劉李俊達
劉李俊達

劉李俊達。島國台北出生,山海花蓮長大,劉是母姓。唸哲學。未婚,育有一女二貓。關注氣候議題、永續發展與循環經濟,目前在實習會社擔任資深專案經理。

為何核電既不循環,也不經濟?

核能發電會是循環經濟的選項嗎?核廢料的處置問題可以透過回收解決嗎?這篇文章將提供透過核電廠的生命週期,來說明為何循環經濟會說:「我們不適核」。
1. 核電的燃料來源鈾礦,不可再生且開採過程會造成嚴重的環境影響。
2. 將鈾礦精煉成燃料棒的製程高耗能、使用大量化學品,有潛在的氟氯碳化物逸散問題。
3. 核電熱效率極為低落、缺乏彈性調度能力。
4. 循環經濟在設計階段就會排除有毒物質,以確保資源能夠有效循環。核電則會產生大量無法有效循環再生的核廢料。
5. 面對高風險、低效率、難循環的核能電廠與核廢料,循環經濟的做法,會是優先設計出一個不需要使用核電的能源系統。

循環經濟是什麼?會選用什麼樣的能源?

循環經濟(circular economy)是一個資源可再生、可恢復的經濟和產業系統,強調透過設計、商業模式、提高能資源效率,從源頭避免污染與廢棄物的產生,將經濟成長與環境衝擊、資源耗用脫鉤。

對於循環經濟常見的誤解之一,就是將循環經濟等同於「資源回收」、「廢棄物資源化」。畢竟設計師如果把東西都黏死了,後續要維修跟替換零件就很困難。如果選擇了有毒、難以處理的材料,後續要回收再生也會難以執行。

循環經濟實際上更強調透過商業模式與能資源提升,從源頭就減少能資源的需求,並在設計階段就排除掉(design out)難以循環再生的材料與產品。而非等到產生了一堆廢棄物,再來想辦法處理,最後只能事半功倍,甚至緣木求魚。

循環經濟要減少有限資源的耗用,並透過不同方式延長產品生命週期,並抑制廢棄物與污染的產生及逸散。因此在能源上的選擇非再生能源莫屬。(圖片來源:Ellen MacArthur Foundation)

因此,循環經濟在能源上會選擇可再生(renewable)的陽光、風力、地熱、生質能的再生能源。使用藏量有限的化石燃料或鈾礦的燃煤、燃氣與核能發電,則不被視為綠能或永續能源。

核能發電是一個標準「開採-製造-耗用-廢棄(take-make-consume-waste)」的線性經濟產物,雖然擁核人士認為已有技術能從高放射性核廢料中提煉能夠使用的物質,,但該技術實際上無法真正讓核廢料消失,處理過程反而會產生更多中低階放射性的核廢料,也會增加環境與社會上的風險。加上缺乏經濟效益、核災的隱憂與危害,都再三說明了核電並非循環經濟的選項。

有些擁核人士認為「核能可以用很少的物質,就能夠穩定地產生大量能源,而且核廢料都有辦法處理」,因此實際上是更具有資源效益的。但從整個生命週期來看,就不難發現這是一個缺乏根據的說法。

從生命週期來看核電為何不循環

核能發電原理,其實跟燃煤發電是一樣的,都是產生熱能用來把水燒開、產生蒸汽,進而帶動發電機運轉。不同處在於核能的熱能,來自於放射性核分裂產生的連鎖反應,而現行核電機組主要使用的燃料則為濃縮鈾,我們就從這邊作為主要的討論軸心。

原料:鈾礦開採(產生大量廢礦石與環境污染)

鈾礦的開採需要經過繁複的程序,耗用大量的水與化學品,並且產生許多具有放射性的廢棄礦石、氣體與廢水。(圖片來源:U.S. Energy Information Administration)

根據美國能源情報署(EIA)的資料,自然界的鈾礦只含有 0.05% 至0.20% 的八氧化三鈾(U3O8)。換句話說,這些礦石經過篩選、碾碎、以硫酸浸漬後,再經歷一系列萃取、純化與乾燥的製程,只有少部分成為俗稱黃餅(yellow cake)的氧化鈾原料,其餘 99.8% 到 99.95% 會成為所謂的尾礦,雖然放射性較低,但依然會成為大量的放射性廢棄物。

這些廢棄物的產生還會帶來無色無味,卻具有放射性的氡氣與滲流水,對礦場週遭居民是一種相當難察覺的生存與健康威脅。在巴西尼日納米比亞,水源遭到污染的程度,甚至超過當地法定或 WHO 標準。即使是相對先進的澳洲加拿大,鈾礦開採也導致當地原住民被曝、環境與水源遭到污染,甚至也有工人受到影響

無法被拿來製造黃餅的尾礦,甚至被美軍拿來製造貧鈾彈,導致遭攻擊區域的新生兒,如伊拉克、波士尼亞與科索沃等地新生兒產生白血病與畸形的情況發生。

鈾礦作為核電所仰賴的燃料來源,除了不可再生,開採時還會造成嚴重的環境影響,自然不符合循環經濟的原則。 核電想用潔淨能源(clean energy)來標榜自己,說不定是某種自嘲?

製造:燃料棒精煉(製程高耗能、使用大量化學品、潛在 CFCs 逸散問題)

前面提到的氧化鈾 a.k.a 黃餅,還需要轉化為六氟化鈾,並將鈾-234、鈾-235 與鈾-238 等同位素分離,才能進一步濃縮萃取成為濃度為 3% 至 5% 的鈾-235。這些原料在進一步將經過化學加工,才會製作成燃料棒。除了過程中使用的化學品外,過程需要高溫加熱至攝氏 800 度,因此也會這也是一個高耗能及高碳排的製程。

如果採用氣體擴散法(gaseous diffusion)進行濃縮時,還會使用 FREON R-114 冷媒進行冷卻,也就是使用了大量的氟氯碳化物(CFC)。這種化學物質可以在大氣中存在超過 100 年,不僅會破壞臭氧層,其溫室效應比二氧化碳強上 10,000 倍。

要將鈾礦精煉成燃料棒,本身就具有高耗能的問題,製程使用大量化學品,再加上氟氯碳化物(不僅是臭氧層殺手,溫室效應還比二氧化碳高上 10,000 倍)逸散的問題。核電要號稱零碳排,是不是忽略了太多事情?循環經濟也重視製程中的資源耗用與環境衝擊,核電需要耗用的燃料棒,在這裡也有許多潛在的問題。

使用:核電廠運作(缺乏效率、彈性與韌性)

核能的熱效率低落,排放較多廢熱至環境

核能、燃煤、燃氣,這幾種熱電廠的原理,同樣都是燒開水來帶動發電機組。核電難道燒得比較有效率嗎?核電的熱效率平均只有 34–36%,也就是三分之二的成為廢熱排放到環境當中。燃煤以台灣的林口電廠超超臨界燃煤機組來說,則可以到達 44.93%,燃氣(複循環燃氣機組)以大潭較舊的 1 號機組來說可以來到 58.75%、通宵 1 號機組則可以到達 65%。

這裡並不是直接替化石燃料發電背書,而是要指出較於其他熱電廠,核電的熱效率是最低的,亦即排放較多廢熱到環境當中

核能無法彈性調度,無法輔助再生能源

再生能源由於發電過程毋須仰賴有限資源的開採耗用,是循環經濟在能源上的優先選擇。因此在 100% 再生能源的轉型過程中,能否有效扮演橋接角色,也是判斷何種發電方式較有資源效率的一種系統思考。

由於太陽光電、風電主要的再生能源,會具有間歇性,在儲能技術能夠滿足電網級需求之前,就需要能夠快速調度能力的電廠。燃氣發電就像瓦斯爐一樣,可以快速調動。燃煤發電則像是烤肉時要用木炭生火一樣,調度較慢。核能發電則是最緩慢的,從停機到滿載需要一週的時間,核電機組如要配合再生能源進行頻繁的調度作業,不僅速度難以跟上,也會有更高的機率產生損壞,成本與核安風險都會提高

核能缺乏韌性(resilence),難以因應暖化情境與區域衝突

由於核電廠需要極為穩定的冷卻系統,不管是聯外電源中斷、地震或海嘯導致故障,還是海水溫度過高,都可能導致冷卻系統失靈。因此核電廠在戰爭、地震與全球暖化的情境下,都可能會遇到需要預防性停機的狀況。

事實上,美國與歐洲都已經發生過多次熱浪導致核電必須停機的狀況,依賴河視為作為冷卻水的核電廠,也可能會因為缺水被迫停機。這也顯示了核電高風險、高度集中的特性,將會讓電網在面對氣候緊急與區域衝突時缺乏韌性,導致電網缺乏穩定性

廢棄:核廢料(無法有效循環,缺乏安全存放的解方)

不管是急性還是慢性,由於放射性物質對於人體健康具有潛在的危害,因此我們在照 X 光的時候要穿鉛衣,核電工人特別需要做好輻射防護措施,放射性物質的運用與管理也擁有特別法規與條件。

核電產生的低放射性核廢料、高放射性核廢料,也能夠人體產生危害,也成為全球核電產業頭痛的課題。核災產生的輻射污水、輻射污土,甚至是疏散後無法回歸的廢城,則是核安事故導致的大規模資源耗損與環境浩劫。

低放射性核廢料

所謂的低放射性核廢料,除了少部分醫院、農業、工業及學術研究單位使用放射性同位素時,所產生的廢棄物與輻射源,其餘九成以上都是來自核電廠。除了燃料棒以外,只要是核電廠維護與運作時所產生的廢液、防護設備、替換下來的零組件與設備、除役拆除產生的廢棄物,都屬於這個範疇。換句話說整座核電廠都會變成核廢料,這本身就是一個巨大的資源浪費。因為不會有人想冒著產出輻射鋼筋的風險,去回收再利用核電廠的建構鋼材。

不過既然叫做低放射性核廢料,放射性應該就比較低……對吧?不過在現行的法規當中,不管是短暫曝露、放射性較低的防護衣,還是高度曝露、放射性較高的反應爐週遭組件,即便放射性與半衰期相差數千倍,這些都會被視為低放射性核廢料,採取同一種方式來處理,也代表管理風險的增加。

拍攝這張照片的達悟族人周福貴,曾在 2007 年至 2012 年間,擔任蘭嶼核廢料貯存場「檢整」的工人,並協助揭露貯存場在趕工的情況下,忽視輻射防護,造成工人及環境曝露在輻射威脅下的真相。2015 年在不到 50 歲的年紀,因不明原因逝世。(圖片來源:焦點事件)

蓋在蘭嶼的核廢料儲存場,裡頭放的就是低放射性核廢料。在 2011 年底,台電委託中央研究院地球科學研究所研究員扈治安進行檢測,測出貯存場外的潮間帶有人工核種每公斤 6.5 貝克的鈷-60、每公斤 32.9 貝克的銫-137。這兩種人工核種在蘭嶼島上其他各處,也有類似的檢出。這樣的科學證據,加上當時參與檢整作業的達悟族人周福貴所揭露的現場狀況,都顯示了光是低放射性核廢料,就難以找到適合儲存場所,也並未受到缺乏妥善的保管與處置

高放射性核廢料

缺乏最終處理措施

使用過的燃料棒,或被稱作乏燃料(spent fuel),也就是所謂的高放射性核廢料。由於放射性極高、半衰期極長,需要至少存放 10 萬年才能到達到安全的程度。

擁有少見的古老岩盤,讓芬蘭得以興建全球第一座深層地質處置場。但仍然面對儲放設備是否能夠因應十萬年的超長期存放挑戰。(圖片來源:Posiva)

目前全世界除了芬蘭的 Onkalo 深層地質處置場 — — 這座位於 400 公尺深處、超過 18 億年的穩定岩層的處置場 — — 已經開始試運轉外,沒有任何一座最終處置場,而且 Onkalo 使用的儲放管理技術 KBS-3 ,仍被視為有腐蝕與逸散風險。美國育卡山最終處置場計劃,自 1987 年發展至今也宣告終止。高度依賴核能的法國,目前仍在試圖開發深層地質儲存設施。全球雖然使用了大量的燃料棒,至今仍極度缺乏可行的高放射性核廢料最終處置場各國在選址與可行性上都遭遇重大的挫折,成本也不斷增加。問題就在於要負責任地高放射性核廢料,需要長期額外投注大量的資金與資源才能確保無害,規劃的時間尺度需要長到十萬年

再利用方案仍有核廢料也不經濟

雖然有擁核人士提議,用後燃料棒仍有 95% 的鈾、1% 的鈽能夠進一步提煉成核燃料。然而之前唯一投標台電再處理合約的法國 Areva/Orano 來說,實際轉化率也只有 10%。而且經過處理後的核廢料,仍然會有殘餘的用過燃料棒,仍需尋求最終處置場。而且加上專用的運輸容器,導致實際運回來的核廢料量體可能還會高於送出前。如果將進行再處理作業時被污染的工具、過濾設備和溶劑也列入,就不難發現所謂的再處理作業,反而會產生更多無法循環的放射性廢棄物,同樣也需要最終處置。運輸過程可能造成的輻射污染與核武擴散,也是再處理作業長年遭到質疑與隱憂。

長年於全球從事核分裂物質與核武管制的核子物理學家 Dr. Frank von Hippel 指出,再處理是一種非常昂貴的程序,取出鈽再製成新的燃料棒的費用,比一般燃料棒貴10倍。(圖片來源:媽媽監督核電廠聯盟)

然而,要將這些鈽與鈾製成混合氧化物(MOX, mixed oxide )燃料並加以運用,需要極高的成本。這也讓再處理廠商處於難以為繼的狀態。英國 Sellafield MOX 廠在多年表現不佳的狀況下,啟用不到 10 年就宣告終止。美國能源部在 2015 年的報告就指出沒有明確有效的方式,能夠降低 MOX 的生命週期成本(life cycle cost),預估工期也長達 15 年。最終美國國家核子保安局在 2019 宣告終止南卡羅來納的 MOX 計劃,這項雖已完工七成,但工程逾期且預算超出 10 億美元以上的項目。日本的 MOX 廠工期也再次拉長。這都顯示了,要從用後燃料棒中再次萃取能源,並不是一間那麼經濟有效的事情,況且最終仍有放射性高、半衰期長的高放射性核廢料產生

長年無法商轉、接連破產的第四代反應爐開發計劃

雖然也有擁核人士聲稱比爾.蓋茨投資的行波反應爐(Traveling wave reactor, TWR)能夠直接已核廢料來驅動,而且可以完全消耗殆盡,並認為這就是循環經濟。但這類的第四代反應爐目前也都還在實驗室階段,不僅完全沒有實證經驗、遭到氣候能源專家質疑、開發公司也接連破產,也跟當前實際上運轉中的第二、三代反應爐相去甚遠,完全不適合在評估能源政策的時候混為一談。同時,直接將「廢棄物資源化」等同循環經濟,也是極大的誤解,完全忽略了核電在整個產品生命週期造成的問題,也忽略了經濟可行性也是循環經濟需要考量的因素

台灣缺乏中長期處置措施

福島核災發生時,日本原子力委員會就曾警告時任首相菅直人,萬一福島第一核電廠存放用後燃料棒的冷卻池失去控制,將會導致極為嚴重的放射性污染,甚至影響到首都圈。這指出了高放射性核廢料本身也具核安風險。 在台灣,用後燃料棒都存放在核電廠的冷卻池當中,並且已經嚴重超載,超出安全密度。核二廠的兩座機組甚至要改裝裝載池才能容納,也成為台灣核能運作的沉痾,更別提台灣目前仍然缺乏相對可靠的中長期與最終處置計劃,這個問題也一直是擁核人士從未有效回應,也是許多公民所擔憂的課題。

核災導致的資源流失

由於核電廠週邊數十公里的環境輻射劑量率仍舊偏高,日本政府投入每年 5000 億日圓進行除污作業,以推動未來的返鄉政策。這項作業移除了大量表層污土,但由於苦無儲存空間,至今已屯積的 1400 萬立方公尺污土,最終也需要尋求「最終處置場」。

福島核事故產生的核污水,經歷了十年已達 125 萬公噸,卻有近四分之三的廢水未經妥善處理,就放流到海洋之中,將氚、鍶-90、碳-14、銫-137、碘-129和鈷-60 等放射性物質帶到海洋中。對於海洋生態與週遭國家產生不確定的影響。

福島除污後的廢土無處可去,大量堆放在住家週遭。(圖片來源:綠色和平)

核災產生也讓許多珍貴的水資源與土壤成為了核廢料,這實際上就是嚴重的資源流失。這些污土體積相當於 17.8 座 台北車站、污水體積相當於 554.2座奧運標準游泳池(數據換算來自關鍵評論網〈福島核災十年:被污染的土壤和水,該何去何從?〉專題報導),還要額外花費大量的資源,興建接收分類、儲放與焚化設施。

綠色和平的《核災永恆,十年一瞬》調查報告指出:接受疏散令的市町村共有 11 個,原居人口回歸比例各不相同,例如浪江町登記人口只有 10 年前的 5.4% 、人口最多的飯館村則有 19%。這也意味著眾多花費資源、時間與心力,所建造起來的的家園與事業,由於核災而遭到棄置

核四蓋到一半,不續建不就很浪費資源嗎?(一點也不)

1980 年規劃、1999 年動工,2014年封存,歷經近 40 年卻尚未完工的核四廠,在今年燃料棒也已經完全運回美國。但你可能會認為「核四蓋到一半,不續建不會很浪費嗎?」

但不管是從過往劣跡斑斑的施工記錄、核工專家直指核四在工程上的弊病,或者是地質專家說明的斷層問題。跟核四使用同型 ABWR 的少數電廠,不是因為無法通過福島核災後的健檢,或者是支撐建築變形斷裂,目前也都全數停止運轉,唯一的興建案也不斷延遲。這些證詞與證據,都說明核四是一個高風險、不可靠的電廠。

2009 年至202 0年間太陽能成本下降了 90%,風能成本則下降了 70%,但新的核電成本卻增加了 33%,讓核電成為又貴又慢的能源。(圖片來源:綠色公民行動聯盟)

《2021 世界核能產業現況報告》也指出全球核電成本飆升,再生能源成本不斷下降,興建時間長、難以調度又缺乏韌性的核電機組,都難以宣稱是最具成本效益與發電效率的能源選項。全球許多核電廠也都因為成本不斷提升,需要尋求更多補貼或宣告關廠倒閉,唯有極權國家才會積極新建核電廠。

如果不管怎樣也要傾全國之力妥善地蓋好這座電廠的話,就會需要完整的安全評估、地質調查、環評審查、原能會安全審查,這些通過之後才能取得建照,進行施工與試運轉。假設沒有任何延遲(不符合國際經驗),並且環評與安全審查同步進行的話,至少也要 15 年才有可能商轉發電,同時也無法滿足國際品牌要求供應鏈採用綠電的需求。

從環境、成本、產業發展、風險管理的角度來看,直接將核四認列為沉沒成本,將資金、人力與時間,用來推動節能、儲能與綠能,才是最具有資源效益的做法。

核電廠延役呢?歐盟永續金融是不是支持這點

廢棄物資源化雖然不見得是循環經濟,但是延長產品生命週期總是了吧?那麼將現有的核電廠延役,是不是符合循環經濟的精神呢?

如果將核電廠延役,那麼源頭採礦與末端核廢料的問題仍然會持續增加,而且也無法解決核電缺乏效率的問題

但對於仰賴核能而跟不上能源轉型腳步的國家而言,延役確實是吸引人的選項,這也是為何法國與大部分落於鐵幕而仰賴核電的東歐國家,極度希望爭取歐盟的永續金融分類標準(sustainable finance taxonomy ),能夠納入核能的原因,就是因為得到資金挹注來替換組件,讓既有的核電廠能夠撐到 2050 年(不是說核電既便宜又高效,怎麼還會需要來蹭這個錢呢?)

但歐盟實際上還沒決定是否納入。歐盟聯合研究中心(JRC, Joint Research Centre)視核能為安全低碳能源的報告,也遭到聯合國的責任投資原則(PRI, Principles for Responsible Investment)發表正式聲明批評,指出該報告大幅缺乏對於放射性廢棄物、核能事故與核擴散的風險評估,也忽略整個產品生命週期,特別是鈾礦開採的部分,超出歐盟的管轄範圍(可能會不符合歐盟永續原則)。聲明認為如果該標準納入核能,將設立永續金融分類標準的目的不相容。

問題仍然在於延役無法回應核電生命週期的各種風險與問題。

結論

雖然在循環經濟裡頭,沒有廢棄物的存在。但面對從鈾礦開採、燃料棒製造、核電廠運行效率與風險問題,加上高風險又難以處理的核廢料,這些核能發電問題重重的實際情形,循環經濟的處理方式,會是優先設計出一個不需要使用核電的能源系統。也就是說,在循環經濟裡面,不該有核電的存在

CC BY-NC-ND 2.0

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