Transcript 「核能」。
100學年度第2學期 多元產業巡禮 單元六 民生產業-核能電力的認識與體驗 2015/4/13 1 核能 核反應，顧名思義為改變原子核內的粒子組 合方式，使元素的原子核起了變化，甚至被 破壞成為更小的原子核種。例如鈾-235的原 子核，吸收中子之後就有可能引起核分裂反 應，變成兩種更小的原子核，同時放出很大 的能量，即稱為「核能」。 核能量的產生可由物質質量轉換而得（愛因 斯坦的質能互換公式，E=mC2），說明在 核分裂時消失掉一小部份物質轉換成能量釋 放出來。 2015/4/13 2 2015/4/13 3 核能利用現況 至2007年底為例，全球共有442座核反 應爐運轉，並提供了372,100 MWe的電 力。在未來，將有5座核反應爐被關閉 除役 ( 加拿大4座，日本1座 )，但另 一方面，目前全球共有38座核反應爐 興建中( 俄羅斯8座，中國6座，南韓4 座 )，未來將加入運轉。 2015/4/13 4 核能利用現況 至2007年底，美國共有103座核反應 爐運轉，提供19％電力。 法國高達77％電力是由核能所提供。 南韓50 ％電力是由核能所提供。 德國30 ％電力是由核能所提供。 臺灣則有19.5 ％電力是由核能所提 供。 2015/4/13 5 臺灣現有的核能發電廠 核能一廠：臺北縣金山鄉 2部沸水式核子反應爐 核能二廠：臺北縣萬里鄉國聖 2部沸水式核子反應爐 核能三廠：屏東縣恆春鎮馬山 2部壓水式核子反應爐 核能四廠：臺北縣貢寮鄉龍門 興建中 2部先進沸水式核子反應爐 2015/4/13 6 4-1 核能概述 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。 2015/4/13 7 核能發展的回顧 核能利用的基本原理為愛因斯坦於1905在狹 義相對論中所提出的質能互換理論。 1938年漢恩與同事在柏林威廉大帝化學研究 所首次的核分裂實驗(第二次世界大戰，德國 納粹首先核彈)。 美國推出「曼哈頓計畫」發展核武技術。 1942年在費米 (Fermi) 領導下於美國芝加哥 大學 產生了第一座簡單的核子反應爐，當時 產生的能量為400瓦。 1945年7月，第一顆研發成功的核彈於新墨西 哥州進行試爆完成。 1945年8月6日及9日分別於日本的廣島與長崎 投下核彈「小男孩」及核彈「胖子」 2015/4/13 8 1951年則於底特律附近建立第一 座產生電力的核子反應爐，稱為 「實驗滋生反應爐 」。 1954年1月21日第一艘名為「鸚 鵡螺號」核子潛艇誕生。 1957年在美國賓州西萍埔產生了 第一座商業運轉以產生電力的反 應爐，其規模已達100 MW。 2015/4/13 9 重大的 物理與核子事件 2015/4/13 10 年 代 事 件 1905年 愛因斯坦提出相對論及質能轉換公式E=mc2 1938年 首次的核分裂實驗展示 1939年 愛因斯坦寫信給美國總統羅斯福，促請進行原子彈 的研究 1942年 第一座核子反應爐於芝加哥大學產生 1945年7月 核彈於新墨西哥州進行試爆 1945年8月6日 核彈「小男孩」投於日本廣島 1945年8月9日 核彈「胖子」投於日本長崎 1951年 美國底特律第一座產生電力的實驗核子反應爐建立 1954年 蘇聯建造了世界上第一座核能電廠 第一艘名為「鸚鵡螺號」核子潛艇誕生 1956年 英國及法國開始運轉核能電廠 1957年 美國賓州核能電廠開始商業運轉 1977年 中華民國核能電廠開始運轉 1979年3月28日 美國賓州三浬島核電廠事件 1986年4月26日 蘇俄烏克蘭車諾比爾核電廠事件 2015/4/13 11 三浬島事件發生於1979年3月28日，美國賓州哈里 斯堡附近三浬島核電廠第二號機，由於一連串的 機械與人為失誤，使得反應爐爐水降低，冷卻系 統失效，進而使反應爐心燃料熔毀將近一半。雖 然三浬島事件並未造成任何的死亡案例，但仍造 成數千人的緊急疏散。 車諾比爾電廠，事件發生於1986年4月26日凌晨， 起因於第四號機發生燃料棒破裂而導致爐心熔毀， 熔融之燃料碎片與沸騰之水因快速之化學反應而 產生水蒸汽爆炸，反應爐內之輻射物質外洩至大 氣中，隨風飄散。當時，蘇聯當局共緊急疏散超 過十萬人。此事故發生後數個月內造成三十餘人 死亡，可謂核能發電史上最嚴重而慘痛之事故。 2015/4/13 12 投擲於廣島之原子彈──小男孩 小男孩採槍膛式設計，總重為9700磅，其中只有100磅的 U-235 ，在爆炸中 只有2磅的 U-235 實際產生分裂。 2015/4/13 13 投擲於長琦之原子彈〝胖子〞 〝胖子〞，淨重11000磅，爆炸威力相當於22000噸的黃色炸藥。圖右所示之黑色圓錐形物體 為用於 Minnteman 3 型飛彈之 Mk-12A彈頭。Mk-12A彈頭淨重為800磅。爆炸威力相當於 335000噸黃色炸藥。每個Minnteman 3 型飛彈可以攜帶3枚Mk-12A彈頭。 2015/4/13 14 原子彈落到廣島的那一秒 http://youtu.be/V96rMwfp5w4 2015/4/13 15 核武器以燃料種類區分 1.鈾彈─利用U235作燃料，即一般人所熟知 的原子彈 2.鈽彈─即以Pu239製成的原子彈，投在長崎 的就是此種。 3.釷彈─自釷元素中提煉出U235所製成的原 子彈，實際上是另一種鈾彈。廣島所遭遇 的即此種原子彈。 4.氫彈─以1H3為主要燃料的熔合性核子彈。 5.中子彈─由氫彈演變而來，以1H2與1H3為燃 料，爆炸所產生的中子及γ射線可立即殺 死目標內一切生命。 2015/4/13 16 核武器以以爆炸能量區分 A彈（500噸黃色炸藥，以下單位 同），B彈（1,000噸），C彈 （2,000噸），D彈（5,000噸）， E彈（10,000噸），F彈 （20,000噸），G彈（50,000 噸），H彈（100,000噸），I彈 （200,000噸），J彈（500,000 噸），K彈（1,000,000噸），L 彈（2,000,000噸），M彈 （5,000,000噸）。 2015/4/13 17 2015/4/13 18 核子俱樂部 1.美國(1945年擁有核武):大約9400枚 2.俄羅斯(1949):大約13000枚 3.英國(1952):約180枚 4.法國(1960):約300枚 5.中國(1964):約240枚 6.印度(1998):60-80枚 7.巴基斯坦(1998):70-90枚 8.以色列(?):估計200枚 9.北韓（?):可能2枚,不明 10.伊朗(2005):正在進行式 2015/4/13 19 4-1 核能概述 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。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。 在目前的核能電廠中，絕大部 分是以熱中子式鈾-235核分裂 為能源。 2015/4/13 20 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的提煉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3~5% 左右，其 餘95~97% 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（核分裂的連鎖反應）。換 言之，一般核電廠並不會發生核子爆炸 的現象。 2015/4/13 21 4-2 核分裂 核分裂 核能發電的理論基礎為愛因斯坦的質能互換公 式(E=mc2) 。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 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。 2015/4/13 22 4-2 核分裂 核分裂連鎖反應 2015/4/13 23 2015/4/13 24 4-2 核分裂 核分裂反應機率與中子能量關係 2015/4/13 25 4-2 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，此可藉由調節劑如水 或石墨的使用以使中子的動能減少。當中子 的動能降至0.025 eV時，其發生核分裂的 機率即可大幅提升，而在此能量狀態下的中 子稱為熱中子(慢中子)。 2015/4/13 26 4-2 核分裂 當238U捕集到中子後，可形成另一可以產生核分裂的燃 料鈽239 ( 239Pu)。鈽並不存在自然界中，但可在反應 爐中製造。基本上，鈽在反應爐中或核彈的發展扮演 著重要的角色。239Pu形成的過程是先由238U吸收一中子 而形成239U，其半衰期 (half-life, T1/2) 為23分鐘， 藉由貝他衰退 (beta decay) 再形成錼239 (239Np)， T1/2 = 2.4天，而後再藉由貝他衰退才形成239Pu。其反 應式表示為： n 238 92 U U 239 92 239 93 Np 239 94 Pu 鈽的半衰期甚長，為24,400年。由於鈽受熱中子碰撞 後造成核分裂的機率比235U還高，因此當鈽於反應爐 中漸形成時，其亦能進行核分裂反應，進而貢獻能量。 整體而言，燃料使用過程中約三分之一的能量由鈽所 產生，此現象在燃料使用末期更顯著，約60% 的核分 裂源自於鈽。 2015/4/13 27 核燃料在空間上所佔的優勢 將一公噸的鈾235 或35公噸的氧 化鈾原料，提供給一家 1000MWe的電廠使用，大約可 維持一年。 換言之，一公斤鈾235 所產生的 能量相當於使用3000公噸的煤 或14000桶的原油。 2015/4/13 28 控制棒 為了控制反應爐中核分裂的 反應程度，整組的控制棒置 於爐心以吸收部分的中子， 而控制棒常用硼化合物製成。 若控制棒完全插入爐中，反 應爐將完全停止反應，反之， 若控制棒完全抽出，核分裂 反應將十分激烈，甚至達危 險的地步。因此若將控制棒 放至適當的位置，反應爐將 能穩定地運轉並輸出能量。 http://genchem.chem.wisc.edu/lab/PTL /PTL/Elements/Gd/Images/Gd_Use4.html 2015/4/13 29 4-2 核分裂 核子反應器 （一)沸水式反應爐 2015/4/13 30 (二)壓水式反應爐 2015/4/13 31 燃料棒（Fuel Rod） 鈾燃料係為丸狀 (pellet) 的二氧化 鈾，而後將這些丸 狀燃料置於高4及直 徑1，由鋯合金製成 的燃料棒中，再將 數十支的燃料棒捆 成組，置於爐心 2015/4/13 32 燃料棒（Fuel Rod） 2015/4/13 33 核能電廠鈾燃料、控制棒與核反應爐 http://youtu.be/nhvnQ9bhsmY 2015/4/13 34 4-2 核分裂 燃料循環 2015/4/13 35 4-2 核分裂 鈾的濃縮技術 1. 氣體擴散法:讓六氟化鈾此氣體通過一系列薄而 多孔的屏障。由於 235UF6 的分子量較 238UF6 小，因 而在相同的溫度下前者的速度較快。經過多重的 屏障後，即可得到2% 到3% 的濃縮鈾235。 2. 離心法:當氧化鈾在高速下旋轉運動時，238U之化 合物將向外移動， 235U之化合物則向內層移動， 以達分離出濃縮鈾的目標。 3. 雷射濃縮法:先將鈾置於爐中使其形成蒸氣狀， 而後以高能單色 ( 或單波長 ) 雷射光照射。照 射後， 235U原子將形成激態 (excited state)， 反之 238U則不受影響。此時再以紫外線照射激發 態的 235U原子，以使其形成離子化，最後以電子 設備收集之。 2015/4/13 36 在全世界核能製造商、電力公司及管制單 位之努力下，新一代改良型的壓水式及沸 水式反應器已經推出。進步型反應器在安 全的設計上盡量採用不需動力的被動式組 件執行安全動作，在控制室的設計上增加 了很多自動化、電腦化的預警偵測與保護 的設備，並針對人機界面做了大幅改善， 另外在材料選用及功能設計上亦有很多改 進。 2015/4/13 37 我國正要興建的核四廠，就是採用這種安 全性更高的進步型反應器。 2015/4/13 38 福島核電廠核爆 http://youtu.be/4Ti54DdFnAo http://youtu.be/e3BD5OZCi0g 2015/4/13 39 失控的燃料棒 http://youtu.be/CgkaKnOS3D8 http://youtu.be/EubO-EcuV4o 2015/4/13 40 核能電廠的安全管理策略 核能電廠的安全管理策略，是以「避免」 (Prevention)，「保護」(Protection)， 和「減緩」(Mitigation)所構成的「深度 防禦」，確保民眾的健康不因核能電廠的 運轉而受到威脅。 「避免」就是從設計、建造、訓練、管制 等方面，避免事故的發生；「保護」就是 在電廠運轉一有異常時，以跳機、隔離等 方式保護多重屏蔽的完整；「減緩」就是 在事故不幸發生時，以安全設備和緊急操 作，減緩事故對民眾的影響。 2015/4/13 41 4-3 核熔合 核熔合 核熔合產生能源的過程乃利用原子的結合以 釋放能量。 自然界中，當一系統由較少的束縛或鍵結移 向較多束縛的狀態時，能量將會釋放，例如 化石燃料，當燃燒時會將氧原子及碳原子結 合形成二氧化碳分子，此時能量狀態會較原 始燃料及空氣的能量狀態為低，因此釋放熱 能並喪失部份的質量。 當氘 (2H，重氫D) 與氘反應，或氘與氚 (3H ， 重氫T) 反應而形成氦時，由於其內核子緊 密的束縛並喪失部份質量而釋放能量。 2015/4/13 42 4-3 核熔合 氘與氚的反應稱為D-T反應，其反應式如下： D-T反應 n 17.6 MeV 而氘與氘的反應則稱為D-D反應，反應式為： D-D反應 或 2 3 4 H H 1 1 1 2 He 2 2 2 3 1 H1 1H1 2 H1 n 3.2 MeV 2 2 3 1 1 H1 1H1 1 H2 1H0 4.0 MeV 上式中，元素右下角代表原子的中子數。上述反應式 已成為目前熔合反應研究的重要基礎，此係因一旦熔 合反應發展成功，將造成一波新的能源革命，另外， 熱核 (thermonuclear) 型態核子武器的能量釋放即 是藉由D-T反應形成，如氫彈 (hydrogen bomb)。 2015/4/13 43 4-3 核熔合 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。 以太陽為例，核熔合主要發生於太陽核心，而 其溫度即高達2×107 K。D-D反應所需的最小溫 度是108 K，而D-T反應則是0.4×108 K。 地球上並沒有如此高溫的環境產生核熔合現象， 但卻可能運用儀器設備以產生類似條件而進行 核熔合反應。 2015/4/13 44 核融合反應器 圖為美國普林斯敦大學之 Tokamak 核融合測試反應器。核融合反應器利用磁場 將產生核融合反應的材料聚在一起。 2015/4/13 45 核熔合之所以視為未來能源乃基於以下數點 氘在正常水中的含量甚豐，約每6,500氫原 子就含有1個。 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。 從水中分離出氘的技術並不特別困難或昂貴。 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。 2015/4/13 46 1961年前蘇聯氫彈測試 –史上最強人造爆炸 http://youtu.be/mfMdQ6xhPIM 2015/4/13 47 核能發電的優點 核能發電不像化石燃料發電排放巨量的污染物質到 大氣中，因此核能發電不會造成空氣污染 。 核能發電不會產生加重地球溫室效應的二氧化碳。 核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍，故核 能電廠所使用的燃料體積小，運輸與儲存都很方便， 一座1000百萬瓦的核能電廠一年只需30公噸的鈾 燃料，一航次的飛機就可以完成運送。 核能發電的成本中，燃料費用所佔的比例較低，核 能發電的成本較不易受到國際經濟情勢影響，故發 電成本較其他發電方法為穩定。 2015/4/13 48 核能電廠所使用的燃料體積小 一座發電量為1000百萬瓦的發電廠 (約 等於核二廠發電量的一半)，如果使用煤 為燃料，需要210~300萬公噸 (視煤 的品質而定)的煤；如果使用石油為燃料， 需要140~200萬公噸的石油；如果使 用天然氣為燃料，則需要230萬公噸左 右的天然氣。而同樣大小的核能電廠， 所需的燃料僅為30噸左右。 2015/4/13 49 核能發電的缺點 核能電廠會產生高低階放射性廢料，如果在 事故中釋放到外界環境，會對生態及民眾造 成傷害。 因具有放射線，故必須慎重處理。 核能發電廠熱效率較低，因而比一般化石燃 料電廠排放更多廢熱到環境裏，故核能電廠 的熱污染較嚴重。 核能電廠投資成本太大，電力公司的財務風 險較高。 核能電廠較不適宜做尖峰、離峰之隨載運轉。 興建核電廠較易引發政治歧見紛爭困擾。 2015/4/13 50 台灣使用核能發電的理由 台灣無自產能源，96%的能源需自國外進 口。 核能電廠所使用的燃料體積小、運貯方便 。 核能發電的成本較其他發電方式的成本穩定。 核能發電的成本受國際能源價格波動的影響 較小，可以降低世界能源危機再度發生時所 帶來的衝擊。 2015/4/13 51 低階放射性廢料的處理流程 1.廢料體積的縮小（減容） 2.廢料的固化（採用水泥固化方法 處理） 3.廢料的運輸（運輸方式包括陸運 與海運兩種） 4.廢料的最終處置（運至國家低放 射性廢料蘭嶼貯存場貯存。） 2015/4/13 52 低階放射性廢料的最終處置 選擇最終處置場時最重要的考慮是如何 避免或減少因地下水等媒介將放射性核 種遷移至人類生活圈。 最終處置場可藉多重障壁之設計來阻滯 放射性核種的遷移，確保長期置放的過 程中，不致對環境品質與人類生活安全 造成不良之影響。目前美國、法國、日 本、西班牙、瑞典、德國、英國、芬蘭、 南非等國皆採用此種方式處置低放射性 廢料，且順利運轉中。 2015/4/13 53 核去核從-蘭嶼核廢料 http://youtu.be/B8V392zcOWk 2015/4/13 54 核去核從- 核廢料安全性 http://youtu.be/q5zTWuB7M-w 2015/4/13 55 核去核從- 高階核廢料 http://youtu.be/TFb7GqaiyB8 2015/4/13 56 放射落塵的產生 放射落塵的產生主要來自核子武器(原 子彈或氫彈)的使用或試爆後漂散於大 氣中的殘骸。截至目前為止，核武的使 用僅發生在日本廣島及長崎兩地，而曾 在大氣中舉行試爆的國家則有美、英、 俄、法、中國大陸以及印度，若是在地 下舉行試爆，則放射落塵的含量較少。 另一種較少見的放射落塵則來自核能設 施的意外事故，例如1986年4月26日 蘇聯的車諾比爾意外事故。 2015/4/13 57 放射落塵對人體的傷害 放射落塵是否對人體造成傷害要視 放射落塵的活度與壽命而論。活度 是指一定量的放射性核種每秒發出 多少輻射，而壽命則指放射性核種 半衰期的時間長短。 放射落塵中有二核種的壽命比較長， 一為鍶90，它的半衰期長達28.8 年；另一種為銫137，它的半衰期 為30.17年。 2015/4/13 58 鍶90與銫137對人體的影響 在我們生活的環境中如有放射落塵存在，不 知不覺中會藉由各種途徑到達人體內，例如 草原被放射落塵污染，被牧養在草原上的牛 羊吃下被污染的草，它們的乳和肉間接也受 到污染，若我們再吃這些牛羊的肉或乳，污 染便進入我們的身體，這就是食物鏈的循環 過程。鍶90一旦進入人體，會驅附於骨和齒 中，不易排出。至於銫137則會分佈於全身， 各器官都會受到影響，還有遺傳效應，達某 種量時會破壞敏感的生殖細胞。 2015/4/13 59 2015/4/13 60 臺灣放射落塵主要來自何方 在1964至1980年間，我們環境中的放 射落塵主要來自中國大陸新疆的羅布泊。 而不論是蘇俄的車諾比爾或是新疆的羅布 泊，即使感覺是遠在天邊的地方，製造出 來的放射落塵也會隨平流層氣流漂到任何 角落，我們不能掉以輕心。所幸自1980 年後，在大氣中舉行核子試爆的行為已中 止，多數國家已具備保護生態環境的共識， 相信環境中的放射落塵將日漸減少。 2015/4/13 61