核能发电.doc

自 然 科 学 概 论主题：核能发电 陈俊纲 陈劲宇 魏梓安 林佳錤壹、核能发电的历史一、战争的诱导1939年，欧战爆发，纳粹军队席卷全欧，自由世界岌岌可危。同年德国的两位科学家提出核分裂反应的理论，此时，因为担心德国称霸世界，爱恩斯坦至电给美国总统罗斯福，促请进行原子弹的研究。美国军方于是执行曼哈坦计划，目的就是为早日结束战争而制造人类第一颗原子弹。这也促进了科学界对原子核的研究，也使得人们对它的了解更多。 第一座原子能反应炉能二、自由控制核反应 1942年，费米等人在芝加哥大学运动场看台下的室内球场，利用高纯度的铀和石墨，堆成了所谓的芝加哥反应堆，也完成了世界上第一座原子能反应炉，紧接着，在1945年7月16日，以费米为首研制的第一颗原子弹，成功地在新墨西哥州南部的阿拉莫戈多爆炸。三、战争 和平用1945年8月，两颗投在日本广岛与长崎的原子弹，结束血腥残忍的第二次大战。人类掌握无限能源的同时，也掌握自我毁灭的利器，是福是祸端赖人类睿智的决定。1953年12月，美国总统艾森豪威尔威尔在联合国大会发表演说，强调原子能的和平用途（Atoms for Peace），并将核能秘密公诸于世，开启了全球核能发电的契机。贰、核能发电-发电原理 核能分两种，其一为核分裂能，另一种即核融合能。前者系重元素(如铀，钸等)分裂所发出之能量；后者为轻元素(如氢及其同位数氘、氚)结合成重元素(如氦等)所发出之能量。太阳能系源自核融合反应，此外如热核弹或氢弹亦均利用核融合原理制成。 铀-235原子核进行核分裂连锁反应时所产生的热能，将水加热成高温、高压的水蒸汽，用于推动汽轮机，再带动发电机产生电能。所以反应过程主要分为连锁跟稳定。一、核分裂（一）连锁反应经过多位科学家的研究发现天然的铀元素中含有铀-238和铀-235两种同位素，天然铀中铀-238的含量为99.3%，铀-235含量则只有0.7%，中子撞击后铀-235会发生分裂反应。一个中子撞击铀-235原子核后，暂时共同形成铀-236原子核，同时因其内部吸收了该中子的能量，故开始作剧烈的哑铃状震荡，最后哑铃状震荡因震荡过剧而瓦解，并产生两个质量较小的原子核，且放出2到3个新的中子；这时如果旁边有其他的铀-235存在，则会被新的中子撞击，继续分裂反应，此即所谓的连锁反应。 连锁反应示意图（二）稳定状态每次何分裂后会有2到3个新的中子产生，这些中子也就是引发分裂的关键，如果它们分别又引发了2到3次的分裂反应，则分裂反应的速度是以等比级数的速度增加，因而每次都放出巨大的能量。如果又办法把2到3个新产生的中子吸收掉一、两个，只让一个中子继续引发下一次分裂反应，我们即可控制每次反应的数目使其保持固定，把反应产生的能量用来发电，这种状况即称为临界核分裂反应，若分裂次数一代比一代多则称为超临界反应；反之，若分裂次数一代比一代少则称为次临界反应；核电厂运转发电时是保在临界反应状态，停机时是保持在次临界状态。欲保持临界核分裂反应则需找到能吸收中子的物质，目前核电厂用的是镉或硼，这两种物质便是构成控制棒的主要材料。核电厂停机时控制棒整个插在炉心里，吸收大部分的中子，使整个炉心保持次临界状态，启动时控制棒便被慢慢抽出来，一直到达到临界状况时将控制棒固定，便可保持稳定而持续性的核分裂反应；若有异常状态发生，控制棒便被迅速插入炉心，停止其分裂反应。图中的控制棒里面含有镉跟錋等原素二、核融合 氚为氢的同位素，由一质子及二中子构成。氘可以从海水中提取，而氚则不存在于天然界中。以上四个反应式中，各反应均有能量释出，为何会有这种释出能量呢？发现原子序于40至80之间为最稳定的原子，而当原子序超过80以后就都有一个天然放射性的趋势。并且会分裂成二较轻而在稳定区域内的元素，此种趋势即核分裂原理之基础。在另一方面当原子序小于40时，即有合成变为较重元素之趋势。上述分裂与融合之反应均有质量欠缺(mass defect)现象，由爱因斯坦质能互换原理：E=mc2，吾人获知会有巨大能量发生，而后者又较前者放出的能量约多出三至四倍。 当然分裂与融合之间仍具有基本不同点，例如，核分裂为自然的现象，只要可分裂燃料质量够多达到临界状况即能发链锁反应；但是在核融合方面，由于首先要让核子与核子之间能够很靠近才可能有反应发生，故必须外加相当的能量破除库伦电位障壁。此因核子(氘核子及氚核子)系带正电，其会互相排斥。如要得到一相当大的反应速率时，则必须加温到10Kev以上，亦即相当于109K的温度(1K相当于1.4210-23焦耳；又1ev=1.16104K)。而在如此高的温度下，所有物质早就游离化了，吾人称此种游离化状态叫做电浆(plasma)或称为离子气体(ionized gas)。核分裂示意图 天文学家曾说：宇宙中物质有99均以离子状态存在。其意思是说，太空里由于各星体均是融合作用，其所发射出高能量之电磁波、宇宙线使几乎所有的物质均被离子化了，地球幸有外层的电离层、臭氧层及大气层的保护，使得透过来之辐射波强度减弱，人类才得以生存。经过科学家半世纪的努力，在实验上有相当大的进展，但在实用上仍有些距离，因为至今从反应炉中输出的能量仍然低于维持其运转所须输入的能量，且目前只能再瞬间维持四千万度的高温，无法长时间维持如此高的温度，因此核融合反应无法持续稳定的进行参、核反应器简介以下所介绍的反应器，以在工业上已获得实际应用为范畴一、反应器的分类 依照核燃料的种类来分，可分为两类；一为利用天然核种来发电，如铀-238；另一为利用浓缩过的核种来发电，如铀-235。自然界中铀-238的含量占99.3，铀-235占0.7。举例来说，在沸水式的反应器中，必须将铀-235的纯度提高至2.53.5，才有机会发生核分裂反应。而原子弹中铀-235的纯度必须大于99。 此外，也可以用冷却剂的种类来分类。可分为轻水式、气冷式、重水式、液态金属四种。二、轻水式反应器 缓和剂为水的反应器，分为沸水式和压水式（一）沸水式反应器（Boilling Water Reactor，简称BWR） 首先来看反应器的工作原理，即利用核反应产生的热能加热水产生蒸汽，推动汽轮机使其作功，再带动发电机来发电。接着将介绍反应器的构造 燃料棒：为了承受核反应时的高温，一般将二氧化铀的粉末烧制成直径与高度均为1.6公分左右的柱状燃料丸，再将燃料丸封装在3.86公尺高、厚0.8公分的锆合金管内作成燃料棒。锆合金具有吸收金属且不易腐蚀的特性，适合用来保护具有放射性的铀燃料。缓和剂（冷却剂）：促成核分裂反应的是低能量的中子，一般称为慢中子或热中子。受到撞击的铀-235产生的新中子称为快中子，其能量为慢中子的四千万倍。因为水中的氢原子质量与中子相近，藉由快中子与氢原子多次碰撞后变成慢中子，核分裂反应才得以持续发生。控制棒：控制核反应的速率，常用镉或硼。压力槽：对任何液体而言，欲达到沸点的温度与其四周压力有关。在常温常压下水的沸点为100，然而在这种情况下产生的蒸气能量太低不足以推动汽轮机，所以必须提高沸点，故压力槽内的压力很大。围阻体：最外层的包覆，也是安全设计的最后一道防线，由超过两公尺的强化钢筋混凝土构成。 回到沸水式反应器这个部分，此种反应器使用的核燃料为铀-235，利用水通过核心穿越燃料铀时，被加热变成蒸气而导入汽轮机作功。优点是设计简单，缺点是装置非常巨大，故单位面积的发电功率较其他类型的反应器小。（二）压水式反应器（Pressurized Water Reactor，简称PWR） 此种反应器常与沸水式作比较，因为两者装置结构与发电原理大致相同，使用的核燃料一样为铀-235，最大的不同之处是多了一个蒸汽产生器，不同于沸水式反应器直接利用通过核心的沸水产生蒸汽，而采用次级回路的方式。这种做法的好处是较为安全，汽轮机使用的蒸汽较无核污染的疑虑。还有就是控制棒的设计方面，沸水式设置在下方，压水式设置在上方，如此压水式的系统比较容易为维护与保养。因为体积可以做得比较小，常用于需要核子动力的船舰或潜艇。因为装置较沸水式复杂，所以制造的成本较高，两者可说是互有优劣。目前台湾仅核三厂的反应器为压水式，核一、核二、核四厂均使用沸水式反应器。三、气冷式反应器(Gas-Cooled Reactor) 气冷式即利用气体通过核心时，以高温气体加热水产生蒸汽导入汽轮机，常用的气体为氦及二氧化碳。因为气体使中子减速的能力差并非好的缓和剂，所以采用耐高温的石墨代替，一般称为石墨气冷式反应器。使用的核燃料可以是天然核种也可以是浓缩核种，优点是燃料净消耗率低，气体比较安全也容易处理。由于气体的热传导度很低，在热交换器的设计上必许有较大的接触面积以及气流通道，所以反应器较大且消耗较多的功率在风扇推动气体。四、重水式反应器（Heavy Water Reactor，简称HWR） 重水式的反应器核心多采用压力套管式，缓和剂和冷却剂是分开的，以重水当作缓和剂，冷却剂可以是各种流体，如轻水、重水、气体和液态有机化合物。使用的核燃料为天然核种，燃料棒的设计是水平式的，所以补充燃料时不须停止反应器的运作。优点是发电功率高，缺点是重水的价格较为昂贵，且反应器在防漏设计上必须采取特别防护。五、液态金属冷却快速滋生反应器(Liquid-Metal-Cooled Fasr Breeder Reactor，简称LMCFBR) 此类反应器较为特殊，最大的特点就是不用缓和剂，以液态金属作为冷却剂，一般为钠钾混合物。有两级的冷却系统，主要是为了隔离主系统与蒸汽产生器，避免辐射物质流入工作流体（蒸汽）。核心的设计将铀-235包覆在锆合金管内，其外部再加上一层围包（Blanket），围包由不锈钢套皮之铀-238制成，利用核分裂产生的中子，将铀-238转变为钸-239来进行反应。此即称为滋生反应器的原因。优点是发电功率佳，且金属导热速率快不会因为热量无法传出而发生危险，所以体积可以做得比较小，缺点是装备设置昂贵。肆、核能安全一、车诺比事故 1986年四月二十六日凌晨一点多，前苏联车诺比核电厂第四号机发生燃料 棒破裂而导致炉心熔毁之事故，熔融之燃料碎片与沸腾之水因快速之化学反应 而产生水；反应器内之辐射物质外泄至大气中，随风飘散。蒸汽爆炸，热碎片及 火焰由反应器厂房顶部窜出，造成厂房附近多处失火。 当时总共花了三天的时间，才将核电厂周遭区域的居民全数撤离。有161,000 人被迫遗弃自己的家园。这十多万居民乎均估计已接受了50到500毫西弗(mSV)的放射量(约5到50雷得；注：一般医疗用胸部X光照射约为小于0.1雷得的暴露，美国为0.02雷得，两国际放射保护协会(ICRP)的建议容许剂量为一般人民一年0.1雷得)许多农作物因此而遭受直接污染；牛奶与羊奶也透过食物链而受到间接污染。此外，鱼群与动物(例如芬兰的驯鹿和瑞典的麋鹿等)也难以幸免。另有25,000平方公里的土地遭受污染。之后，有数万人产生与辐射相关的健康问题 (例如白血病和甲状腺癌)，还有约4,000人死于此事故所产生的长期效应。二、台湾核能电厂绝对不可能发生类似爆炸车诺比尔电厂所使用的RBMK-1000型反应器，是冷战时期前苏联的特产。由于特殊的炉心设计，平时可作民生发电之用；战时可迅速生产核武所用的钸-239。RBMK型反应器与我国目前的轻水式反应器完全不同。RBMK反应器使用石墨作为中子减速剂，我国所有轻水式反应器全都使用水作为减速剂。石墨缺点是反应器体积变得相当大，也更难以驾驭。而且高温时，容易发生火灾。 RBMK型反应器厂房没有围阻体（Contaminant）设计。爆炸力加上蒸气，掀开了反应器顶板之后，碎片穿破厂房，直冲云霄。我国反应器则有厚达2至6公尺的超强化钢筋混凝土围阻体，其内部有各种保护装置。万一反应器发生极严重的炉心熔毁，围阻体就要担负起阻止放射性物质外泄的最后一道防线。三、三浬岛事件 1979年三月廿八日，美国宾州附近三哩岛核电厂第二号机发生事故，主饲水泵突然跳机。一连串的机械与人为失误使反应炉炉水降低，冷却系统失效，导致炉心的热无法有效移除，而使反应炉心燃料熔毁将近一半。主要的机械故障为紧急饲水泵无法打开，紧急辅助水无法送入蒸汽产生器，只好泄压灌入冷却水来带走炉心热量。但工作人员后来忘了将释压阀关闭，导致反应炉冷却水大量流失，加上运转员误判冷却水流失事故的信号，直至发现真实情况作炉心补水时，反应炉已损坏至不可修补的地步，大约有47核燃料融化。三哩岛事故为人为失误及设计未尽妥善所导致。 事故发生之后，几乎所有放射性物质都被滞留在反应器或辅助厂房之内，根本没有泄漏到环境。所以对于电厂周围居民的健康影响，是微乎其微的。 让核能界感到庆幸的是，深度防御概念中，作为最后一道防线的围阻体的确可以发挥功能，将炉心熔毁后所释出的放射性物质包封住，不让它排到外界环境中，造成环境的冲击和民众的辐射伤害。反核人士口中之炉心熔毁事故真的发生了，但后果并没有造成毁灭性灾难。有人将三哩岛事件的发生，怪罪于运转人员的失误。但是该检讨的是，运转人员有没有受到适当的训练、控制室的设计是否考虑到运转人员操作上的便利、以及运转员是否能充分掌握电厂重要系统的运转状况；还有在紧急状况下，运转人员能否获得必要的协助等问题。三哩岛事件之后，法规管制单位提出不少新的规定，要求电力公司改正缺失，其中不少牵涉到硬件设施的改善，这些要求使得核电的成本大幅攀升。法规管制单位也意识到，核能界对炉心熔毁的物理及化学现象了解不够，因此大幅度提高相关研究的经费。 基本上，三哩岛事件是多重安全系统同时丧失功能所造成。核能电厂由于有潜在性的危险；换句话说，虽说是微乎其微，但多个重要组件还是有可能同时发生故障或损坏。基于这一体认，没有人保证类似三哩岛的事故不会再发生。 与车诺比尔核能灾变比较，三哩岛事件从开始发展到恶化至放射性物质大量泄入围阻体内，整个事件经过了一段相当长的时间。电力公司可以利用这段时间寻求外援，抢救机组，也使得政府可以执行拟定好的紧急应变计划，保护电厂附近的民众安全。伍、核废料处理一、什么是放射性废料?废料是指无法再回收使用，必须丢弃的废弃物。如果废弃物释放出的辐射强度较背景辐射为高，且达到法规限制时，即称为放射性废料。放射性废料必须特别处理，以防止废弃物的放射性物质对环境或人体造成危害。二、放射性废料的分类依来源不同，放射性废料可以具有完全不同之物理及化学特性，亦可能以气体、液体、或固体的形式存在。放射性废料可以广义的区分为高阶放射性废料及低阶放射性废料。（一）高阶放射性废料：为用过核燃料或其经再处理所产生之萃取液或产物，通常包括半衰期较长的核种，故在最终处置上远较低阶放射性废料为复杂。（二）低阶放射性废料：1.湿性 : 一些核电厂在维护、除污作业、或运转过程中所受放射性物质污染的东西 如: 废树脂、废液浓缩液、净化水系统所产生的过滤残渣。2.干性 : 衣物、手套、工具及废弃的零组件，设备，或是污染泥土、保温材、炉灰、水泥块及废金属等3.其他 : 医疗院所、农业、工业及学术研究单位在使用放射性同位素过程中，所产生的废弃物和使用过但仍具相当辐射强度之辐射源。三、低阶放射性废料的处理为了防止低阶放射性废料中的放射性核种污染环境及对生物造成伤害，处理低阶放射性废料时，需将放射性废料转变为较稳定的形态，在经过适当的包装后，使其所含的放射性核种，无法自废料中释出；再将包装处理后的放射性废料送往最终处置场堆存。最终处置场可藉多重障碍之设计来阻滞自放射性废料释出放射性核种进一步释放到外界环境中，确保长期置放的过程中，不致对环境质量与人类生活安全造成不良的影响。 低阶放射性废料的处理流程包括（一）废料体积的缩小（减容） 对不同形态的低阶放射性废料会采取不同的措施以适当的缩小放射性废料的体积，以降低处理的成本。 1、气体放射性废料的减容 核能电厂气体放射性废料的处理流程如图二所示。气体放射性废料射性核种会累积在前过滤器、活性碳床及后过滤器中，这些组件内所使用的材料会被污染，成为固体低阶放射性废料。图中滞留管的功能为延长气体通过的时间，使气体内短半衰期的核种有机会衰变。 图一2、液态放射性废料的减容 核能电厂低浓度的液态放射性废料的处理流程如图三至图五所示。其处理的方式均为经过层层的过滤，或利用离子交换的技术，将放射性核种自液态放射性废料中分离，使放射性核种的浓度到达可排放的标准，或者将处理过的液态物质回收利用。处理过程中，亦会产生固体低阶放射性废料。 图二图三 图四 3、固态放射性废料的减容 核能电厂固态放射性废料的处理流程如图六所示。可燃性废料采用焚化方式处理，废料的体积可以减少20至25倍。对非燃性放射性废料除了采用压缩方式来减少其体积，将来亦可增设电浆焚化熔融设施来处理。采用电桨焚化熔融炉处理，可将废料体积减少2倍到10倍，熔融所得的熔岩抗压强度大于每平方公分1,000公斤。 图五 （二）放射性废料的固化及装桶为防止放射性废料中的放射性核种自废料外释，放射性废料必须固化，即将放射性废料与较稳定的物质混合成为固体，再经过适当的包装，以方便放射性废料的运输与贮存。目前国内核能电厂所产生的硫酸钠浓缩液及粉状树脂与过滤残渣采用水泥固化方法处理。水泥固化依搅拌方式可分为55加仑镀锌钢桶内拌合及桶外搅拌后再装入桶内两种方式。不管采用那一种固化方式，粉状树脂与过滤残渣固化前，须经离心机脱水。核一厂采用55加仑桶内拌合固化方式，系将经离心机脱水后之粉状树脂与过滤残渣或浓缩废液装入55加仑镀锌钢桶内后，再注加凝结水及水泥，在桶内直接拌合。核二厂采用桶外拌合固化方式，系将经脱水后之粉状树脂与过滤残渣或浓缩废液在混合进料搅拌装置内与水泥混合均匀后，再装入55加仑桶内。目前核三厂固化系统与核二厂类似，由于含有硼，需添加石灰方可获得好质量之固化废料体。（三）低阶放射性废料的运输国内低放射性废料运输主要是将各核设施所产生的固化废料桶运送至兰屿贮存场贮存暂存。运输方式包括陆运与海运两种。陆运系将符合主管机关规定的固化废料桶装载于特种货柜中，以拖板车运至台电公司专属码头装船。海运系由专用船舶将固化废料桶运至国家低放射性废料兰屿贮存场贮存。兰屿贮存场壕沟内废料桶排列情形 兰屿贮存场自动遥控式吊车及机具 台电公司电光一号低放射性废料运输船 （四）低阶放射性废料的最终处置 选择最终处置场时最重要的考虑是如何避免或减少因地下水等媒介将放射性核种迁移至人类生活圈。最终处置场可藉多重障壁之设计来阻滞放射性核种的迁移，确保长期置放的过程中，不致