核燃料的前世今生：关于铀、钸与钍那些事(一)
核燃料工厂的员工，拿着1枚铀燃料丸。(图/WNN)
在英国格拉斯哥举行的第26次联合国气候峰会(COP26)期间，核能终于成为各脱碳转型的显学，新的技术与相关法规都在制定中。一种意见开始出现，认为现有的铀燃料核电是比较落后的技术，应该改用更好的「钍燃料」，并宣称核废料的数量更为减少甚至不残留，我们真应该好好了解一下核燃料的故事。
铀燃料(Uranium)：铀显然是在大约 66 亿年前，在某个超新星中形成的，强烈的爆炸波打进了一块巨大的星云里，使这块星云开始融合与加热，后来成为我们的太阳系。虽然铀在太阳系中并不常见，但是它在地底深处应该比较丰富，它缓慢的放射性衰变，提供了地球内部的主要热量来源，导致地质活动，包括火山、板块运动，以及随之产生的地震与高山，可以说，地球就是个核反应炉。
人类发现铀元素，则是普鲁士化学家克拉普罗特(Martin Heinrich Klaproth)在1789年发现的，他将一种黑色的沥青矿石用硝酸溶解，再用氢氧化钠重新中和，产生一种黄色粉末，这是后来所知的氧化铀，又叫黄饼。他相信这是未知元素的氧化物，并试着与碳一同加热来还原，结果并不成功，他得到的是被染黑的粉末，而不是纯粹的铀金属。但不管如何，他确实发现了新的元素，并且以天王星「尤拉诺斯」(Uranus)将其命名，也就是「铀」(Uranium)。
自此之后，那种黑色沥青状矿石就被称为「沥青铀矿」，许多化学家也开始试着研究里面还有没有新的元素，持续做相关的实验。1896年，法国化学家贝克勒(Henri Becquerel)研究铀矿的磷光现象，原本他以为是吸收太阳光再放出所造成，并且用照相底片进行曝光实验。有一回遇到阴天，贝克勒以为曝光不足，应该不会在相纸上留下明显的照度，结果冲洗底片竟发现曝光效果非常强，显然不是吸收太阳光后的结果，而是铀矿本身就在散发能量。虽然肉眼不可见，但是会造成相纸的感光，这是人类第一次认识到持续散发能量的放射性元素。为了纪念贝克勒的贡献，我们现在把放射性活度的单位，称为贝克(Bq)，每1秒钟有1次衰变就是1贝克。
外表黑呼呼的铀矿石。(图/维也纳自然历史博物馆)
贝克勒发现包括铀矿石的底片感光了，他意识到矿石正在散发能量。(图/巴黎自然史博物馆)
在得知放射能之后，科学界就加快了铀元素的研究，1934年，美国的费米(Enrico Fermi)与德国奥图‧哈恩(Otto Hahn)各自进行了中子撞击铀的实验，证实铀是可以再分裂，并且会产生能量，以及较轻的元素，还有几个多余的中子，而这些多余的中子还有足够的力量去撞击其他的铀原子核，同样会造成原子核分裂与更多能量，这就叫做连锁反应。
不过，不是所有的铀都能简单的被分裂，事实上大多数的铀是相对稳定的铀238(其实它也会分裂，半衰期44.7亿年，但是过于缓慢，可以暂时先视为稳定)，它占了铀元素中的99.274%，能够较容易被分裂的，是浓度仅有0.72%的铀235。
在知道铀235提升浓度以后可以完成连锁反应，当浓度走向极端时，就可以做出威力无匹的炸弹，这就是1930年代美国、德国与日本都在进行的原子弹研发计划。当然我们现在知道是美国早一步完成，但是过程相当惊险，因为德国完成的机率也不小，他们也有足够的理论学家与丰富的铀矿。
铀235的连锁反应，原子核被中子撞击后，生成钡与氪，另外再多出2.4个中子。(图/WIKI)
铀燃料的最初用途，是轰轰烈烈的原子弹，这使铀燃料从一开始就罩上一种「毁天灭地」的形象，反核团体是在「反核武器」还是「反核能」，常常混淆不清，这是颇令人无奈的。
1953年12月8日，美国总统艾森豪(Dwight Eisenhower)在联合国发表了名为「原子能和平用途」（Atoms for Peace）的演说，消减各国对核武器的不安。也在同时，美国的首艘核潜舰「鹦鹉螺号」(USS Nautilus SSN-571)已接近完成，它所使用的压水式反应炉，以低度浓缩铀为燃料，是往后大多数核反应炉的样本，其原理至今仍适用，军用反应炉与商用反应炉的差别在于铀235的浓度。
核潜舰之父-美国海军李高佛上将，利用模型说明核动力的优势，特别强调它比煤炭更有力量。(图/美国海军)
商用反应炉使用的核燃料，其比例是95~97%的铀238，与3~5%的铀235的组合，这是安全性的着想，铀235浓度过高会有武器化的可能，因为国际原子能委员会一直都严格管制各的核燃料。由于在精炼核燃料的过程中会有明显的辐射痕迹，因此目前都有太空卫星在紧盯着威胁国家(比如北韩、伊朗)是否有核元素炼制的动作。
言归正传，在商用反应炉里，核燃料的反应过程也多是铀235在参与，铀原子会因连锁反应而生成氪与钡，至于铀238的角色只担任吸收中子，安定反应过程，只有少数的铀238会稍微生成钸239，但是并不多。当铀235的浓度低到1%左右时，反应功率就会下降，这也意味着该换燃料了， 一支燃料束大约可以使用1年半。
核燃料使用前与使用后的大略意示图，铀235降低至1%左右，另外生成多余的钡与氪；绝大多数的铀238仍然保持原样，只有少数被生成钸。(图/江飞宇制)
另外，虽然它已反应完毕，但是在技术上而言，原本不参与核反应的铀238，其实在另一种模式之下，也是可以被反应的，这就牵涉到另一种核能元素，也就是钸(Plutonium)，这就是下一段的故事。(待续)