Transcript （星期六）多元產業巡禮課程

102學年度第1學期
多元產業巡禮
單元一
民生產業-核能電力的認識與體驗
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你知道的核能？
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深入福島核電廠
http://youtu.be/LcdF2fdM69g
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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。
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核能利用現況
至2011年底，全球共有442座核反
應爐運轉，並提供了2518TWh(兆
瓦)的電力，約是全球電力的11%。
在未來，全球共有59座核反應爐
興建中(其中的3/4集中在中國，
俄羅斯及印度 )，未來將加入運
轉。
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核能利用現況
美國為全世界最大核能發電國，共有104部機組
100.6百萬瓩產生近20 %的全國電力。
法國有59部機組共63.3百萬瓩容量，為全世界第
二大核能發電國，僅次於美國；高達78％電力是
由核能所提供，為全世界第一。
瑞士有5部核能機組在運轉，共3.2百萬瓩容量，
核能佔總發電量40 % 。
日本為第四大核能發電國，僅次於美、法與瑞士。
有55部機組共47.6百萬瓦容量，提供全國30 %的
電力。
南韓40 ％電力是由核能所提供。
德國25 ％電力是由核能所提供。
臺灣則有19 ％電力是由核能所提供。
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臺灣現有的核能發電廠
核能一廠：臺北縣金山鄉 (23.67%核能電力)
2部沸水式核子反應爐
核能二廠：臺北縣萬里鄉國聖(39.5%)
2部沸水式核子反應爐
核能三廠：屏東縣恆春鎮馬鞍山(36.83%)
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
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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。
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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。
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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」
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。
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重大的
物理與核子事件
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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
2011年3月11日 日本福島核災事件
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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。此事故發生是核能發電史上最嚴重而
慘痛之事故。
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重返車諾比爾
核爆遺址的巨大「石棺」
http://youtu.be/QOi4qWJkWFo
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世界三大核災
福島、車諾比爾、三浬島
http://youtu.be/WeDEbLvv37A
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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。
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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。
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原子彈落到廣島的那一秒
http://youtu.be/V96rMwfp5w4
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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。
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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）。
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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
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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。
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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。
核能發電，235U的濃度需達3~5% 左右，
其餘95~97% 則是238U。但發展核武，
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。
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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。
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核分裂
核分裂連鎖反應
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核分裂
核分裂反應機率與中子能量關係
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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3000000公斤
的煤或14000桶的原油。
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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
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核分裂
核子反應器
（一)沸水式反應爐
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(二)壓水式反應爐
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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
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燃料棒（Fuel Rod）
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核能電廠鈾燃料、控制棒與核反應爐
http://youtu.be/nhvnQ9bhsmY
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核分裂
燃料循環
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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。
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我國正要興建的核四廠，就是採用
安全性更高的進步型反應器。
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福島核電廠核爆
http://youtu.be/4Ti54DdFnAo
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失控的燃料棒
http://youtu.be/CgkaKnOS3D8
http://youtu.be/EubO-EcuV4o
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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。
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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。
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。
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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。
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
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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4×107 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。
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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。
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核熔合視為未來能源
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。
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1961年前蘇聯氫彈測試 –史上最強人造爆炸
http://youtu.be/mfMdQ6xhPIM
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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。
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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。
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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。
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台灣使用核能發電的理由
台灣無自產能源，99%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。
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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。）
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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。
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核去核從-蘭嶼核廢料
http://youtu.be/B8V392zcOWk
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核去核從- 核廢料安全性
http://youtu.be/q5zTWuB7M-w
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核去核從- 高階核廢料
http://youtu.be/TFb7GqaiyB8
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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。
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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。
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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。
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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。
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核 三 廠 全 貎
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10月5日7:10AM校門口見
遲到者請走路去
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