【核能1】簡單看懂核裂變、核聚變與核能控制

當我們談到核能或核武器，常會聽到一些熟悉的詞：輻射、E=mc2、裂變、聚變、連鎖反應、反應堆、減速劑……這些字眼聽起來很抽象，但背後其實都有一套可以用日常經驗理解的理路。下面我會把核心的物理概念用淺白的比喻和原有的例子（像大亞灣反應堆、Trinity 試爆）來解釋，讓沒有物理背景的讀者也能看懂為什麼核反應能放出大量能量，以及我們如何把它「馴服」或不幸地讓它失控。

質量和能量的關係：小小的質量差，巨大的能量

愛因斯坦告訴我們一個關鍵公式：E=mc2。這句話的意思是質量（m）和能量（E）是可以互換的，c是光速，數值非常大，所以即使是一點點質量變成能量，也會是極大的能量。生活化的比喻：想像你有一個很緊實的錢包（代表原子核），把錢包打開後分成兩個小錢包，發現兩個小錢包合起來竟然比原來輕了一點。這個「少了的一點重量」並不是憑空消失，而是以能量的形式被釋放出來。核反應中看到的能量，正是來自這種質量的“缺口”。

為什麼有些原子會自動「拆解」？用水滴模型想像原子核

可以把一個原子核想像成一滴水。滴越大，表面張力（把水滴維持在一起的力量）與內部相互作用的平衡就越複雜。原子核內有兩股力量在拉扯：一是電荷的斥力（同名電荷互相排斥，像很多帶正電的質子互相推開）；二是核子間的「強作用力」，它像黏膠把核子（質子和中子）黏在一起。當核子數變多變大時，強作用力的“有效範圍”跟不上，斥力就容易把核撕裂，導致不穩定而裂變。這就是為什麼越重的元素越容易裂變。

結合能與鐵峰：為何核聚變和核裂變都能釋放能量？

把核子的綁在一起需要能量，這個「被綁住的能量」稱為結合能。把結合能除以核內的核子數（質子或中子），得到的就是「每個核子平均得到的結合能」。如果某個核的每個核子得到的結合能較少，那麼把整個核分裂成兩個較小的核，新的每個核子平均結合能可能會更高，整體系統變得更穩定，差額以能量形式釋放出來。觀察元素的結合能曲線可以發現一個高峰（大約在鐵附近）。比鐵輕的元素，透過「聚變」變成更重的元素會釋放能量；比鐵重的元素，透過「裂變」變成較輕的元素會釋放能量。太陽就是靠輕元素（氫）向鐵方向聚變來放出能量，但當核到達鐵之後，就無法再透過聚變繼續放能，這也是恆星生命演化的重要關鍵。

核裂變的連鎖反應：雪球越滾越大還是停下來？

核裂變有個特別之處：每次裂變除了產生較輕的核外，還會放出自由中子。這些中子若撞到其他能裂變的原子核（例如U-235），就可能誘發更多裂變，並放出更多中子，造成幾何級數的增長：1變3、3變9、9變27……就像雪球在斜坡上越滾越大、越滾越快。這就是「連鎖反應」。

重要的控制概念是臨界：若每次裂變平均產生的新中子數剛好足以維持下去，系統叫做臨界（穩定產能，這是核電廠的目標）；若少於一個（中子損失多），是亞臨界（反應會自然衰退）；若多於一個（中子越增越多），是超臨界（反應會快速增強）。若反應非常迅速且失控，會造成類似原子彈的爆炸；而若受穩定控制，則變成可靠的能源。

為何核電廠可以安全運作？減速劑、控制桿與設計差異

要把裂變的能量「馴服」，工程師會在反應爐內加入幾個重要元件。首先是減速劑（moderator）。自由中子一開始常常能量很高（快速中子），但有些能裂變的核（例如U-235）更容易被速度較慢的中子引發裂變。減速劑的作用就是把快速中子「拍慢」，像在保齡球道上放了減速墊，把球速度降下來，讓它更容易擊中目標。常見減速劑有普通水、重水和石墨。大亞灣使用的是壓水式反應堆（PWR），就是把水在高壓下做為冷卻和減速劑的雙重用途。

另一個重要的安全元件是控制桿（control rods），它們由可以吸收中子的材料（如硼或鎘）製成。若要減少反應速率，就把控制桿插入堆芯，吸走過多的中子；反之把桿抽出就增加反應。這就像舞台燈的調光器，隨時可以控制核反應的「亮度」。因此核電廠的反應是可調和可停止的，與設計成武器的裝置在目標和構造上根本不同。

核武器 vs 核電廠：為何一個是爆炸機另一個是發電廠？

核武器與核電廠都利用裂變或聚變，但設計目標不同。原子彈追求短時間內把大量裂變材料組成超臨界狀態，讓連鎖反應在極短時間內幾乎不受控制地急速增長，產生巨大的爆炸能量。要達到這個效果，武器通常要快速把分散的核材料組合成超臨界塊（用炮管式或內爆式設計），並盡量避免中子逃逸或被吸收，常還會用反射體（tamper）把中子反射回核心，增加效率。

反觀核電廠，要的是穩定、可控、長時間釋放能量，因此用大量減速劑、控制桿與冷卻系統，把連鎖反應維持在接近但不超出臨界的條件。若反應堆設計得當，材料分配與監控系統會避免突然的大量增長。這也是為何核反應堆的燃料（例如天然鈾主要含U-238）經過濃縮或以不同核種（如鈾-235、鈈-239）處理，才能依目標用途差異化設計。

核聚變：為何太陽可以做到，但地球上難以長期維持？

核聚變是把輕核結合成較重的核，並在過程中釋放能量（在鐵之前的區域）。太陽核心的溫度和壓力足以讓氫原子克服彼此的電荷排斥（庫侖障礙），發生聚變，產生光和熱。不過在地球上要重現這種環境非常困難：要把兩粒帶正電的核子推到非常接近，必須給它們極大的能量或用非常高壓力，把它們壓得很近，讓強作用力發揮作用。這就是為何聚變燃料要先加熱到等離子體狀態，或用慣性封閉技術，技術挑戰大且需要長期維持極端條件。

歷史故事與現場例子：Trinity、曼哈頓計劃與大亞灣

二戰時的曼哈頓計劃將這些物理概念變成現實，1945年在新墨西哥的Trinity Site進行了人類歷史上第一場核試爆。試爆後的蘑菇雲和殘留的放射性土壤，至今在某些地點仍可偵測到較高的放射性，是科學和倫理反思的重要實地見證。相對地，像大亞灣這類的壓水反應堆則是把核裂變控制起來，用以發電，日常生活中供應電力給城市。兩者在目的、設計和操作上差異很大：一個是追求短時間內巨大釋放，另一個是追求穩定、安全與可控。