給未來總統的能源課：頂尖物理學家眼中的能...

福島核災
熔毀
2011年3月11日，巨大的地震侵襲了日本，震度規模達9.0，威力是1906年舊金山大地震的30倍。更糟的是，這次地震攪動海洋並催生了一個怪物──高達30英呎（相當於三層樓高）的海嘯，海嘯襲擊了海岸線，灌進內陸，死亡人數超過1萬5000人死亡，並摧毀超過10萬棟建築。
這次海嘯最知名的受害者之一是福島第一原子力發電所，一座設置於海岸，以便從海中就近取得冷卻水的核電廠（圖I.1）。兩名發電廠員工在地震中喪生，還有一名員工死於海嘯，據信當時的海嘯高度達50英呎。但是在接下來的幾小時、幾週以及幾個月裡，人們越來越擔心這座受損的核電廠最終會造成數千、數萬甚至更多的受害者。這座核電廠在設計時已經把大規模地震納入考量，並且也安然度過地震，但是沒有人想到會發生50英呎高的海嘯。核子反應器受到嚴重的破壞，當中存放的鈾會像原子彈一樣的爆炸嗎？
答案是否定的。無論是海嘯、小行星的撞擊，甚或是核電廠整個落入恐怖分子的手中，福島的核子反應器都不會像核彈一樣爆炸。最根本的理由與工程無關，而是基於設計核子反應器所使用的物理。光有鈾是無法讓核子反應器像核彈一樣地爆炸的；如果不是這樣，許多國家以及恐怖組織早就擁有核子武器了。
核彈和核子反應器使用的都是核連鎖反應，在這個反應中，一個輕鈾（U-235）原子分裂所釋放出巨大能量相當於一個TNT（譯註： Trinitrotoluene，三硝基甲苯，即黃色炸藥）分子所釋放能量的2000萬倍。核分裂反應中也會釋放出一些中子，中子是存在於原子核中的微小粒子，當這些中子與其他的U-235原子產生碰撞時，就會造成原子分裂，而產生更多的中子。中子的數量會在每一級反應中倍增，經過大約80級反應後（大約只需要數百萬分之一秒），就可以讓1磅的鈾分裂，並且釋放出相當於2000萬磅（或是1萬噸）TNT爆炸所產生的能量。分裂後的原子核以熱的方式釋放出能量，使得這些原子殘骸的溫度超過1000個太陽。物質被蒸發、離子化，轉變成大量的高壓電漿然後爆發，將一切破壞殆盡。
要產生如核彈般的核反應，必須使用純度非常高的鈾235。但是一般核子反應器所使用的燃料棒中只含有4%的鈾235，其他部分則是較重的鈾238，鈾238也會吸收中子，但是其核分裂反應並無法形成可持續的連鎖反應。由於鈾238的存在，必須要藉由某種方法才能維持連鎖反應的進行。這個方法是費米（Enrico Fermi）在二戰期間所發明的，他把鈾和碳或水混合再一起，當碳或水的量足夠時，中子在撞擊到鈾238之前會先與這些分子產生碰撞而失去部分能量，減緩速度成為慢中子。鈾238的一個特別且重要的特性就是它並不會吸收這些慢中子，只會把它們彈開。這些慢中子最後與會鈾235產生碰撞，讓連鎖反應持續下去。核子反應器會設計成平均只有一個中子能觸發核分裂反應，讓能量釋放的速率維持穩定。
緩慢的中子可以避免發生大爆炸。當連鎖反應因為某些地方出錯而出現失控的情形時，便稱為反應性事故。這時能量會開始累積，然而由於中子的速度非常緩慢，因此發生爆炸所需的時間也很長。當能量密度達到TNT的等級時，反應器會被炸開而中斷進一步的連鎖反應。此時所釋放的能量與TNT相當，只有原子彈所釋放能量的2000萬分之一。
1986年的車諾比核子反應器，就是因為失控的連鎖反應所造成的反應性事故而發生如炸藥般的爆炸。爆炸後的情形如圖I.2的照片所示。爆炸的威力的確足以摧毀大部分的反應器建築，但是也僅止於此。這次事故所造成的災難並不是爆炸本身，而是爆炸時所釋放出的大量放射性塵埃。據估計，這些外洩的輻射造成了2萬4000人罹患癌症。幸運的是，其中有許多人罹患的是可以治癒的甲狀腺癌。
與車諾比不同的是，福島核電廠的反應器並未爆炸。雖然上半部的建築因為累積的氫氣而炸毀，但是反應器本身並未遭到海嘯破壞，最後成功停止運轉並且安然地度過了幾個小時。即使連鎖反應已經停止，但反應器的核心仍有足夠的放射性物質產生危險的高熱，起初冷卻泵成功阻擋事態失控。最現代化的反應器並不需要這些冷卻泵，而是使用自然對流來維持冷卻水的循環。但是福島的反應器並不是最新型的反應器，必須借由輔助的動力系統來維持冷卻泵的運轉。這套系統在地震與海嘯的考驗下仍然正常地運作，並順利冷卻了反應器。
當然，這套輔助冷卻系統無法永遠地運轉下去，根據設計它可持續運作大約8小時，在正常的情況下，這段期間內動力應該已經恢復。然而當初的設計並未預料到海嘯會對基礎設施造成如此巨大的破壞。最後緊急動力耗盡，造成大部分的燃料棒因為過熱而熔毀。技術上而言，應該把福島核災稱為一次跳電事故，因為這座電廠是因為失去電力而毀壞。熔毀的燃料棒造成大量可怕的輻射外洩，程度超過1979年美國的三哩島（Three Mile Island）核子反應器事故。事實上，福島核災外洩的大量輻射僅次於1986年的車諾比核災，是史上第二嚴重的核子事故。

輻射外洩
當福島核子反應器中的燃料棒無法再被冷卻後，包覆燃料和核廢料的金屬外殼因為過熱而熔毀，造成大量的揮發性氣體外洩。這些物質中最危險的是具有放射性的碘131以及銫137。碘131的危險性在於半衰期很短，也就是會在很短的時間內衰變，並釋放出大量的輻射，因此初期外洩的輻射大多來自於碘131。除此之外，當你吸入或攝入碘137後，它會集中到人體內的甲狀腺中，而導致甲狀腺癌。諷刺的是，碘137快速衰變的特性也是個好消息。在8天之內碘131就會衰變為原本的一半，經過2個月後，其放射性就會下降到初始值的0.5%。基本上，福島核電廠外洩的碘137到現在為止已經完全消失。
當你靠近碘131的洩漏源時，可以採取一種保護性措施：攝取一些碘片（碘化鉀，potassium iodine）。這些碘片可以讓你的甲狀腺充滿不具放射性的碘並達到飽和而不再吸收碘，暫時避免受到碘131的危害。只要等上幾個月，就可以確保你的甲狀腺安全無事。然而，許多人在福島核災發生後，就已經透過呼吸攝入了高劑量的碘131。
銫137由於衰變的速度慢，初期的放射性較低，但這也意味著它持續釋放輻射會的時間較長。銫137衰變為一半所需的時間是30年。放射性鍶（strontium，Sr-90）的半衰期也差不多。這些物質會讓你漸漸暴露在輻射下，而放出輻射的速度慢表示它們跟著你的時間更長，在不知不覺中造成嚴重的後果。它們會飄落在植物上，然後被動物與人類吃進肚子，最後聚集到骨骼裡。
1986年車諾比核災的可怕之處在於，當時的民眾並未在嚴重的傷害發生之前，得到適當的保護以遠離放射性碘、銫和鍶；當地的居民仍持續地飲用了以受汙染牧草的牛隻做為主食所生產的牛奶。而福島的官員則下令民眾撤離事故的周邊地區，並且禁止該地區所生產的食物流入市面。
福島核災造成的汙染有多嚴重呢？圖I.3是單純計算居民在核災發生後仍留在當地的1年間所攝入的輻射劑量，但這張圖表並未將食用當地作物所會累積的劑量計入，因為這些食物在一開始就受到禁止。

底線：我們應該怎麼做

海嘯很可怕，超過1萬5000人在滔天巨浪下喪生。海嘯還讓一座核子反應爐嚴重熔毀，為周邊地區帶來癌症和其他的後果，包括撤離未經海嘯侵襲的區域。反應器損毀帶來的經濟後果很嚴重。就死亡和撤離而言，對居民造成的影響也很巨大。從輻射外洩的致死人數很可能少於100人來看，同樣是悲劇，但與海嘯所造成的死亡相比，這個數字是如此之小，實在不該當成決定政策時的中心考量。
福島的反應器當初並非設計來承受9級的地震和50英呎的海嘯。周圍的土地遭到汙染，必須要花上許多年才能回復。但要注意的是，核能造成的損害比起地震與海嘯還算輕微。位於日本（以及美國）的核子反應器應該要強化備用系統，以確保這樣的事故不會再發生。我們當然應該從悲劇中汲取教訓，但我們應該把福島核災作為停用核能的理由嗎？
沒有什麼是絕對安全的。設計核子反應器時，我們得要考量所有可想像得到的天災人禍嗎？比如說小行星或彗星的撞擊？或是大規模的核子戰爭？當然不可能。因為小行星或戰爭所造成的傷害，遠超過核電廠受損的輻射外洩的損害。
福島的輻射外洩會得到世界上那麼多關注，相當不尋常，尤其是考慮到海嘯造成的直接死亡人數和破壞超過輻射外洩100倍。或許人們把焦點放在反應器的熔毀上，是因為這個問題是人力可解決的；相對而言，似乎沒有一種方法可以讓日本免於50英呎海嘯的侵襲。難道要規定離海岸20哩之內都不可居住嗎？或是沿著包含東京灣在內的整個日本東海岸建一道高達50英呎的堤防？
下面是我對如何擬定核電廠安全標準的建議：核電廠必須足夠堅固，才能在被破壞或損毀時，因輻射外洩所造成的額外傷害遠小於使核電廠受損的災害本身。如果你有額外的預算，請花在防範根本的災害上，而不是二次災害上。
除此之外，在考慮輻射傷害時，應該以丹佛輻射量為標準。在計畫或是進行災害應變時，忽略任何低於丹佛居民每年接受的額外輻射量：0.3侖目= 300毫侖目=3毫西弗。國際放射防護協會規定的撤離量至少應該提高到這個標準，而且承認即使是12倍丹佛輻射量所造成的傷害，都遠低於撤離或其他過度反應所造成的傷害。
以這個標準來看，福島核電廠在設計上並沒有問題。當然，我們還可以把新的反應器建得更安全，但至少福島通過了這個標準的檢驗。

福島核災
熔毀
2011年3月11日，巨大的地震侵襲了日本，震度規模達9.0，威力是1906年舊金山大地震的30倍。更糟的是，這次地震攪動海洋並催生了一個怪物──高達30英呎（相當於三層樓高）的海嘯，海嘯襲擊了海岸線，灌進內陸，死亡人數超過1萬5000人死亡，並摧毀超過10萬棟建築。
這次海嘯最知名的受害者之一是福島第一原子力發電所，一座設置於海岸，以便從海中就近取得冷卻水的核電廠（圖I.1）。兩名發電廠員工在地震中喪生，還有一名員工死於海嘯，據信當時的海嘯高度達50英呎。但是在接下來的幾小時、幾週以及幾個月裡，人們越來越擔...

【前言】
能源是當今世界上最重要的商品。國家財富與能源耗用量有顯著的正相關。許多國家為了爭搶能源而發動戰爭。我們對能源之敏感可以從一個只佔2%供應量的國家（利比亞）停止原油出口，卻造成石油價格勁揚10%而得知。
能源災害一個接著一個。墨西哥灣的大規模漏油事件可能會釀成美國歷史上最嚴重的生態災難。儘管有來自核能支持者的樂觀預測，但從三哩島（Three Miles Island）到車諾比，核能災害仍不斷地發生，然後就在一切看來都安全無虞時，又發生了福島核災。現今又出現了一項新的能源威脅：水力壓裂（fracking），一種可能會汙染整個水域的天然氣鑽採方法。而過度的能源消耗，可能會把我們帶向人類歷史上最大的災難：無法控制的全球暖化，以及伴隨而來的颶風、洪水，以及最為諷刺的乾旱。
近來美國在經濟上所嚐到的苦果，多半都是從能源衍生而來。每年500億美元的貿易逆差，有一半來自於石油進口，而且情況還可能變得更糟。中國正在和美國爭奪石油，其石油進口量以每年50%的速度增長。我們對石油的高度依賴對市場形成了巨大的壓力，特別是根據預測，石油供給量將在十年內達到（並越過）高峰。許多國家在能源安全上飽受威脅。2009年，俄羅斯為了教訓烏克蘭而將供油管路切斷一天，才令法國和德國驚覺自己在能源上的脆弱。
雖然問題這麼多，我們卻將能源視為理所當然。當家裡的電力中斷時，一定是某個蠢蛋犯了錯。如果價格上揚，一定是有人在裡面上下其手！在美國，便宜的能源是民生必需品，而不是奢侈品。對許多人來說，便宜的能源是一項基本人權。
我們都曾聽說能源正逐漸耗竭，但是又聽到很多人說到處都是能源，正等著我們開採。如果我們夠聰明，而且不被那些能源大公司愚弄的話，能源還是一項很棒的投資。陽光裡有能源，海水裡、風裡、從地球深處緩慢地釋放出來的地熱裡也都有能源。有人跟我們說，我們對化石燃料的依賴只是石油公司操弄下所形成的癮頭。
我們需要能源，卻對我們所擁有的能源揮霍無度。在柏克萊大學的大講堂（我授課的地方）裡，即使在大白天也使用人工照明。我們在冬天過度加熱建築，在夏天過度冷卻建築，這樣做讓我們感覺良好。節能讓人聯想到馬力不足的汽車、不舒服的日光燈和必須在自己的客廳裡穿著毛衣。
在軍事或經濟上，能源是國家安全的核心，而且在總統和人民所做的決策中位居要角。但是能源既抽象又神秘。物理課本裡對能源的定義是「作功的能力」，但除非你了解技術上如何定義同樣抽象的「能力」與「功」，否則只會感到困惑。我們被教導要節省（conserve）能源，但是物理學家又告訴我們，能源守恆（conservation）並不是個選擇，而是條自然定律。對未來的總統而言，到底他真正需要知道的是什麼？
當你成為總統，你可以放心把能源議題全部留給你的能源部長或是科學顧問去處理嗎？如果有這麼簡單就好了！讓我們想像一下底下兩個假設的情境：
▪ 你的科學顧問向你大力讚揚太陽能的優點，同時間你的經濟顧問正在擔憂美國汽車工業的衰退，而你的國務卿則對發生於沙烏地阿拉伯或伊朗等產油國的革命風潮感到束手無策。與能源有關的知識，對處理這些問題至關重要。
▪ 你的能源部長認為福島核災的後果太可怕，應該要停止使用核能，但是你的科學顧問說，美國並不會受到海嘯的威脅，而且沒有人因為福島核災中外洩的輻射而喪命，反而證明核能是可靠的。你必須權衡這些建議並做出決策，但這兩者間似乎毫無交集。

當你的顧問彼此之間意見相左時，你該如何得出正確的結論？結論當然是，你不只需要了解他們的結論，而且還必須了解他們是基於那些事實和邏輯而形成他們的結論。我們生活在一個高科技的世界裡，因此你無法像過去的總統一樣，只靠著經濟、政治、外交與軍事上的資訊來治理國家。你必須知道且了解能源。更困難的是，你還必須要帶領民眾與國會。你不能只靠民調來做事，因為大眾並不欣賞折衷與妥協。你責無旁貸。
這本書的目的並非在於提供建言，而是在傳授知識。有時我也會提供自己的看法，但是請注意，那只是個科學家的意見。當你當上總統，我並不會因為你採用了另外一種方法而感到驚訝或失望。至少你知道你自己在做什麼。
我盡量使這本書更精簡，而不是更完整。我把重點放在那些總統必須知道的事，那些進一步了解各項議題時所需的基礎科學與資訊。
這本書的開頭會回顧一下近年來所發生的一些能源災難。這些事件佔據了報紙頭版標題，而且往往會影響民眾對能源的態度，但這些標題大多不夠精確或產生誤導。常常在經過災害的幾個月或幾年後，我們才發現我們的第一印象是錯誤的。福島核災和墨西哥灣漏油事件都是這類的實例，甚至大眾印象中化石燃料對全球暖化的影響也是如此。
這本書的第二部分涵蓋了以驚人的速度改變中的能源「地景」。我們所有的運輸方式──汽車、卡車、飛機，都仰賴液態能源（石油、柴油、汽油），然而我們的自給能力卻低得可憐。我們擁有豐富的天然氣儲量，但是車子能以此為動力嗎？而開採天然氣的新方法──水力壓裂法，對環境的破壞有多嚴重？如果把這項技術應用在巨大的油頁岩蘊藏量時能帶來多大的效用？節能真的會像許多人認為的不舒適，並造成生活品質的下降嗎？或其實是不需要犧牲什麼就可以達成的目標？會不會節能其實是一項很好的投資，只有笨蛋才會忽略？
這本書的第三部分會重新檢視一下重要的「新」科技，有些科技其實十分古老，但是再度受到重視。一到夜晚就無法供電的太陽能為何值得投資？核能真的走到盡頭了嗎？還是會像鳳凰一樣從福島的灰燼中再度升起？氫經濟發生了什麼事？我們的孩子未來開的都會是電動車？這些都是會受到媒體下的大標和企業家的誇大而遭到扭曲的議題。
第四部分，我們會碰到一個可以晚點再來討論的問題：什麼是能源？科學家對能源定下絕佳的定義，但是對於主要關心能源政策的總統來說沒什麼幫助。所以我們使用體驗法，在定義能源之前先學習關於能源的各種知識。事實上，這個部分也可以跳過。你不見得要能定義能源，只要在你看到時知道它就是能源就可以了。
最後一部分，我會假設你需要我的意見，而提供我的看法。這一章是本書中最不重要的部分，因為的我的看法只是來自於科學家有限的視界。你才是那個需要在技術可行性與經濟、國家安全及國際外交的限制下取得平衡的人。
一個好的總統必須要是個領導者，這表示他除了做出正確的決定之外，還必須是國家的指導者。科學顧問或能源部長都無法說服大眾，一般的認知不見得是正確的。這項任務只有民眾最信任的人才能辦得到，就是他們所選出來的總統。

【前言】
能源是當今世界上最重要的商品。國家財富與能源耗用量有顯著的正相關。許多國家為了爭搶能源而發動戰爭。我們對能源之敏感可以從一個只佔2%供應量的國家（利比亞）停止原油出口，卻造成石油價格勁揚10%而得知。
能源災害一個接著一個。墨西哥灣的大規模漏油事件可能會釀成美國歷史上最嚴重的生態災難。儘管有來自核能支持者的樂觀預測，但從三哩島（Three Miles Island）到車諾比，核能災害仍不斷地發生，然後就在一切看來都安全無虞時，又發生了福島核災。現今又出現了一項新的能源威脅：水力壓裂（fracking），一種可...

序
前言

I 能源災難
1 福島核災
2 墨西哥灣漏油事件
3 全球暖化與氣候變遷

II 能源面貌
4 天然氣－─意外之財
5 液態能源安全
6 頁岩油
7 能源生產力

III 替代能源
8 太陽能發電
9 風力發電
10 能源儲存
11 蓬勃發展的核能發電
12 核融合
13 生質燃料
14 合成燃料與高科技化石燃料
15 替代能源中的替代能源：氫能、地熱、潮汐和波浪發電
16 電動車
17 天然氣車
18 燃料電池
19 潔淨煤

IV 什麼是能量？

V 給未來總統的建言

附注

序
前言

I 能源災難
1 福島核災
2 墨西哥灣漏油事件
3 全球暖化與氣候變遷

II 能源面貌
4 天然氣－─意外之財
5 液態能源安全
6 頁岩油
7 能源生產力

III 替代能源
8 太陽能發電
9 風力發電
10 能源儲存
11 蓬勃發展的核能發電
12 核融合
13 生質燃料
14 合成燃料與高科技化石燃料
15 替代能源中的替代能源：氫能、地熱、潮汐和波浪發電
16 電動車
17 天然氣車
18 燃料電池
19 潔淨煤

IV 什麼是能量？

V 給未來總統的建言

附注