近期，美國能源部撥款800萬美元予托馬斯·傑斐遜國家加速器實驗室（Jefferson Lab），用於開發以粒子加速器實現核嬋變的技術。這項研發將聚焦於利用高能粒子束將長半衰期的放射性核種轉換為稳定或短半衰期同位素，從而大幅降低核廢料對環境的長期威脅。作為長期追蹤核能技術進展的觀察者，我們在實驗室過往的研究基礎上，解析此一技術突破的潛在影響與未來挑戰。

什麼是核嬋變技術？加速器如何將放射性核種轉為稳定同位素？

核嬋變（Transmutation）是指通過核反應改變原子核的質子或中子數，從而將一種化學元素轉換為另一種元素的過程。自然界中的嬋變發生在恆星內部或放射性衰變中，而人工嬋變則可透過粒子加速器或核反应堆實現。

加速器驅動系統（Accelerator-Driven System, ADS）是一種利用粒子加速器產生高能質子束，轟擊重金屬靶材（如鉛或鎢）產生散裂中子（spallation neutrons）。這些中子隨後與置於周圍的放射性廢料（如碘-129、锝-99等長半衰期核種）發生核反應，使其轉變為半衰期較短或稳定同位素，從而降低放射性危害並縮短儲存時間。

傑斐遜實驗室以其領先的連續電子束加速器設施（CEBAF）聞名，該設施能產生高流度、高能量的電子束，為嬋變研究提供了理想的平台。此次獲資金的項目將探索使用電子束或質子束於嬋變過程，有望突破現有技術的限制。

傑斐遜實驗室800萬美元資金背後的技術突破與實驗設計

800萬美元雖相較大型國防計畫不算龐大，但足夠推動關鍵的原型驗證。根據美國能源部的規劃，這筆資金將用於三個核心方向：

1. 高功率目標 stations：開發能承受兆瓦級功率的散裂靶材料，解決靶材熔化和蒸發問題。
2. 中子優化系統：利用CEBAF的12 GeV能量電子束，研究電子擊靶產生中子的最佳工藝參數。
3. 嬋變效率監測：建立實时同位素分析方法，精確測量放射性核種轉換率。

該項目將與諾貝爾獎得主等領域的科學家合作，借鑒歐洲 Organization for Nuclear Research (CERN) 在ISOLDE設施中積累的同位素分離技術。值得關注的是，傑斐遜實驗室過去已成功為美國能源部建設多套超導加速系統，其工程實踐能力為本次技術突破奠定了基礎。

根據美國核能學會（American Nuclear Society）報導，類似技術已在俄羅斯、日本等國進行過規模較小的實驗，但美國此次投資是首筆專門針對加速器嬋變的聯邦資金，顯示出政府對核廢料處理創新的重視。

2027年全球核廢料處理市場規模預測：嬋變技術的經濟影響力

全球核廢料管理市場正處於快速增長期。據世界核能協會（World Nuclear Association）數據，2024年市場規模約為112億美元，預計到2027年將達到145億美元，到2030年有望成長至192億美元。這一口增長主要由新建核電站累積的乏燃料儲存需求以及對環保處置方案的安全焦慮所驅動。

若加速器嬋變技術能在2030年前達到商業規模，預計將為市場增長貢獻額外年成長率約3-5個百分點，因為它可降低長期儲存成本並減少對地質處置庫的依賴。

三大風險與挑戰：技術瓶頸、成本效益與公眾接受度

儘管前景可期，加速器嬋變技術仍面臨多重挑戰：

• 技術成熟度不足：目前尚未有工業級別的ADS設施運行。高功率加速器的穩定性、靶材壽命以及嬋變產物的後處理技術均需進一步驗證。
• 成本效益存疑：建設一座ADS工廠的資本支出可能高達數十億美元，僅適用於處理高放射性廢料，而普通低中放廢料仍以傳統方法處置更經濟。
• 公眾核疑慮：任何與核技術相關的設施都可能引發當地社區的反對，特別是在核災難記憶猶新的地區。

此外，嬋變過程可能產生secondary waste，若處理不當反倒增加環境負擔。因此，生命周期評估（LCA）是技術推廣前必需完成的步驟。

產業鏈延伸影響：從核電廠到醫療同位素生產的革命

加速器嬋變技術的成熟將不僅侷限於核廢料處理，還能催生全新的產業鏈：

• 醫療同位素生產：許多診斷與治療用的放射性同位素（如鎝-99m）供應緊張，ADS可同時生產這些同位素，解決醫療界短缺問題。
• 核燃料循環優化：嬋變技術可用於燃煤電廠排放的放射性污染物處理，或轉化天然放射性礦物中的有害核種。
• 加速器製造業：對高流度、高可靠性加速器的需求將刺激超導技術、射頻系統和冷卻設備的創新。

根據歐洲核子研究組織（CERN）的技術轉移經驗，粒子物理領域的突破常能衍生出意想不到的民用產品。如果美國能在這個領域領先，將在未來幾十年掌握核能科技的戰略主動權。

常見問題

什麼是核嬋變技術？

核嬋變技術是指利用粒子加速器產生的中子束，將長半衰期的放射性核種轉換為短半衰期或稳定的同位素，從而降低核廢料的放射性危害和儲存時間。

加速器驅動的核嬋變技術有哪些主要挑戰？

主要挑戰包括高功率加速器的穩定性、靶材的耐輻射能力、嬋變產物的後處理，以及高昂的建設與運營成本。監管與公眾接受度也是關鍵因素。

這項技術何時能實現商業化？

技術專家預計，若資金與研究持續投入，第一座示範設施可能在2030年前後建成，商業規模推廣則需視成本削減速度而定，可能在2040年代初期。

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參考資料

• 美國能源部 (U.S. Department of Energy)
• 托馬斯·傑斐遜國家加速器實驗室 (Jefferson Lab)
• 美國核能學會 (American Nuclear Society)
• 世界核能協會 (World Nuclear Association)
• 國際原子能機構 (International Atomic Energy Agency)