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核子工程與科學研究所
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研究領域

核電與輻射應用並重  打造綠色健康家園

核能研究為未來能源發展的橋樑

為對抗全球暖化,人類必須尋找新的能源來取代化石能源。目前被認為最有機會的是氫能配合再生能源以及核融合能,但氫不是初級能源,而核融合能要進展到實用化,恐怕尚需50~60年。這段期間內,核能(核分裂能)無可避免將成為化石能源、氫能配合再生能源以及核融合能之間的橋樑,因此發展核能發電仍是當前必需的,也是先進國家的能源重要選項。

核能發電整合了中子物理、熱流、材料和儀控四個基礎工程學門的專業技術。因此清大核工所學生在工程領域的基本訓練都相當紮實,出路以於台電公司、原子能委員會、核能研究所、國家實驗室、醫學物理或是國外的核能公司及學術與研發機構為主,更可進入現代工程科技等各種領域服務,而核工師資之傳承更是目前核工所培育人才的主要目標之一。

核電廠工程:以核能安全為研究重點

世界許多先進國家都積極研發新的核能發電技術,台灣必須要有能力配合這些技術的發展,以確保核電廠的效能與安全。核電廠工程為本所的重點研究項目之一,各項研究成果皆可應用於目前及未來的進步型核反應器中,確保核電效率與安全無虞。

過去幾年核工所團隊的研究重點之ㄧ是核反應器功率提昇的爐心佈局設計,主要是讓爐心中的燃料棒與控制棒能以最佳化的方式佈局,用最有效的核燃料使用策略來提昇功率、降低發電成本。核反應器內的燃料棒核分裂釋出能量後,燃料消耗的程度不一,在爐心中燃料組件位置安置含鈾濃度不同的燃料棒,對發電效率與電廠安全運轉有很大助益;而且在設計佈局的同時,還要顧及燃料棒可能發生的損壞、輻照問題,所以這是一門不簡單的綜合性分析學問。

核能電廠機組在設計時已進行詳細的熱水流分析,考慮電廠設計及運轉需求,有效的將爐心燃料產生的熱能移出;因此核工所熱流組教授群深入研究,以反應器熱水流分析程式進行精細流力與熱傳現象分析,以提升核電廠安全性。其次是進行核能電廠安全分析所依據的系統安全分析程式的發展與應用。舉凡核能電廠大小事故,如小意外及偏離正常運轉的暫態,以致如電廠停電與喪失冷卻水的嚴重事故等,都需要在核能電廠設計階段就要進行預測分析,了解電廠系統各種狀態參數的變化,確保電廠狀態維持於管制上可接受的各種特定運轉範圍。配合系統的熱流安全分析,對於複雜的流體流動與多相熱傳現象,我們也藉著計算流體力學程式進行細部的流場分析,獲取溫度、壓力、速度的細部分佈。另外,核材料工程與科學的研究也非常重要。核電廠反應器內是具有高輻射、高溫的環境,長期運轉使材料出現腐蝕、沖蝕以及老化等問題,因此各項設備組件均需使用進步的材料,才能維持核電廠的正常運作。

型核反應器研究:向能源永續與環境永續邁進 

新型核反應器研究是核工所未來另一個研究重點,著重在能源永續與環境永續的目標。高溫氣冷式反應器研究以產氫為目標、熔鹽式反應器研究則為高階用過核燃料之長半衰期核種處置尋求可行的解決方案,透過將用過核燃料中長半衰期核種放回反應器燃燒轉變為短半衰期核種之方式,化解核廢料最終處置可行性之疑慮。

另外小型模組化核電廠亦為日後研發重點之ㄧ。小型模組化核電廠發電容量雖小於輕水式核電廠,但其安全性更佳,機組擇址亦較容易,在大城市外圍適當處擇址建廠,即可供應整座城市足量、經濟、安全、穩定,永續又環保的電力。其發展及實用潛力極大,宜投入足量人力及物力予以發展。近期液態鈉快滋生核電廠又受到GEN-Ⅳ研發團隊的注意,因其先前研究已進展到一個深度,又具有能源永續及環境永續的優點,非常有可能會成為第四代核電廠優先擇優選擇發展之機型。

除役與用過核燃料處置:負責的工程生命週期管理

用過核燃料的儲存也是核電管理與安全的重要一環,為了解決用過燃料池擁擠與提升儲存安全性,目前國內正在積極執行用過核燃料的乾式中期貯存,關鍵技術包括用過核燃料特性分析、臨界安全、熱傳評估與輻射屏蔽等問題亦是研發重點,相關技術亦可應用於未來核電廠除役後的準備與評估。核能電廠應於預定永久停止運轉前3年,提出除役計畫,經原能會審核發給除役許可後,於25年內完成除役作業。除了台灣6部核能機組外,考量全球現有大量第二代核能電廠的運轉時限,除役關鍵技術的建立與自主化是必要的,而且是非常有前景的。

 

輻射多樣應用、提升我們生活品質

輻射與今日人類社會息息相關,我們生活環境中存在著各種天然輻射於空氣、土壤、建築物、水與食物中,核工所團隊深入研究各種天然輻射的特性,以減少民眾對輻射的誤解。此外,輻射應用於我們生活中,使我們不知不覺間享受多種輻射應用所帶來的好處,包括核能發電、醫學診斷與治療、機場安全檢查、工業非破壞性檢測、農產品照射滅菌、考古與探礦的應用等,輻射更是人類科學探測不可或缺的利器。清大擁有全國唯一的研究用反應器-清華水池式反應器(Tsing Hua Open-pool Reactor, THOR),為培育核子工程及輻射應用人才之搖籃,硼中子捕獲治療(BNCT)研發即為其中一個範例。核工所除了培育人才於開發人造輻射的應用外,亦著重教育於兼顧輻射應用的安全。綜觀上述,輻射應用於發電、醫療、工業、農業、考古、地質等領域,學生未來出路廣泛多元。

中子捕獲治療:開啟國內標靶重粒子治療之新頁

在輻射應用領域,BNCT是目前核工所正在進行的重點,BNCT可精準破壞腫瘤細胞,降低腫瘤復發機率及正常組織之副作用,可以用於治療已無法再以其他傳統方法治療的復發性癌症。

BNCT的治療方法是先對病人施以含硼藥物,含硼藥物需具有選擇性積聚在腫瘤細胞或組織內的特性,在腫瘤處的硼濃度達最高時,接著以「超熱中子」照射腫瘤的位置,當超熱中子進入人體減速為熱中子後,會與腫瘤細胞中的硼發生核反應產生阿伐粒子(α)與鋰粒子(Li-7),這兩者皆為高線性能量轉移的粒子,約在一個細胞大小的範圍內會將能量完全釋放,可造成腫瘤細胞DNA之雙鏈斷裂,使得細胞被破壞且難以修復,因此腫瘤細胞中只要發生一個硼中子捕獲反應就足以被消滅。BNCT的標的位置明確為腫瘤,可達到有效殺死腫瘤細胞之目的;因人體之正常組織含硼量低,且超熱中子及減速後的熱中子對體內組織之作用小,故BNCT治療時正常組織所受傷害極小。BNCT具有癌症標靶治療與放射治療之雙重功能。

BNCT是一種整合性之治療,需由不同領域之專家合作完成,本所多位師生致力於BNCT之研究,利用THOR進行BNCT癌病治療臨床試驗。適於BNCT用之高品質超熱中子束於2004年改建完成,臨床治療前研究,包括中子束強度與能譜測量、治療計畫程式的發展、含硼藥物研發及藥物動力學研究皆持續在進行,並與台北榮民總醫院及京都大學合作展開臨床治療前的準備工作。於2010年8月11日首次在THOR進行BNCT臨床癌病治療,至2014年間,完成第一階段17位無法再以其他方法治療的復發性頭頸癌病人的BNCT治療(每位病人僅需接受兩次照射)。除了明顯改善病人之病情與生活品質外,其中6位病人在臨床上判定為腫瘤完全消失(complete response),BNCT為癌病患者提供新的治療方式。

醫學物理:為醫學影像與放射治療品質把關

輻射應用領域裡,醫學應用是非常重要的一環:輻射可用於放射診斷,取得人體的結構資訊、生理代謝資訊,以供醫師進行醫學診斷;輻射亦可用於放射治療,需將輻射精準地瞄準腫瘤,給與高劑量以殺死腫瘤細胞外,並盡量減低正常組織所受到的傷害。醫學物理泛指應用於醫學上的物理學,大致上可分為醫學影像與放射治療,上述應用非常需要有深入了解輻射與物質作用的專業人才。透過醫學物理師參與以下活動,可以確保輻射醫學應用的正當性與最適化:參與相關醫療及品質保證器材之維修、保養及採購之評估建議;執行接收測試並參與交付臨床使用之決策,參與醫院輻射防護作業或提供建議;建立醫學影像診療設備之品質保證與品質管理作業,且順應相關法規與認證之要求;提供醫學影像診療程序及技術之諮詢,協助放射診療程序的最適化,以達成影像品質與輻射劑量的平衡;建立放射診療輻射安全作業,審視與檢討放射診療程序之輻射曝露,提供病人輻射劑量與風險評估;執行放射治療計畫設計、驗算及實際驗證,定期審核病人照射劑量;對合作之醫師、醫學劑量師、醫學工程人員、儀器維護人員、助理等人員給予醫學物理相關教育訓練。

核工所所發展的BNCT,即為實踐醫學物理的一例,其執行整合了放射診斷、核子醫學及放射治療等輻射應用,儀器設備應用包含電腦斷層掃描、正子造影及反應器之中子照射,學生參與研究在儀器使用上受到完整的訓練,因此核工所提供適合學生朝向醫學物理等生醫方向發展的課程與研究,畢業學生未來在工作上可和上述部門的醫師及放射師相互搭配,為病患提供最佳之放射治療品質。

射束科學:先進科研不可或缺的技術

射束科學領域的研究主要利用X光、中子、高能電子或帶電荷重粒與物質作用,藉由分析反應產生的散射圖譜、光譜、能譜或影像來探知材料與物質的結構特性與組成成分。本所多位教師專精於利用中子與X光小角度散射實驗解析軟物質與生物醫學材料特性,並與國家同步輻射中心建立合作,發展X光散射圖譜與X光吸收譜線技術以執行能源材料、磁性薄膜與半導體結構的研究計畫。在先進輻射光源的研究方向上,目前的新趨勢為將飛秒(10-15)脈衝雷射技術應用於驅動微型電子加速器和產生數千伏特(keV)的同調X光光源。相關的X光輻射應用重點為發展可分辨奈米尺度結構的X光繞射顯微術(X-ray diffraction microscopy)與可分辨生物結構的X光對比影像(X-ray phase-contrast imaging),並將這些技術應用於相關的物理、材料與生醫檢測的研究中。