新式核能一夕之間成為熱門話題，不過到底什麼是新什麼又是舊，你需要的就是這一篇核能發電科普文。
愛因斯坦的質能互換公式E=mc2不僅揭示了宇宙運行的法則，更定義了現代能源的本質。從廣義來看，人類所使用的能源皆可視為核能的延伸：初級能源（Primary Energy）如核分裂、核融合及地熱（源自地核衰變）；衍生能源（Derived Energy）如太陽能、風力與水力，其源頭皆來自太陽內部的核融合反應。
電力是目前社會最精煉的能源形式，但其轉換過程往往伴隨著環境成本。理論上，正反物質互毀（Annihilation）能將質量 100% 轉化為能量，其效率是核分裂與核融合的千百倍以上 。然而，反物質在自然界中極其稀缺，目前僅能於高能物理實驗室中微量製造，距離商業應用仍屬科幻範疇。回到現實，自 18 世紀工業革命以來，從燃煤到現代核電，其發電核心邏輯始終未變：透過熱能產生蒸汽，推動渦輪機發電。
核分裂技術原理：受控的連鎖反應
核能發電的核心機制為「連鎖反應」（Chain Reaction）。這與燃燒的化學反應在本質上相似，但核分裂是透過中子撞擊原子核來釋放能量。每一次核分裂會釋放 2 至 3 個中子，這些中子再撞擊其他原子核，形成幾何級數的能量釋放。
核反應速度極快，單次分裂僅需奈秒（10-9秒）等級。若不加以控制，瞬間的失控反應將導致爆炸（如核武）。因此，核電廠運作的關鍵在於精密控制中子的數量。反應爐必須將「有效中子數」嚴格控制在 1% 的增長率，以維持穩定的臨界狀態，確保發電持續且安全。
鈾濃縮技術：從礦石到燃料
核分裂需要特定的核種，其中鈾-235（U-235）是最主要的燃料。天然鈾礦中，可分裂的 U-235 豐度（Abundance）僅佔 0.7%，其餘 99.3% 為無法直接分裂的鈾-238（U-238）。
為了提升反應效率，必須透過鈾濃化（Uranium Enrichment）技術提高 U-235 的濃度。由於 U-235 與 U-238 為同位素，化學性質相同，必須仰賴物理離心法分離，這是一個高成本且耗時的過程。以20%為界，分為低濃縮鈾(Low Enrichment Uranium, LEU) 及高濃縮鈾 (High Enrichment Uranium, HEU)。高濃鈾主要是軍事用途，向來都是嚴格列管的國安重點。低濃縮鈾為了防止核擴散，傳統核電廠燃料中的低濃縮鈾通常被限制在 5% 以下，但先進反應爐會使用濃度 5% 至 20% 的高質低濃縮鈾（HALEU）。
此外，核分裂產生的「快中子」速度過快，不易被 U-235 捕獲。反應爐需透過減速機制將其轉化為「熱中子」，反應機率可提升數百倍，從而維持穩定的連鎖反應。
核反應爐運作機制
目前全球商轉的主流核反應爐多屬第二代或第三代技術，主要分為壓水式（PWR）與沸水式（BWR）。兩者皆具備能在高溫高壓下防止輻射外洩的堅固結構，爐心主要組件包括：
• 燃料棒（Fuel Rod）：封裝濃縮鈾燃料粒。
• 減速劑（Moderator）：如輕水（普通水）、重水或石墨，用於減速中子。
• 控制棒（Control Rod）：通常由鎘或硼製成，能吸收中子。透過插入或抽出爐心，可快速調節反應速率或緊急停機。
• 冷卻劑（Coolant）：帶走核反應產生的熱能，通常與減速劑共用（如水）。
壓水式反應爐（PWR）：冷卻水在高壓（約 150 大氣壓）下維持液態，吸收熱能後流經蒸汽產生器進行熱交換，產生的蒸汽再推動發電機。此設計佔全球核電廠約 70%。
沸水式反應爐（BWR）：冷卻水直接在爐心內沸騰產生蒸汽推動發電機，省去了蒸汽產生器，但反應爐槽體積較大，約佔全球 15%。
全球核能版圖：美中消長與技術分流
美國曾是核能技術的霸主，但在過去三十年間，新機組建設近乎停滯。直到前幾年，Vogtle 電廠的 3 號與 4 號機組（Vogtle 3 & 4）才相繼投入商轉，才打破了長期的零新機組紀錄 。然而，美國目前的戰略重心已轉向既有電廠延役、小型模組化反應爐（SMR）及核融合技術的研發，而非大規模興建傳統電廠。
相較之下，中國大陸的核能發展呈現爆發式增長。在過去五年間，大陸新增了 11 座反應爐，且目前仍有約 25 座興建中。依照此趨勢，中國大陸有望在未來五年內挑戰美國在核能裝置容量上的領先地位。
在理解了核分裂的基礎原理後，接下來我們將看到核能技術演化出各具特色的應用型態。從傳統的大型反應爐到新興的小型核能 SMR，乃至於被視為終極目標的核融合，這些技術將共同形塑未來的能源圖譜。
（註一）物理學家楊振寧與李政道提出的宇稱不守恆理論，解釋了宇宙誕生初期物質與反物質的不對稱性，使得現今宇宙以物質為主
（註二）核種（Nuclide）指具有特定質子數與中子數的原子核
（註三）全球第一座核反應爐 Chicago Pile-1 於 1942 年由費米（Enrico Fermi）團隊建造，僅能點亮微弱燈泡，與現代 GW 級核電廠不可同日而語
（本文由《核能復興二部曲：能源的盡頭是核能之龍生九子》經科技新報編輯重新編輯，原文作者：王曉中｜綠學院綠色帶路人）
（首圖來源：Flickr/Free Public Domain Illustrations by rawpixel CC BY 2.0）
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