核燃料的前世今生：关于铀、钸与钍那些事(二)

日本研发生败的文殊滋生式反应炉，1995年完成，2017年除役，运作时间不足100天。只能希望下一个会更好。(图/IAEA)

1934年，美国科学家费米(Enrico Fermi)与德国奥图‧哈恩(Otto Hahn)，各自进行了中子撞击铀的实验，他们原先的目的是要寻找铀之后的元素，不过没有成功，却证实了核分裂。不过到了1940年，柏克莱大学的西伯格(Glenn Theodore Seaborg )与麦克米伦(Edwin Mattison McMillan)，利用氘核撞击铀，成功找到了2种新元素，分别以海王星(Neptune)为名的镎(Neptunium)，以及以冥王星(Pluto)为名的钸(Plutonium)。

自此，像是铀238这种，可利用粒子撞击形成别的核分裂物质的，就被称为「可增殖元料」(Fertile material)，这意味着它们可以在吸收中子以后，间接地形成核燃料，也就是钸239，这就是下一代核反应炉「滋生式快中子反应炉」的原理，在理论上，现有的用过核燃料，都由用这样的技术重新核反应继续发电。

第1个核武器装置「小工具」，它是实验核武器威力的，所以不需要外罩与弹翼那些东西。它的外表圆胖胖的，是以浓缩钸为核心。(图/美国国会图书馆)

投在广岛的小男孩原子弹，以铀235为核，采用枪式引爆，外表比较长。(图/美国国会图书馆)

投在长崎的胖子原子弹，它也是钸239为核心，外表圆胖，与小工具类似。(图/美国国会图书馆)

钸最早的用途也是核武器，曼哈顿计划期间，在分离与浓缩铀235的同时，也利用上述提到的增殖技术，在增加钸239的数量，而且科学家还计算出来，要达成起爆最小核武器的程度，钸239仅需15公斤就够了，比铀235的50公斤还少的多，因此钸原子弹的制作难度相对较低，1945年7月16日在新墨西哥州的「三位一体核武实验」(Trinity nuclear test)，第1枚核武装置「小工具」(The Gadget)就是钸原子弹，而投放到长崎的「胖子」原子弹(Fat Man) 也是钸原子弹。

还是把重点放在和平用述。与铀235相似，钸239也是合适的核能发电材料，事实上，在核反应炉研发的早期，科学家担心铀元素中，比例只有0.72%的铀235可能会不够使用，因此在1946年，美国爱达荷国家实验室(Idaho National Laboratory)的人类第1座核反应炉EBR-I，就是使用中子滋生式的，它以铀238为增殖材料，持续产生钸239再进行核反裂反应。在1951年12月20日，正式运转时，它产生的电力点亮了4个灯泡，象征人类进入核电时代。

世界第1个核子反应炉EBR-1，它以铀238为增殖材料，持续生成钸239进行核反应，成功推动涡轮点亮灯泡。(图/美国爱达荷国家实验室)

快中子滋生反应意示图，铀238被转化成钸239，由钸239进行核反应，整支核燃料能够被充分使用，从反应开始到燃料耗尽，至少80年。(图/网路)

其实理论上，由于中子滋生式可以将铀238增殖成钸239，再进行核反应，因此铀燃料的潜力可被充分利用，其燃料使用效率会比现行的低浓度铀235，要高出10倍，大概填充一次燃料，就能运转80年而不必再更换燃料，如果目前地球上已累积的用过核燃料被充分利用，大概可以使用1千年不虞匮乏，彻底解决人类的能源问题。

不过，快中子滋生反应炉的技术难题不少，EBR-I在运作4年后(1955年)就因燃料夹具太厚，冷却不足而造成炉心熔毁。到了1966年，密西根州费米核电厂的「费米1号」( Fermi 1)滋生式反应炉也出现部分燃料熔毁的问题，虽然美国核管理委员会表示，没有异常放射性释放到环境中，但是这也显示了快中子反应炉的技术困难。另外世界第1艘使用铅铋冷却式快中子反应炉(型号KT-1)的核潜舰-苏联K-27号潜舰，虽然在试航时达成新的航行速度纪录，但是却在1968年5月 24日发生辐射泄漏，144名舰员，有9人死于辐射中毒，被称为「水下车诺比」事故，由于该事件没有像K-19那样被拍成电影，所以较不为人知。

日本在1995年完成的文殊快中子反应炉电厂，也因数次的钠冷却剂导致失火，长期停炉没有真正运作过，在2017年宣告退役。

并且浓缩铀的技术在之后也更为进步，意味着铀235的供应无虞，不需担心枯竭，于是美国海军上将李高佛决定先停止快中子反应器的研发，专心在慢中子反应器的优化，这也使得现在的商用核反应器绝大多数都是使用低度铀235，每18个月需要更换燃料的类型。

李高佛的远见是有道理的，但是留下一个后续问题，就是用过的核燃料会累积的愈来愈多，并遭到群众团体的炒作成为反核运动主要抗议的目标。因此快中子反应炉在近十年以来再次被提及，包括比尔盖兹的泰拉动力(Terra Power)所研发的行波式反应炉(TWR, Traveling wave reactor)，目标也是将用过核燃料充分利用。

如今核能科技比以往更进步，新的仪控与管理系统也有助降低事故的发生，因此许多核电支持者相信，这一次快子中反应炉强势归来，可以达成商用化的目标。

其实，在快中子反应炉还没完成的现在，已经有一些掺有钸元素的核燃料在使用中，这就是MOX燃料，全称「混合氧化物燃料」(Mixed oxide fuel)，这种核燃料混合了部分再处理铀与较高浓度的钸，使得反应炉里既有慢中子反应，但也有少部分的快中子反应，热效率与反应效率也更好。在欧洲大概有30座核反应炉使用MOX，日本玄海核电3号机、高滨3号机也是使用MOX燃料。

除了铀，以及相应生成的钸以外，最近十几年还有第3种核燃料的可能被提出，就是「钍燃料」，钍在地壳中的丰度比铀来的高，更没有匮乏的问题，因此有一种看法认为，钍燃料才是核电技术的希望，是否真是如此？下回揭晓。(待续)