核燃料的前世今生：關於鈾、鈽與釷那些事(一)
核燃料工廠的員工，拿着1枚鈾燃料丸。(圖/WNN)
在英國格拉斯哥舉行的第26次聯合國氣候峰會(COP26)期間，核能終於成爲各脫碳轉型的顯學，新的技術與相關法規都在制定中。一種意見開始出現，認爲現有的鈾燃料核電是比較落後的技術，應該改用更好的「釷燃料」，並宣稱核廢料的數量更爲減少甚至不殘留，我們真應該好好了解一下核燃料的故事。
鈾燃料(Uranium)：鈾顯然是在大約 66 億年前，在某個超新星中形成的，強烈的爆炸波打進了一塊巨大的星雲裡，使這塊星雲開始融合與加熱，後來成爲我們的太陽系。雖然鈾在太陽系中並不常見，但是它在地底深處應該比較豐富，它緩慢的放射性衰變，提供了地球內部的主要熱量來源，導致地質活動，包括火山、板塊運動，以及隨之產生的地震與高山，可以說，地球就是個核反應爐。
人類發現鈾元素，則是普魯士化學家克拉普羅特(Martin Heinrich Klaproth)在1789年發現的，他將一種黑色的瀝青礦石用硝酸溶解，再用氫氧化鈉重新中和，產生一種黃色粉末，這是後來所知的氧化鈾，又叫黃餅。他相信這是未知元素的氧化物，並試着與碳一同加熱來還原，結果並不成功，他得到的是被染黑的粉末，而不是純粹的鈾金屬。但不管如何，他確實發現了新的元素，並且以天王星「尤拉諾斯」(Uranus)將其命名，也就是「鈾」(Uranium)。
自此之後，那種黑色瀝青狀礦石就被稱爲「瀝青鈾礦」，許多化學家也開始試着研究裡面還有沒有新的元素，持續做相關的實驗。1896年，法國化學家貝克勒(Henri Becquerel)研究鈾礦的磷光現象，原本他以爲是吸收太陽光再放出所造成，並且用照相底片進行曝光實驗。有一回遇到陰天，貝克勒以爲曝光不足，應該不會在相紙上留下明顯的照度，結果沖洗底片竟發現曝光效果非常強，顯然不是吸收太陽光後的結果，而是鈾礦本身就在散發能量。雖然肉眼不可見，但是會造成相紙的感光，這是人類第一次認識到持續散發能量的放射性元素。爲了紀念貝克勒的貢獻，我們現在把放射性活度的單位，稱爲貝克(Bq)，每1秒鐘有1次衰變就是1貝克。
外表黑呼呼的鈾礦石。(圖/維也納自然歷史博物館)
貝克勒發現包括鈾礦石的底片感光了，他意識到礦石正在散發能量。(圖/巴黎自然史博物館)
在得知放射能之後，科學界就加快了鈾元素的研究，1934年，美國的費米(Enrico Fermi)與德國奧圖‧哈恩(Otto Hahn)各自進行了中子撞擊鈾的實驗，證實鈾是可以再分裂，並且會產生能量，以及較輕的元素，還有幾個多餘的中子，而這些多餘的中子還有足夠的力量去撞擊其他的鈾原子核，同樣會造成原子核分裂與更多能量，這就叫做連鎖反應。
不過，不是所有的鈾都能簡單的被分裂，事實上大多數的鈾是相對穩定的鈾238(其實它也會分裂，半衰期44.7億年，但是過於緩慢，可以暫時先視爲穩定)，它佔了鈾元素中的99.274%，能夠較容易被分裂的，是濃度僅有0.72%的鈾235。
在知道鈾235提升濃度以後可以完成連鎖反應，當濃度走向極端時，就可以做出威力無匹的炸彈，這就是1930年代美國、德國與日本都在進行的原子彈研發計劃。當然我們現在知道是美國早一步完成，但是過程相當驚險，因爲德國完成的機率也不小，他們也有足夠的理論學家與豐富的鈾礦。
鈾235的連鎖反應，原子核被中子撞擊後，生成鋇與氪，另外再多出2.4箇中子。(圖/WIKI)
鈾燃料的最初用途，是轟轟烈烈的原子彈，這使鈾燃料從一開始就罩上一種「毀天滅地」的形象，反核團體是在「反核武器」還是「反核能」，常常混淆不清，這是頗令人無奈的。
1953年12月8日，美國總統艾森豪(Dwight Eisenhower)在聯合國發表了名爲「原子能和平用途」（Atoms for Peace）的演說，消減各國對核武器的不安。也在同時，美國的首艘核潛艦「鸚鵡螺號」(USS Nautilus SSN-571)已接近完成，它所使用的壓水式反應爐，以低度濃縮鈾爲燃料，是往後大多數核反應爐的樣本，其原理至今仍適用，軍用反應爐與商用反應爐的差別在於鈾235的濃度。
核潛艦之父-美國海軍李高佛上將，利用模型說明核動力的優勢，特別強調它比煤炭更有力量。(圖/美國海軍)
商用反應爐使用的核燃料，其比例是95~97%的鈾238，與3~5%的鈾235的組合，這是安全性的着想，鈾235濃度過高會有武器化的可能，因爲國際原子能委員會一直都嚴格管制各的核燃料。由於在精煉核燃料的過程中會有明顯的輻射痕跡，因此目前都有太空衛星在緊盯着威脅國家(比如北韓、伊朗)是否有核元素煉製的動作。
言歸正傳，在商用反應爐裡，核燃料的反應過程也多是鈾235在參與，鈾原子會因連鎖反應而生成氪與鋇，至於鈾238的角色只擔任吸收中子，安定反應過程，只有少數的鈾238會稍微生成鈽239，但是並不多。當鈾235的濃度低到1%左右時，反應功率就會下降，這也意味着該換燃料了， 一支燃料束大約可以使用1年半。
核燃料使用前與使用後的大略意示圖，鈾235降低至1%左右，另外生成多餘的鋇與氪；絕大多數的鈾238仍然保持原樣，只有少數被生成鈽。(圖/江飛宇制)
另外，雖然它已反應完畢，但是在技術上而言，原本不參與核反應的鈾238，其實在另一種模式之下，也是可以被反應的，這就牽涉到另一種核能元素，也就是鈽(Plutonium)，這就是下一段的故事。(待續)