Transcript Chap_3_核能

能源科技概論
第三章
核能
臺北城市科技大學
機械工程系
TPCUFCLab
核能概述
相較於化石燃料，核能儲存空間甚小，不會排放空氣
污染物至大氣中。如果從二氧化碳排放的觀點來看，
核能發電無疑地更具吸引力。另外，燃料鈾的蘊藏量
尚豐且價格合理，也是目前核能發電的優點。
但是，核能發電所排放的大量廢熱可能引起熱污染，
造成海洋生態浩劫。特別是放射性核廢料的儲存及去
處，目前已是極為棘手之問題。由於環保意識的抬頭
，曾被認為有效解決能源問題的核能，如今已成為極
不受歡迎的事物。
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核能概述
核能應用的理論基礎為愛因斯坦的質能互換公式
核能應用可分為核分裂與核融合兩種
利用核分裂產生能源之技術已相對成熟，但是伴
隨而生的放射性核污染是最大疑慮
利用核融合產生能源可以免除放射性核污染的疑
慮，但在工程要產生核熔合現象並不容易
核能的應用因目的不同，而形成和平(核電)及戰
爭(核武)重要的工具
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核能概述
資料來源：[1]
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道耳吞原子說
（1）一切物質都是由稱為原子的微小粒子所組成
，這種粒子不能再分割。
（2）相同元素的原子，其原子質量與原子大小均
相同；不同元素的原子，其原子質量與原子
大小均不同。
（3）化合物是由不同種類的原子以固定的比例組
成。
（4）所謂化學反應，是原子間以新的方式重新結
合成另一種物質，在反應的過程中，原子不
會改變它的質量或大小，也不會產生新的原
子或使任何一個原子消失。
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原子的結構
質子(帶正電)
原子核(帶正電)
中子(不帶電)
中性原子
核外的電子(帶負電 )
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原子的結構
中性原子:
1.電子的帶電量=質子的帶電量
2.核外電子數=質子數
3.原子核內的質子數稱為原子序，是用來判斷原子種類的
主要依據。質子數相同為相同原子，不同則為不同原子。
4.整個原子的質量幾乎集中在原子核。
a.一個質子的質量約為一個電子質量的1836倍，所以原
子的質量約為原子核的質量，即中子和質子的質量和。
b.一個中子的質量大約等於一個質子的質量。
c.原子核內的質子數與中子數的和叫做質量數，可判斷原
子質量的大小。
5.原子的大小大約是10-8公分= 10-10公尺=1埃
而1奈米=10-9公尺，故1奈米約為10個氫原子大小
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原子序及質量數
相等於
電子
的數目
故
相等於
原子
內的
質子
的數目
不一定
相等
中子
的數目
稱為
的總和
原子不帶電荷
原子序
(atomic number)
質量數
(mass number)
資料來源：ntds.fsjh.ilc.edu.tw/course/自然與生活科技
/.../原子序質量數.ppt
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同位素
 組成同一元素的原子，若所含中子數目不相同，它們可
稱為同位素。
 在自然界中，差不多每一種元素皆由其同位素以恆定的
比例混和而成。
例：
豐度
質子數
中子數 電子數
O16
99.76 %
8
8
8
O17
0.04 %
8
9
8
O18
0.20 %
8
10
8
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週期表
 元素若按其原子序及其原子所含價電子數目排列成行及
列而形成週期表。
 在週期表中
- 橫排的元素稱為同週期元素，它們的原子均有相同的
電子層數。
- 縱行的元素稱為同族元素，它們的原子均有相同的價
電子數。
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核分裂
不論是核電或核武的發展，鈾235 (235U) 的收集皆扮
演一重要的角色。鈾同位素中，鈾238 (238U) 在地球
的含量約佔99.3%，而鈾235僅佔0.7%，因而鈾235的提
鍊及濃縮便成為核能應用一項重要的工作。此外，如
欲核能發電，235U的濃度需達3%左右，其餘97% 則是
238U。但如欲發展核武，235U的濃度則需達到90% 以
上方能產生核爆。換言之，一般核電廠並不會發生核
子爆炸的現象。
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核分裂
核能發電的理論基礎為愛因斯坦的質能互換公式，而如欲
產生核分裂，其首要條件就是產生連鎖反應。連鎖反應係
以慢中子撞擊鈾235使其產生核分裂而生成鋇 (Ba) 及氪
(Kr)，典型的核分裂反應 ( 反應式有多種可能 ) 如下：
235
142
91
n 92 U 56 Ba 36 Kr
 3n
中子
235  (142  91)  2
質量減少
產生連鎖反應所需的最小燃料質量稱為臨界質量，鈾235
約為15 kg，而鈽239則需9 kg。
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核分裂
資料來源：[1]
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核分裂
當中子的動能為10-2 eV時，
235U產生核分裂反應的機率
為 中 子 擁 有 106 eV 動 能 或
238U的千倍以上。而就前述
之連鎖反應而言，核分裂
所產生中子的平均動能約
為2×106 eV 。因此如欲使
中子持續產生連鎖反應，
首要步驟就是降低中子的
動能，可藉由調節劑如水
或石墨的使用以使中子的
動能減少。
慢
235U
快
238U
資料來源：[1]
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核分裂
核子反應器
沸水式反應爐
壓水式反應爐
資料來源：[1]
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核分裂
核燃料循環
資料來源：[1]
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認識輻射及輻射安全
輻射可區分為游離輻射和非游離輻射，游離輻射指可以把電子從原
子游離出來的輻射，而這個游離的電子和原子的不穩定性會干擾正
常的生物中的結構或化學反應。
游離輻射又可以區分為微粒和電磁波。微粒型游離輻射包含α粒子
、β粒子、中子、質子，可能有帶電荷，可能沒有。電磁波型的游
離輻射則沒有電荷也沒有質量，就像光一樣傳送，但是波長更短，
能量更高，包含γ射線和X射線，但是我們要明白，所謂具有游離能
力的電磁波是頻率高於1016赫茲，而少於1016赫茲的電磁波就屬於
非游離輻射。至於波長更長、能量較低的電磁波如雷達、微波、紫
外光、可見光等就是屬於非游離輻射。
1. 非游離輻射
參考資料來源：
教育部安全衛生通識課程教材
2. 游離輻射
參考資料來源：
逢甲大學工程材料試驗室
中山大學輻射防護委員會
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核廢料處置
 我國目前高放射性廢料皆為核設施反應器所產生的用過核
燃料。
 用過核燃料一般國際上均採三個階段管理：
(1)廠內燃料池內冷卻貯存(一年以上)
我國核電廠所產生的用過核燃料目前均在廠內燃料池冷卻貯存，
核一、二廠由於原先燃料池設計貯存容量不足，經貯存格架重組
後，亦將於未來幾年內貯滿，在未進行委託再處理及最終處置
前，將採用中期貯存方式
(2)再處理或中期貯存(40-70年)
國內擬採用混凝土護箱∕水平混凝土模組進行乾式中期貯存，必
須放置至少30-50年才能降低其放射性及產生的熱氣
(3)深地層最終處置
用過核燃料之最終處置將採用深地層處置方式，目前全世界尚無
任何商業運轉之用過核燃料最終處置場
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核融合
核熔合產生能源的過程乃利用原子的結合以釋放能量。
雖然核熔合反應可以釋放出大量的熱量，但在工程要產
生核熔合現象並不容易，此係因氘核有一質子，其帶正
價電子，當氘熔合時會彼此會產生排斥力的緣故。克服
上述排斥力以使氘彼此靠近，進而產生熔合的方法之一
是升高溫度。當溫度高到氘的熱速度足以克服電子排斥
力時，核熔合就會發生。
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核融合
核熔合之所以視為未來能源乃基於以下數點事實：
1. 氘在正常水中的含量甚豐，約每6,500氫原子就含有1
個。
2. 每1克氘熔合(或每8加侖的水)所釋放的能量相當於燃
燒2,400加侖的汽油。換言之，一個國際標準游泳池
中所含有的氘，其所產生的能源將可提供10萬人口都
市需要之能源長達一年。
3. 從水中分離出氘的技術並不特別困難或昂貴。
4. 核熔合最終的產物是氫、氦及中子，所以不需要擔心
核廢料的問題。
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核融合
羅森準則
核熔合的反應如欲使能量淨輸出大於零，氘及氚離子
的密度及其存在反應爐時間的乘積必須大於一臨界值，
其稱為羅森準則
D-T反應
n  10
D-D反應
n  1016 sec/cm3
14
sec/cm
3
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核融合
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參考資料
[1] 陳維新 編著，能源概論，高立書局。
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