Transcript 核能發電與輻射應用
核能發電與輻射應用 「永續能源與節能減碳科技」主題課程系列 張似瑮 國立清華大學核工所 20081109 1 侖琴 發現X光 台灣成立 原子能委員會 第一座研究用 原子爐啟用運轉 第一部核能電廠 機組開始商業運轉 發電、醫療、工業、 農業和平應用 2 課程內容 原子科學基礎 核能發電 輻射應用 相關議題 3 原子科學基礎 話說從頭 認識輻射 生活中的輻射 4 話說從頭 1895 侖琴發現 X rays 1896 貝克發現放射性 1898 居禮首度分離出天然放射性元素釙和鐳 1899 拉塞福發現阿伐(α)與貝他(β)粒子 1905 愛因斯坦 E=mc2 1911 原子模型建立 1934 人工放射性物質 1945 原子彈 5 輻射與原子的作用 6 輻射的分類 游離輻射：能量高，能使物質產生游離作用 電磁輻射：加馬(γ)射線、X 射線 粒子輻射：阿伐、貝他、中子、質子 非游離輻射：能量低，不能使物質產生游離作用 紫外線、可見光、紅外線、微波、雷達、 無線電波、短波、長波、長交流電波 7 游離輻射的分類 8 電磁輻射的能譜 E=hν 9 游離輻射的產生(1) ★ 核種衰變 阿伐 α- decay 貝他 β- decay 加馬 γ- decay 10 游離輻射的產生(2) ★ 電磁力作用 X-射線： 制動輻射 或 特性輻射 原子能階之變換 11 游離輻射的產生(3) ★ 粒子加速器 同步輻射 線性加速器 12 游離輻射的產生(4) ★ 核分裂與核融合 核分裂 235U +n 中子 FP1+ FP2 + 2.4 n + g + b +… 放射性分裂核種：85Kr、90Y、131I、137Cs 、….. 核融合 2 H + 2H 2 H + 3H → → 3 He + 1n 4 He + 1n 13 游離輻射的特性(1) ★ 衰變 (Decay) 經過 T 經過 T 放射性核種 起始強度 T: 半衰期 (Half Life) 14 游離輻射的特性(2) ★ 衰減 (Attenuation) 15 16 輻射劑量的定義 ◆ 吸收劑量 ( 物質每單位質量吸收的能量) 1 格雷 (Gy) = 1 焦耳/公斤 ◆ 等效劑量 ( 考慮不同游離輻射對人體組織的影響) 1 西弗(Sv) = 1 Gy x wR (輻射加權因數) ◆ 等價劑量 ( 考慮不同器官對輻射傷害的敏感度) 1 西弗(Sv) = 1 Gy x wR x wT (組織器官加權因數) 17 輻射劑量的定義- 加權因數 WR= 1 for X, g, b, 電子 = 10 for 中子 = 10 for 高能質子 = 20 for a, 分裂產物 器官或組織 WT ICRP-26 ICRP-60 性腺(生殖腺) 紅骨髓 結腸(大腸直腸) 0.25 0.12 0.20 0.12 0.12 肺 胃 膀胱 乳腺 肝臟 食道 甲狀腺 皮膚 骨髓表面 其餘部分 0.12 0.12 0.12 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.01 0.01 0.0518 0.15 0.03 0.03 0.30 生活中處處可見游離輻射 19 生活中游離輻射的來源 1.天然輻射 體外輻射：宇宙射線、地表及建物輻射 體內輻射：氡氣、人體內輻射(鉀-40) 2.人造輻射 醫療輻射、農工應用、民生消費品、 核爆落塵、核能設施 20 天然輻射-宇宙射線 高空飛行可能接受之宇宙射線劑量 平地與高山可能接受之 宇宙射線劑量 21 天然輻射-地表及建物輻射 地表的土壤及岩石含有天然放射性核種。 不同地區可能因地質型態之不同， 而具有度不同的地表輻射劑量。 22 天然輻射-人體內輻射 人體體重約含0.2%的鉀，其中0.012%的鉀-40 鉀-40為 b 放射性核種。 人類的食物來源中，魚、 蔬果、牛奶、肉類和五穀 也或多或少含有鉀-40。 23 天然輻射-氡氣 氡–天然放射性氣體(a核種)，為鈾和釷的子核種。 U 238 Th 232 Th α a 234 Ra β Pa 228 234 b Ac β α α α U 234 Th230 Ra 226 Rn222 228 b a a Th228 Ra 224 Rn220 地表土壤及岩石中都含有少量的鈾和釷，建材亦 多為土壤和岩石之製品，氡氣因此長存於居住環 境中，為天然輻射之最大來源。 密閉坑道、通風不良之居處環境，易造成氡氣濃 度之累積。富含鈾或釷礦床之地區，氡氣濃度也 較高。 24 世界各國的天然背景劑量 類 別 世界平均 美國 日本 臺灣 宇宙射線 0.36 0.28 0.38 0.27 地表及建物 0.41 0.28 0.29 0.55 小計(體外輻射) 0.77 0.56 0.67 0.82 氡 等 1.26 2.00 0.56 0.83 鉀40等 0.36 0.39 0.47 0.33 小計(體內輻射) 1.62 2.39 1.03 1.16 合 計 2.40 3.00 1.70 2.00 聯合國原子輻射效應科學委員會(1993) 年劑量(毫西弗) 25 世界各國的背景劑量 地區或國家名稱 年劑量(毫西弗) 2毫西弗 的倍數 伊朗 Ramsar市 6～360 3~180 印度 Kerrala區十個村莊 平均 13 6.5 巴西 Espirito Santo 0.9～35 17.5 平均 3.8 最高 120 1.9 60 大陸 福建鬼頭山區 說 明 此等地區 民眾癌症 發生率與 一般地區 無明顯差 異 26 生活中的輻射 27 核能發電 原子能的崛起 核能發電原理 核能電廠簡介 我國核能發電現況 28 原子能的崛起 1938 Hahn, Strassmann, and Meitner 證實核分裂現象 1941 Seaborg 發現鈽元素 1942 美國成立曼哈頓計劃，由康普吞領導芝加哥大學成立冶 金實驗室，在費米領導之下，建造芝加哥反應堆一號。 12月2日下午3:25達到自持鏈反應達28分鐘，人類從此步 入原子能世紀。 1943 Oppenheimer 在 New Mexico 從事核子武器研究 1945 第一顆鈽原子彈(胖子) -------- 長崎 第一顆鈾原子彈(小男孩) ------ 廣島 1954 蘇聯建造出首座供應電力反應器 1956 英國完成氣冷式反應器 ---- 首座核能電廠 1957 美國核能電廠開始運轉 29 我國原子能發展簡史 1955 成立原子能委員會 1956 清大成立原子科學研究所 1961 清華水池式反應器(1MW)落成 ---- 我國首座反應器 1964 清大成立核子工程學系 1968 核能研究所成立 ---- 從事核能的基本及應用研究 1971 核能研究所自行設計的龍潭微功率反應器達到臨界 1973 核能研究所的台灣研究用反應器達到臨界（1988年停機） 1974 清華阿岡諾反應器達到臨界，並於1993年除役 1975 清華設計的移動教學式反應器達到臨界 1978 台灣第一部核能電廠機組開始商業運轉 30 31 核分裂 235U, 239Pu 235 92 U 1 0n 可產生核分裂反應 FP1 FP2 1 2 30 n 200MeV 1eV=1.610-19 J；1MeV= 1.610-13 J 100W = 100 J/s 3.1251012 fissions/s 1g 235U 完全分裂 = 燃燒三千噸煤 32 核分裂 核能發電 (1) 鏈反應 (2) 中子減速 (3) 控制中子數目 (4) 移走核分裂產生的熱 (5) 屏蔽 33 鏈反應 (chain reaction) 中子誘發 235U 產生分裂 → 放出2-3個中子； 放出之中子又誘發其它 235U 產生分裂‧‧etc 稱為鏈反應 鏈反應每世代的間隔 ～ msec # of fissions in one generation 增殖因數(k)≡ # of fissions in precedinggeneration k=1 臨界 k<1 次臨界 k>1 超臨界 34 中子減速 慢中子(<1eV)容易誘發 235U 原子核產生分裂反 應 原子核分裂放出快中子(～ MeV) →將其減速為 慢中子 →誘發 235U 產生核分裂 235U 減速的方法是使中子碰撞質量較輕的原子 常用的緩和劑為：水、重水、石墨 35 控制中子數目 前述鏈反應所產生的中子倍增率很快，必 須加以控制。 控制鏈反應的方法是利用能吸收中子的物 質所製成的棒狀或片狀物，插進鈾燃料堆 中，用來吸收中子，稱為控制棒，來控制 鏈反應所產生的中子倍增率。 常用的控制棒物質為：硼(B)；鎘(Cd) 36 移走核分裂產生的熱 核分裂所產生的熱必須用冷卻劑將它帶走， 否則燃料會被熔化。 移除的熱，經過熱交換器以產生蒸汽；也可 以不必經過熱交換器直接在冷卻劑的出口產 生蒸汽，推動汽渦輪機，進而帶動發電機。 常用的冷卻劑為：水、重水、二氧化碳、空氣 37 屏蔽 核分裂所產生的中子、γ射線、和分裂產物所 發出的β及γ射線等，必須用混凝土、鋼、水 等加以阻擋，以免傷害了工作人員，及干擾輻 射偵測儀器的讀數。 這些用以阻擋游離輻射的物體，稱為屏蔽。 38 核能設施 UO2燃料丸 燃料束 核反應器 核能電廠 39 核能電廠反應器型式 1. 氣冷式 歐洲國家所發展。緩和劑：石墨；冷卻劑：二氧化碳 2. 輕水式（沸水式、壓水式） 美國所發展。緩和劑：水；冷卻劑：水 3. 重水式 加拿大所發展。緩和劑：重水；冷卻劑：水或重水 4. 液態金屬快滋生反應器 法國所發展。緩和劑：液態鈉；冷卻劑：液態鈉 40 沸水式反應器 「沸水式」反應器在反應爐中直接產生蒸汽，並且直 接送到汽機，將蒸汽能量轉為機械能，轉動發電機產 生電力。 41 壓水式反應器 「壓水式」反應器把反應爐中所產生高壓高溫的水， 送到蒸汽產生器，在那裡把另外一個迴路的水變為蒸 汽，再送到汽機。 42 我國現有核能電廠 核一廠 核二廠 核四廠(興建中) 核三廠 43 我國核能電廠基本資料 44 輻射應用 醫療 農業 工業 研究 45 醫療輻射應用 放射診斷 放射治療 核子醫學 46 放射診斷-醫用X光 胸部X光 47 放射診斷-電腦斷層 48 放射診斷-乳房攝影 49 放射治療 放射治療利用放射線照射人體，產生生物及 物理效應來殺死腫瘤。 現在通常用直線加速器產生高能量X光及電子 射束來治療。 癌細胞較易被放射線殺死， 而正常細胞對放射線的耐 受性較強，且較易恢復， 我們就是用這個原理來治 療，殺死癌細胞而保存正 常細胞。 50 核子醫學 1927年Blumgart氏第一次將放射性同位素注入 人體，開創了核子醫學的臨床應用，迄今60年 來隨著各種掃描儀、攝影機、數位式偵檢器材 的開發與改進、新核種的發現與電子計算機的 連線使用等，不但提昇了核子醫學診療品質， 更使它成為現代化醫院裡不可或缺的一環。 台北榮民總醫院於1992年引進國內第一部醫用 迴旋加速器及正子斷層掃瞄儀後，目前國內已 設有10部醫用迴旋加速器及23部正子斷層掃瞄 儀，為社會大眾提供此一先進的核子醫學診療 服務。 51 核子醫學-診斷 檢查受驗者經由靜脈注射、口服或吸入微量放射性藥 物，利用核醫攝影儀器偵測藥物分佈到特定器官後放 射出來的加馬射線，此過程稱為掃描。核子醫學醫師 根據底片上不同的影像，來判讀研定是否有病變。 核子醫學掃描和放射線照相有互補的作用。放射線照 相主要是標示出生理解剖上的變異，而核子醫學掃描 則可以顯示出組織功能上的改變(由於放射性化合物經 由循環系統到達診察部位)。 單光子斷層掃瞄儀(SPECT)可作全身攝影亦可作斷層攝 影。 正子斷層掃瞄儀（PET）可作更為精密的器官功能及代 謝檢查 52 核子醫學-治療 核子醫學治療的原理是利放射性同位素 藥物所發射出射程很短的貝他（β）粒 子，對病變部位進行集中照射，達到抑 制或破壞病變組織的目的。 治療項目包括： 碘-131治療甲狀腺功能亢進及甲狀腺癌 磷-32治療真性紅血球過多症 釔-90治療關節炎 53 輻射民生應用 54 相關議題 核電廠安全嗎? 核廢料何去何從 輻射傷害與防護 核電 vs.減碳 55 56 核能電廠的安全設計 核能電廠的安全設計是採取『深度防 禦』的觀念，確保運轉安全。保留充 分的安全餘裕。 安全系統具備多重性、多樣性以符合 單一失效準則。 圍阻體設計具有多層屏蔽的功能。 57 58 59 認識核廢料 什麼是核廢料? 核廢料又稱放射性廢棄物，係指具有放射性或受放射 性物質污染之廢棄物。可分為高放射性廢棄物與低放 射性廢棄物。 高放射性廢棄物：用過核燃料、用過核燃料再處理 所產生之廢棄物。 低放射性廢棄物：其他不屬於高放射性廢棄物者。 依其物理形態可分為：氣態、液態、固態三種。 來源：(1)醫、農、工、研等、(2)核能電廠。 60 放射性廢棄物來源 (1) 醫、農、工、研等： 核能研究所及清華大學研究用核反應器，所 產生之用過核子燃料。 (高放射性廢棄物) 醫療、農業、工業、研究等不再使用的放射 性物質與射源，及受其污染廢棄的衣物與器 具等(低放射性廢棄物)。 61 放射性廢棄物來源 (2) 核能電廠： 用過核燃料：核電廠開始運轉後，約18個月更換 一次爐心燃料，每次約取出三分之一用過核燃料。 目前均暫貯於各設施之用過燃料水池中。 (高放 射性廢棄物) 運轉廢棄物：運轉時產生的廢水、過濾用的樹脂， 受污染的廢棄衣物、手套等。 (低放 射性廢棄物) 拆廠廢棄物：被中子活化的核反應器組件及拆除 受污染廠房產生之廢棄物。 (低放射性廢棄物) 62 放射性廢棄物特性 會放出無色、無臭、無味、無聲的游 離輻射。 可能造成體內輻射劑量或體外輻射劑 量。 含一種或多種的放射性核種，其活度 會隨時間的增長而遞減。 63 低放射性廢棄物管理策略 低放射性廢棄物採取「減少產生、減容固化、 安全貯存、妥善處置」之策略。 減少產生：原能會已訂定減廢目標值，核能一、 二、三廠的放射性廢棄物產生量，已逐年減少。 減容固化：廢棄物須先經過焚化、壓縮或固化處 理後，再以鋼桶盛裝。 安全貯存：目前經水泥固化裝桶的廢棄物，均貯 存在蘭嶼貯存場及各核能設施的廢棄物倉庫內。 妥善處置：採境內處置為原則。 64 用過核子燃料管理策略 近程採廠內燃料池貯存 中程採廠區乾式貯存並評估再處理的可行性 長程推動最終處置 65 輻射健康效應-急性輻射傷害 一次輻射劑量(毫西弗) 小於250 人體產生之效應 沒有顯著效應 250～1000 淋巴球、白血球暫時減少 1000～2000 有疲倦、噁心、嘔吐現象，淋巴球 及白血球顯著減少 2000～4000 24小時內會噁心、嘔吐，數週內有 脫髮、食慾不振、虛弱、腹瀉及全 身不適等症狀，可能死亡。 4000～6000 與前者相似，僅症狀顯示的較快， 在2～6週內死亡率為50%。 6000以上 若無適當醫護，死亡率為100% 66 輻射健康效應-長期低輻射傷害 確定性效應：效應之發生與輻射劑量大小有關 包括：白內障 (水晶體劑量 > 150毫西弗/年) 不孕症 (卵巢劑量 > 200毫西弗/年) 機率性效應：效應之發生無法事先預知 包括：癌症 (風險為 6%/西弗) 遺傳病變 (風險為 1.3%/西弗) 人ㄧ生中自然癌症風險為25%。 一年中若每天吸菸20支，其致癌機率相當於70-280毫西弗的劑量。 全身年劑量若低於50毫西弗，基本上被認為是相當安全的。 67 68 69 各種發電技術CO2排放量 發電技術 燃煤 天然氣 CO2 排放量 (公克/度電) 燃油 966 ~ 1306 439 ~ 688 約 800 水力 核能 4 ~ 236 約 39 生質能 太陽能 風力 地熱 約 46 60 ~ 410 7 ~ 74 47 ~ 97 70 環保(反核)人士態度轉向 綠色和平組織創始人（環保大將）Dr.Patrick Moore與紐澤西州長及環保署長等，共同成 立「潔淨安全能源聯盟」，以推動潔淨、安 全獨立的核能為創立宗旨。 Dr. Patrick Moore直言：「科學證據顯示， 核能是友善環境而且安全的能源。如果美國 核能發電能夠倍增，不但可以增加能源供給， 還可以顯著降低溫室氣體排放」。 71 核電 vs. 減碳 OECD(經濟合作暨發展組織) ：核能是對抗全球暖 化關鍵方法之一。 聯合國：降低CO2排放最具經濟效益的方法，就是 增加核能發電。 瑞典民調：82%支持繼續核能發電， 21%主張新建 電廠。 歐盟秘書長：要達成京都議定書的CO2減量標準， 在未來25年歐盟需74座核電廠。 歐盟副主席：從經濟或環境層面而言，放棄核能絕 非妥善之舉。 布希總統：美國應提高核能發電的比率，以對抗全 球暖化趨勢 72 相關參考資料 原子能委員會「輻射與生活」 http://www.aec.gov.tw/www/life/ 科學人雜誌 No.76，2008年6月號。 73