全球核武燃料的危險

專題報導 11/01/2010


冷戰期間,世界上許多利用武器級核燃料的研究反應器,成為當前核武擴散的隱憂,現在美國在進行一個計畫,希望能減低這些核燃料的潛在危機。

那是早秋一個暖日,陽光從枝葉間的縫隙灑落在小路上,前方佇立著一棟破舊磚屋,鐵鍊圍繞成籬笆,一切看似平和,但籬笆上的標誌寫著「監控區」(Teren Nadzorowany),還有一個已褪色的紅三葉草圖案,這個共通符號在全球都意指輻射區。唯有這個標誌顯示出這建築物裡曾經有過的東西,那就是足以製造超過十八顆核彈的濃縮鈾反應器燃料。

一群來訪記者和美國官員進入建築物內,察看曾經存放核燃料的超純水池,水池平靜清澈,亦無燃料在內。這裡是波蘭原子能研究院,位於首都華沙東南方三十公里處,移除燃料工作已進行一年,在那一天正式結束,最後一批燃料已拖離水池,裝入亮藍色容器內,放置於門口的卡車裡;這些容器很快將在高度戒護下,運往俄國烏拉爾山脈東部的再處理廠,將其中的武器燃料鈾轉換為可供發電的安全形式鈾。

就某些方面而言,這趟過程也像是返鄉,這些燃料三十年前便是從俄國運抵波蘭,美國國家核子安全局在二〇〇一年九一一恐怖攻擊事件後,擔心這種高濃度燃料會成為想製作核武恐怖份子覬覦的目標,故一年前經與波蘭政府多次協商,他們開始清空危險的鈾燃料,並且將反應器轉換為使用安全燃料,《自然》雜誌亦獲准實地觀察這項計畫的進行。

波蘭所擁有的反應器並不獨特,全球政府實驗室與大學校園內,仍有約一百三十座反應器使用核武級燃料,美國總統歐巴馬在二○○九年四月的演說,希望加速非核擴散步伐,並未直接提及這些反應器,但在四年內確保所有核子物質安全,但許多設施顯然屬於不安全的類別。

對於和美國合作,有些研究型反應器運作單位興趣缺缺,世界上當然有較安全的替代性燃料,但要調整反應器既昂貴、困難又費時,波蘭原子能研究院院長基斯托茲克(Grzegorz Krzysztoszek)亦不願轉換反應器,但美國國家核子安全局願意幫助清空舊的鈾燃料、轉換反應器及購買新燃料,本案即花費七千萬美元。美國這項方案目前已將全球七十二座研究型反應器轉換或關閉。為了趕上歐巴馬的時程表,國家核子安全局打算在未來四年內投入近三十億美元,盡可能增加轉換反應器的數量,並清空十個國家內的鈾燃料。

後遺未了

波蘭這座研究型反應器興建於冷戰時期,美國和前蘇聯當時都協助建造許多類似反應器,蘇聯於一九五○年代承諾協助建立這間研究院時,共打造二座大型研究型反應器,其中一座是以由波蘭去法國的居禮夫人的名字瑪利亞來命名,這座龐然大物的發電量為三千萬瓦,當初協議內容中,蘇聯保證會長期提供高濃縮鈾燃料。

不過蘇聯一九九一年瓦解後,研究機構運作困難,波蘭原打算於北部興建商用發電反應器,計畫被迫終止,舊有反應器亦於一九九五年關閉,僅存的這座反應器瑪利亞成為了一個遺跡,現今的核子物理學研究是使用粒子加速器進行,而非研究型反應器。

不過瑪利亞仍在運作,成為波蘭最後一項核子設施,儘管已無尖端技術,這座反應器仍找到利基市場,主要是中子造影及生產醫學用同位素,目前每年五百萬美元預算中,約六成來自產業客戶,包括一間美國企業需要短半衰期的同位素鉬來作醫學造影。加拿大與荷蘭反應器停用後,造成全球同位素荒,波蘭則希望能因此獲利。政府也希望不再以燃煤或俄國供應的天然氣發電,預計在二○二一年左右讓兩座核電廠開始運轉,但首先波蘭科學家及工程師得先受訓,而全國目前僅有這座反應器。

類似情況也在世界各地的研究機構發生,各項工作仍有其價值,美國麻省理工學院研究型反應器主任蒙頓(David Moncton)表示,「反應器不是為運作而運作,我們有運作的目標」,這個反應器這是美國國內少數仍使用核武級燃料的反應器,除了測試新燃料及組件,還有其他間接任務,例如將矽轉化成磷來做矽半導體的攙雜,此矽半導體晶元可安裝在油電混合車裡,發揮高效能電子零組件的功能。

無論反應器是否有用,燃料始終是一大安全顧慮,萬一落入恐怖組織手中,就能淬取出足以製造核彈鈾二三五,鈾二三五原子核被中子撞擊分裂,會產生能量及中子,進而產生連鎖反應,若未加控制就會爆炸;為避免任何人取得核武,商用核電廠燃料均摻入大量鈾二三八,這種較多的同位素不會分裂,且因為兩者就化學上一模一樣,若無高度精密設備,完全不可能分離。

反觀多數研究型反應器使用的燃料裡,鈾二三五濃度高達百分之九十三,再添加鋁等其他元素,讓使用燃料較少,但運作時間較長,產生的中子也較多,不過因為鈾能輕易與其他元素分離,要從中淬取核武原料也更容易,也在先進恐怖組織的技術範圍之內。

易受攻擊

在燃料安全之外,研究型反應器通常在廢棄的國家實驗室或大學研究樓的地下實驗室,美國哈佛大學核子恐怖主義專家布恩(Matthew Bunn)指出,「這些地點多數少有安全設施」,但威脅可不只是學術問題,二○○七年,兩組武裝份子攻擊南非普多利亞的一座反應器,其中一隊與安全人員交戰後撤退,另一隊卻突破電網,進入緊急控制中心,在逃走前朝一名員工的胸部開槍,至今無人遭逮捕,雖然沒有燃料失竊,也不知動機為何,但此事已突顯民用核子設施多麼脆弱。

美國國家核子安全局談判人員與波蘭協商時,便最在意安全問題,因為蘇聯崩潰後,共留下了四百五十四點九公斤的高濃縮鈾燃料,今日兩國團隊仍相當重視安全。

警車於午後聚集在反應器建築物附近的大門,穿著黑衣的員警守在七輛卡車旁,載著最後一批燃料,一架軍事直升機突然來到,開始在上空盤旋,空降護衛人員,所有人員也開始行動,卡車一輛接一輛前往鐵路運輸場,那是前往俄國旅程的第一站。

卡車離開後,現場還剩下的高濃縮鈾,只在反應器本身,一如美國國家核子安全局的其他計畫,反應器未來將改用較安全的燃料。

但實際上卻比表面困難許多,美國等地的研究人員必須研發出鈾二三五濃度約二成的安全混合燃料,適用於研究型反應器,但無法提煉為核彈,因為反應器當初設計時是要使用高濃縮鈾,唯有在鈾二三五原子密度很高時才能運作,因此用燃料就比較不穩定,為防止發生危險,研究員必須混合鈾與其他物質,如矽、鉬等。

研發工作相當成功,新式燃料已提供給包括瑪利亞在內的許多反應器,但多數研究機構卻沒有採購新燃料的數百萬美元預算,也沒有經費轉換反應器,美國威斯康辛大學的反應器去年起改用較安全燃料,但過程相當不容易。

在波蘭的瑪利亞反應器,看似最平凡的問題也會成為挑戰,例如冷卻水有助控制核分裂反應,使用新燃料後效果不彰,故幫浦必須升級,且反應器核心也得在實驗運作中逐步轉換,需費近兩年時間。

旅程終點

傍晚時,車隊抵達首都華沙郊區的鐵路運輸場,貨櫃堆積在火車旁,為了使裝卸時能擋住外界視線,直升機吊起貨櫃,置於平板車上,入夜後,火車開始往北方四百公里遠的波羅的海港口前進。

協商最後,因為美國保證負責載走舊燃料,才讓波蘭點頭讓瑪利亞反應器改用新式混合燃料,波蘭和多數國家相同,都沒有長期存放核廢料的設施,因此美國表示願協助將燃料送回俄國,波蘭實在很難拒絕。外界期望在美國擴大計畫規模並且研發研究反應器的新燃料後,可以說服更多國家交出鈾燃料,未來四年,美國希望在十國進行相同工作,並在二○二○年完成多數項目。

目前美國人力吃緊,努力加速收集鈾燃料,過去美國供應的燃料將回到美國,前蘇聯提供的燃料則送往俄國,而美國能源部也即將核准另一種更高密度的燃料,提供給無法使用現有混合燃料的反應器。

布恩表示,最大問題在於俄國本身,仍有六十多座反應器繼續使用核武級物質,而且他們相當排斥改變,但美國仍希望說服俄國,指出已有六座反應器考慮轉換。

隔天早上,運輸人員站在一艘經特別配備的俄國貨櫃船甲板上,要載運這批燃料,這也是波蘭研究團隊最後一次看到這些燃料,之後研究團隊將轉往另一座反應器,那裡有更多可提煉核武的燃料,不過地點卻是一個不便公開的祕密。
【知識通訊評論月刊九十七期】2010.11.01

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