承受幾百度仍不沸騰，這樣就能把更多熱量集中帶走。這熱水再去加熱沒有那麼高壓的另一圈水，後者沸騰產生蒸汽推動渦輪發電。壓力的作用就像你把水放在密封的罐子加熱，水不會像開鍋那樣沸騰，但溫度可以比100°C高很多。這樣的分隔有利於把放射性液體限制在內圈，減少外洩風險。

為何核電廠不像原子彈爆炸？

原子彈和核電廠的物料和設計目標不同。要做原子彈，燃料的放射性同位素（如鈾-235）必須被高度濃縮到極高比例（常見數字是90%以上），那樣每一次分裂會有大量中子被即時吸引到附近的核，使反應在極短時間內呈幾何級數暴增，產生爆炸性的能量。商業核電廠則使用低濃縮燃料（例如幾%到十幾%），設計目標是維持溫和可控的連鎖反應。換句話說，反應爐是刻意把「多米諾」排得稀疏並加剎車，讓它慢慢倒，以持續發熱。

事故為何會演變成大災難？簡單機制說明

核事故常見的原因不是瞬間核爆，而是爐心過熱、冷卻系統失效或結構損壞，導致燃料棒熔化或放射性物質與外界接觸。比喻：爐心好像一個火爐的煤堆，控制棒和冷卻水是維持適當溫度的工具。如果冷卻水供應中斷或控制系統失效，煤堆就會越燒越熱，最終把燃料棒燒壞露出裡面的放射性物質。切爾諾貝爾和福島都是因為控制或冷卻機制在關鍵時刻失效，造成放射性物質擴散，影響範圍與時間非常長。

核聚變：模仿太陽、能量更密集但更難控制

核聚變是把輕小的原子核（像氫的同位素：重氫、氚）在極高溫極高壓下推近到一起，合成成較重的核，並釋出巨量能量。太陽就是靠聚變在燃燒，所以有人說核聚變像把太陽搬到地上。聚變的好處是燃料來源廣（海水含有大量的氘，即重氫），反應產物不會留下像裂變那樣長期放射性的高放射性廢料，最壞情況下停止供料後反應就結束。

但問題是啟動聚變要極高溫：數百萬到數千萬度，傳統物質都會熔掉，於是科學家採用「電磁懸浮」的方法把高溫的等離子體（帶電的原子）困在空中，像把一團火球用透明的磁場懸浮在中間。Tokamak 就是這類裝置的一種，它把等離子體圈成一個甜甜圈（環形）用強磁場約束。為了產生強磁場，多數設計會用超導體磁線圈，這些超導線需被冷卻到非常低溫才能工作，因此裝置裡面同時有極冷（超導磁體）和極熱（等離子體），工程挑戰非常大。

能量收支與穩定性問題

過去幾十年核聚變面臨的兩大問題是：如何讓輸入能量小於或等於輸出能量（也就是能量收支得正），以及如何長時間穩定地保持等離子體。很多實驗曾達到短暫的高溫，但投入的能量大於回收的能量。近年實驗（例如大型國際研究）已有突破，開始接近或達到能量增益，但要把這些實驗室成果轉化為商用電廠，還需解決穩定運行、材料耐受性、維護成本等工程問題。

安全比較：裂變與聚變

核裂變的主要風險是放射性燃料與裂變產物長期存在，事故後需花數十年甚至數百年處理污染；而核聚變的原料本身（例如氘）不是放射性的，若反應停止，等離子體冷卻後不會留下相同等級的長壽命放射性廢料。當然，聚變設備中因受到高能中子轟擊而使結構材料產生放射性，是需要處理的問題，但整體風險與裂變相比有不同的分佈與等級。

實際應用與現況（以香港周邊為例）

香港本地並沒有大型核電廠，但會從鄰近地區如大亞灣引入核能發電的供電（與其他來源如燃煤和天然氣共同供應）。核電能量集中、長期穩定輸出，是一些地區在能源結構中的選項。未來若核聚變技術成熟，可能成為更安全、燃料來源更豐富的補充，但在真正商業化之前，裂變仍是目前可用的成熟核技術。

結語

總結一下：核裂變是一個受控的連鎖反應，透過控制棒、減速劑、冷卻迴路來穩定輸出熱能，缺點是若失控或冷卻失效，會產生長期的放射性污染；核聚變模仿太陽，燃料豐富、事故後殘餘危害較低，但技術上要在超高溫與超低溫之間建立穩定系統，還需要更多工程突破。透過日常比喻（多米諾、剎車、血液散熱、磁場懸浮）希望你更容易理解這些抽象的物理過程。了解原理後，對核能的恐懼可以變成理性的判斷：每種能源都有利有弊，關鍵在於技術安全、設計冗餘、應急準備和社會監管。