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清華原子爐的前世今生

National Tsing-Hua University. Nuclear Science & Technology Development Center. 清華原子爐的前世今生. 蔣安忠博士 清華大學原科中心反應器組 2009/2/28. 大綱. 潔淨新能源 : 核能 清華水池式反應器簡介 反應器現場參觀. 21 世紀人類面臨的重大議題. 能 源 水 糧 食 環 境 貧 窮 恐佈主意義與戰爭 疾 病 教 育 民主政治 人 口. 2007 年 65 億 2050 年 80-100 億.

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清華原子爐的前世今生

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Presentation Transcript

  1. National Tsing-Hua University Nuclear Science & Technology Development Center 清華原子爐的前世今生 蔣安忠博士 清華大學原科中心反應器組 2009/2/28

  2. 大綱 • 潔淨新能源: 核能 • 清華水池式反應器簡介 • 反應器現場參觀

  3. 21世紀人類面臨的重大議題 • 能 源 • 水 • 糧 食 • 環 境 • 貧 窮 • 恐佈主意義與戰爭 • 疾 病 • 教 育 • 民主政治 • 人 口 2007年65 億 2050年 80-100億 Source: MIT Forum, River Oaks, January 22, 2003, by R. E. Smalley, Rice University

  4. 與日俱增的石油需求量

  5. 大氣中的二氧化碳含量 工業革命前: 280 ppm 1960s: 325 ppm 2007年 : 380 ppm 濃度年增速率: 2 ppm/year 毀滅性災難之預估濃度 :450 ppm http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide_in_the_Earth's_atmosphere

  6. 以2008年為基準點 海岸線受侵蝕:0 公尺 預計2028年 海岸線受侵蝕:12 公尺

  7. 2038年 海岸線受侵蝕35公尺 宜蘭灣 台北湖 屏東灣

  8. 能源問題 • 化石資源終有消耗殆盡的一日 • 人類需有其他的能源維持文明的發展 -- 電能 • 電能產生的能量來源 -- 再生能源、核分裂、核融合、氫能 • 再生能源 --太陽能、海洋溫差、潮汐、地熱、 水力、風力。

  9. 磁鐵 磁鐵 旋轉接觸器 線圈 靜止電刷 燈泡 發電機

  10. 傳統發電方式

  11. 核能原理 • 1911年拉塞福用微小粒子高速撞擊金箔, 發現原子結構 • 義大利物理學家費米（Fermi）在1934年以中子撞擊鈾元素後，發現會有新的元素產生，是人類第一次發現核分裂反應。

  12. 鈾元素的連鎖分裂反應 • 天然的鈾元素中含有鈾-238及鈾-235兩種同位素，天然鈾中鈾-238的含量為99.3%，鈾-235含量則只有0.7%，經中子撞擊後只有鈾-235會發生分裂反應 +193.6MeV

  13. 前述的核分裂反應裡，反應後產生兩個較輕的原子核及２至３個中子的總質量比反應前鈾-235加上一個中子的總質量小，其間損失的質量會變成能量；而根據愛因斯坦（Einstein）在1905年提出的理論，質量變成能量時，其轉換關係為〝能量＝質量×光速的平方〞，而光速是一個非常大的數值，約是每秒３億公尺，因此極小的質量即可變成極大的能量。例如1945年在日本廣島上空爆炸的原子彈，其總重量為440公斤，鈾-235含量為45公斤，而其中僅有１公斤發生核分裂反應，反應中又只有１公克（約如一小塊巧克力重）的質量轉化成能量，但它的威力卻相當於16萬公噸黃色炸藥發生爆炸，瞬間摧毀了整個城市，並造成十幾萬日本人當場死亡。前述的核分裂反應裡，反應後產生兩個較輕的原子核及２至３個中子的總質量比反應前鈾-235加上一個中子的總質量小，其間損失的質量會變成能量；而根據愛因斯坦（Einstein）在1905年提出的理論，質量變成能量時，其轉換關係為〝能量＝質量×光速的平方〞，而光速是一個非常大的數值，約是每秒３億公尺，因此極小的質量即可變成極大的能量。例如1945年在日本廣島上空爆炸的原子彈，其總重量為440公斤，鈾-235含量為45公斤，而其中僅有１公斤發生核分裂反應，反應中又只有１公克（約如一小塊巧克力重）的質量轉化成能量，但它的威力卻相當於16萬公噸黃色炸藥發生爆炸，瞬間摧毀了整個城市，並造成十幾萬日本人當場死亡。

  14. 沸水式反應器(核一核二)

  15. 壓水式反應器(核三核四)

  16. 研究用的反應器 • 目前國內唯一運轉中的研究用反應器 • 清華水池式反應器 Tsing-Hua Open-pool Reactor (THOR) • 與發電用反應器原理相同、用途相反 • 發電用: • 利用核反應產生能量產生蒸氣推動發電機、把游離輻射隔離排除 • 研究用: • 研究產生的游離輻射，以冷卻系統排除熱能

  17. THOR的歷史 • 1949年中華民國遷移至台灣，1956年清華大學在台復校，第一個成立之系所即為原子科學研究所。 June 1, 1956 • 因應核能教育與研究的需求， 本校於1958年開始清華水池式反應器(Tsing Hua Open-pool Reactor , THOR)的建造計畫。 1961年4月13日THOR第一次達到臨界運轉。 May 25, 1958

  18. January of 1959 December of 1960 June 14, 1959

  19. 里程碑: • 建造始於 1958年 • 1961年完成初次臨界 • 1993年控制系統更新為全電腦化操控 • 1998年爐心組件更新 • 1998年額定功率由1 MW 提升至 2 MW • 2001年取得為期十年之更新執照 THOR reached its first criticality on April 13th of 1961. Digital Control System

  20. THOR結構圖

  21. THOR的現況 • 目前THOR 一年運轉45周，每周運轉兩天，每次連續運轉8小時，運轉功率維持在1.2 MW 。 • 現有5名運轉員，包括3名高級運轉員及2名運轉員。 • THOR 現為世界上 2-MW 研究用反應器運轉時間最久之一。

  22. THOR的主要任務 • 從事核能相關研究 硼中子捕獲治療，中子活化分析，中子散射及繞射實驗，核能安全分析，老化管理，功率提昇等。 • 提供照射服務 材料特性，考古定年, 環境級微量元素分析，同位素製造(131I 膠囊和131I 馬尿酸) • 提供反應器訓練課程及核能相關資訊 中子照射 131I 同位素製造 訓練課程

  23. 中子的特性 • 電中性、穿透力強 • 用來看氫 • 觀察化學鍵 • 非彈性散射 • 具有磁性 • 應用層面廣 生命科學、工業、地球與環境科學、物理、化學

  24. THOR的學術研究 • 硼中子捕獲治療(Boron Neutron Capture Therapy, BNCT)

  25. 硼中子捕獲治療(Boron Neutron Capture Therapy, BNCT) 含硼藥物研發 HepG2 cells treated with boron drug Untreated HepG2 cells 動物實驗

  26. THOR的學術研究 • 核能安全 老化管理，延役，腐蝕防治， 功率提昇，水化學等 沿著冷卻水流徑，水分子受到帶電粒子與高能加馬射線的游離與激發， 即為水輻射分解效應， 圖中包含不同的輻射分解粒子。 Untreated Treated 在模擬沸水式反應器的環境下， 304 不鏽鋼組件經氧化鋯奈米粒子被覆後可有效地減低裂縫成長的速率

  27. THOR的學術研究 • 中子照相

  28. THOR的學術研究 • 中子活化分析 • 備有高解析度加馬能譜分析系統，進行微量元素定性與定量分析 核反應器中子通量約為1012n.cm-2.sec-1，約可測至百億分之一的濃度。 應用領域如 岩石中微量元素分析，台灣百年廟宇的交趾陶老化成分分析，煤炭中不純物分析，矽晶圓不純物分析，金礦工業稀土元素之分析，醫療生技應用之奈米粒子分析等應用。 • 中子散射 中子是非常容易穿透原子的，除非它正巧碰到原子核，對中子而言原子核是非常硬的，不易穿透，所以中子就被擋住了，而反彈到別的地方，你也許會認為中子會飛向任何地方，事實上並非如此，它們在晶體中的運動及反射都受到散射效應的控制，它們測量中子經過散射的圖象，因為中子在與晶格作用時、我們可視中子為光波，利用波的散射原理，再經過繁複的運算，我們就能還原出晶體結構的原貌。

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