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E=MC 2 產業現況與未來發展

E=MC 2 產業現況與未來發展. 廖俐毅 2007 年 3 月 15 日. 1. 簡介 : 1.1 發電方式簡介. 水力、火力、核能發電 再生能源發電 太陽能發電 光電池 集熱板將水加熱產生蒸汽 , 推動汽輪機發電 將水分解為氫與氧兩種氣體 , 再用氫發電 風力發電 海水溫差發電 利用特殊氣體（如氨氣）遇冷變液體 , 遇熱變氣體特性 , 推動氣輪機發電 地熱發電 地熱使地下水變成蒸汽 , 推動汽輪機發電. 1.1 發電方式簡介. 核能發電與火力發電非常相似，只是燃料不同. 1.2 核能發電工作原理 原子與原子核.

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E=MC 2 產業現況與未來發展

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  1. E=MC2產業現況與未來發展 廖俐毅 2007年3月15日

  2. 1.簡介 : 1.1 發電方式簡介 • 水力、火力、核能發電 • 再生能源發電 • 太陽能發電 • 光電池 • 集熱板將水加熱產生蒸汽,推動汽輪機發電 • 將水分解為氫與氧兩種氣體,再用氫發電 • 風力發電 • 海水溫差發電 • 利用特殊氣體（如氨氣）遇冷變液體,遇熱變氣體特性,推動氣輪機發電 • 地熱發電 • 地熱使地下水變成蒸汽,推動汽輪機發電

  3. 1.1 發電方式簡介 核能發電與火力發電非常相似，只是燃料不同

  4. 1.2 核能發電工作原理原子與原子核 • 1 Angstrom = 0.1 Nanometer = 10-10m

  5. 1.2 核能發電工作原理質能互轉

  6. 1.2 核能發電工作原理利用質能互轉釋出能量 • E=MC2 • 92 p +143 n -> Uranium-235 + (235x7.6)Mev 92 p +143 n -> Fission Products A and B + (235x8.5)Mev Uranium-235 -> Fission Products A and B + 210Mev

  7. 1.2 核能發電工作原理核分裂與連鎖反應

  8. 1.2 核能發電工作原理核分裂產物

  9. 1.2 核能發電工作原理臨界質量 • 核分裂時第二代與第一代中子數的比稱之為增值係數. • 增值係數等於一時稱為臨界,此時鈾-235的質量稱為臨界質量. • 鈾-235的臨界質量因材料之組成與佈置不同,可從小於1公斤到大至約300公斤.前者如濃縮度約為90%的鈾鹽溶液系統,後者如天然鈾和石墨組成的反應堆.

  10. 1.2 核能發電工作原理緩和劑 • 快中子 • 核分裂產生的中子能量很高,稱之為快中子 • 慢中子 • 快中子與周圍材料碰撞,喪失能量而成為較低能量的中子,稱之為慢中子.快中子的能量約為慢中子的4千萬倍. • 緩和劑 • 由於慢中子較快中子容易使鈾-235產生分裂,因此在熱中子反應器中放置一些易使中子減速且不太吸收中子的材料,如水、石墨、重水、鈹等,稱之為緩和劑 • 快中子與緩和劑碰撞,就好像撞球台上,母球碰撞子球後將能量傳給子球 • 快中子反應器使用高濃縮燃料,不需要緩和劑

  11. 1.2 核能發電工作原理1.2.1核子反應之控制 • 遲發中子 核分裂時放出中子的時間不盡相同,遲發中子的存在使中子倍增的時間增長,有利於控制 • 瞬發中子 • 10-14秒內放出,佔全部的99.35% • 遲發中子 • 幾分鐘內陸續放出,佔全部的0.65% • 控制棒系統 • 注硼系統

  12. 1.2 核能發電工作原理1.2.1核子反應之控制 • 溫度效應 • 燃料的溫度效應：核燃料的溫度係數是負的.當溫度上升時,鈾-238的吸收中子能力會增加,使得可供鈾-235產生分裂反應的中子數減少,阻止溫度繼續升高,具有自穩性 • 緩和劑的溫度/空泡效應--當溫度上升或空泡增加時,參與分裂反應的中子數可能增加或減少.車諾比爾事故其爐心設計在功率低於20%時,空泡係數為正 • 係數是負的就好像開車上陡坡

  13. 1.2 核能發電工作原理1.2.2核能電廠不同於原子彈 • 目的不同 • 使用原子彈目的是瞬間釋出巨大能量，用於軍事上毀滅敵人。 • 核能電廠目的是作和平用途，造福人類。 • 原料濃度不同 • 原子彈含鈾-235濃度達90%以上，在不加以控制的情況下，於極短的時間(小於百萬分之一秒)內將能量全部釋放出來產生爆炸。 • 核能電廠採用濃度約3%的鈾-235作為核燃料，並採長時間、細水長流的方式慢慢釋放出能量，無法像原子彈般的產生瞬間爆作。 • 設計不同 • 原子彈有引爆裝置。 • 核能電廠沒有引爆裝置，而且藉著核燃料的自穩性以及控制系統，緩慢逐步的放出能量，不會像原子彈一樣爆炸。

  14. 1.3 核能發電之優缺點 • 核能發電之優點 • No greenhouse gas emissions (during normal operation) - greenhouse gases are emitted only when the Emergency Diesel Generators are tested (the processes of uranium mining and of building and decommissioning power stations produce relatively small amounts) • Does not pollute the air - zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide, sulfur dioxide, aerosols, mercury, nitrogen oxides, particulates or photochemical smog • Small solid waste generation (during normal operation) • Low fuel costs - because so little fuel is needed • Large fuel reserves - (e.g., in Canada and Australia) again, because so little fuel is needed • Nuclear Batteries - (see SSTAR) • 準自產能源

  15. 核能發電之優點No greenhouse gas emissions

  16. 核能發電之優點No greenhouse gas emissions • 目前全球最嚴重的環境議題，就是溫室氣體排放所造成的全球氣候變遷。 • 如何抑制二氧化碳產量，就是所有國家最優先的課題。 • 所有能源中除水力發電外,就是核能與風能產生的二氧化碳最少！ • 燃煤是核能的63倍，天然氣是核能的32倍。 • 核能發電每年為我國減少3,000萬噸排放，幾乎減少13 %的CO2排放。每年替社會節省3,940億的碳稅，如果少了核能，我國恐怕不可能達到減量目標。

  17. 核能發電之優點Low fuel cost -- USA

  18. Average Electricity Production Costs (cents/kWh, 2001 dollars) Year Nuclear Coal Gas Oil 1981 2.38 3.97 6.66 10.81 1982 2.66 4.06 7.27 10.19 1983 2.86 3.97 7.40 9.44 1984 3.17 3.80 7.33 9.58 1985 3.09 3.70 6.98 8.84 1986 3.30 3.49 5.11 5.49 1987 3.40 3.21 4.54 5.81 1988 3.31 2.99 4.37 4.76 1989 3.23 2.83 4.34 5.00 1990 2.97 2.74 4.19 5.53 1991 2.80 2.64 3.86 4.58 1992 2.73 2.50 3.86 4.43 1993 2.64 2.41 4.13 4.18 1994 2.39 2.29 3.54 3.92 1995 2.30 2.19 3.14 4.81 1996 2.17 2.09 3.83 5.21 1997 2.20 1.98 3.81 4.04 1998 2.09 1.92 3.28 3.16 1999 1.90 1.91 4.15 3.20 20001.81 1.85 5.85 5.43 20011.68 1.80 6.08 4.93 Source: RDI/EUCG for Nuclear Costs, RDI/UDI for Fossil Fuels

  19. 核能發電之優點Low fuel cost—台電

  20. 95曆年核能發電成本分析(每度發電成本0.6260元，含人事費用及總處分攤費用)95曆年核能發電成本分析(每度發電成本0.6260元，含人事費用及總處分攤費用) 利息 0.0181元 2.89% 折舊 0.0758元 12.11% 後端 0.1700元 27.16% 燃料 0.0993元 15.86% 維護 0.1181元 18.86% 其他營運 0.1447元 23.12%

  21. 核能電廠除役費用 • 核電廠除役費用，依美國核管會NUREG-1628建議值，BWR為2.9億美元，PWR則為3.7億美元 • 拆廠廠費用 • Trojan (1130MW-PWR) 2.10億美元(1993) • Shoreham (849MW-BWR) 1.86億美元(1995) • Haddam Neck(619MW-PWR) 3.44億美元(1996) • Main Yankee(830MW-PWR) 2.75億美元(1997) • 台電現役六部機「除役」基金為700億台幣，相當於美金20.6億元，與美國建議值相當 • 除役後，廠址可以復原再利用

  22. 核能發電之優點Low fuel cost • 燃料價格上漲對核能發電成本之衝擊很小

  23. 核能發電之優點準自產能源 • 鈾燃料體積小，發電量大，一顆香煙濾嘴大的鈾燃料可以提供一家三口一年所需的電力。 • 核能發電廠每年所需填換的鈾燃料數量非常有限，例如核四廠每年需要的鈾燃料約81公噸，運輸便捷，儲存方便。如果以煤替代，則需進口煤約570萬公噸，以油替代約需380萬公噸，以天然氣替代約需271萬噸，不僅運儲費事，且在世局動盪下，更難確保供應穩定。 • 核燃料在核電廠的儲存量包括爐心的部份約可供三年使用，而燃煤及燃油電廠燃料存量則僅三個月，可見核能發電在燃料供應上遠比燃煤或燃油的火力電廠為安全，因此被視為「準自產能源」。 • 由於鈾燃料的來源穩定，對於自產能源不足，新能源尚未發展成熟，須以能源多元化政策分散風險的台灣而言，核能可減低能源危機的衝擊。

  24. 核能發電之優點準自產能源

  25. 1.3 核能發電之優缺點 • 核能發電之缺點 • Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant, the worst nuclear accident in history. • Nuclear waste - high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of years. Reprocessing can extend the life of the fuel to a limited extent, but creates its waste, and can not be carried out indefinitely

  26. 1.3 核能發電之優缺點 • 核能發電之缺點 • Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs, aiding nuclear proliferation • Security concerns • High initial costs • High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years power output) • High maintenance costs • High cost of decommissioning plants • Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants, nuclear reactors emit thermal pollution • Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium, a finite resource

  27. 核能發電之缺點Risk of accidents • 伴隨分裂所產生的輻射線 • 伴隨分裂所產生的熱量 • 著名核能電廠事故 • 三哩島事故 • 車諾比爾事故 • 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反應器的設計理念及特性，與西方國家及我國核能電廠所使用的輕水式反應器有極大的差異。類似車諾比爾災變的事故不可能發生於使用輕水式反應器的核能電廠

  28. 核能發電之缺點Nuclear waste • high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of years • 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識。 • 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體先以最耐腐蝕的金屬容器包覆，外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物，再把處置場設於堅固完整、深達數百公尺的地下母岩（host rock）中。 • 層層保護之下，放射性物質可以安穩的儲存在地下深處數萬年，靜待放射性消失。

  29. 1.3世界核能發電近況 • 1957年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生 • 全球32個國家，有435座核反應機組在商業運轉中、計畫與興建中的電廠60座提供全球16%的電力 • 美國是消耗最多電力的國家，總發電量佔全球發電量的1/3，核能在美國佔了20% • 在歐洲，大部分的國家都倚賴核能發電為主要電力來源，像是立陶宛有81%，法國有78%，整個歐洲有1/3的電力來自核能發電。2002年5月，芬蘭不再反核，宣布建造新的第5座核能機組。瑞典無限期延後關閉該國核能電廠計畫。義大利考慮重新啟動關閉的核能機組；瑞士更在2003年5月以公民投票方式，正式否決提前關閉核能電廠與非核政策。

  30. 1.3世界核能發電近況

  31. 1.3世界核能發電近況

  32. 各國核能電廠興建狀況 2003年5月 Country Units Total MWe Canada 6 3,598 China 3 2,535 India 8 3,728 Iran 1 950 Japan 3 3,696 Korea DPR1950 Korea RO 2 3,820 Romania 1 650 Russia 6 5,575 Taiwan 2 2,700 Ukraine 2 1,900 TOTAL 35 28,087

  33. 大陸核能發展概況 • 8部機已運轉、3部機建造中 • 秦山一期 1 × 300MW 1991 • 廣東一期 2 × 950MW 1994/5 • 秦山二期 2 × 600MW 2002/3 • 廣東二期 2 × 1000MW 2002/3 • 秦山三期 2 × 728MW 2003/3 • 江蘇田灣 2 × 1060MW 2004/5 • 總計共8976MW (~9GW)

  34. 中國核能發展概況 • 16部機計畫中 • 秦山四期 2 × 1000MW • 廣東陽江 6 × 1000MW • 浙江三門 2 × 1000MW • 江蘇田灣 2 × 1000MW • 福建惠安 2 × 1000MW • 山東海陽 2 × 1000MW • 總計 16× 1000MW (~16GW)

  35. 中國核能發展概況

  36. 1.4我國核能發電近況

  37. 95年核能機組營運績效 • 供電量：383.17億度（歷年次佳 ） • 容量因數算術平均值：88.93%（歷年最佳) • 自動急停：2次/六部機（歷年次佳 ） • 異常事件：12件/六部機 • 違規：7件/六部機 • 低放射性固廢產量 ：六部機共327桶(歷年最佳) • 單位發電成本 – 0.626元/度(歷年最佳; 各類發電成本最低者) • 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過400天 ; 二號機第21次燃料循環末大修35.88天，創核一廠最佳紀錄 • 核二廠連續四年無跳機 • 核三廠二號機第16次燃料循環末大修33.37天，創本公司核能機組最佳紀錄

  38. 核能發電量與容量因數 CF算數平均 CF加權平均 容量因數(％) 發電量(億度) 毛發電量 淨發電量

  39. 歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖 註1 註1 次數 註1 註1 註1 註2 註1 註：1.斜體字部份，為輸電系統故障、颱風、地震等非電廠因素之急停次數。 2.95年12月26日恆春大地震，核三廠二號機因主汽機與反應爐冷卻水泵高振動警報出現依據保守性決策手動急停，不列計。 -40-

  40. 歷年核電廠異常事件統計圖 件數 209 187 186 140 134 99 79 78 68 62 46 46 28 25 24 12 9 核三廠 7 核二廠 核一廠

  41. 運轉中核能電廠類型 • 輕水式反應器 • 沸水式反應器(核一、二廠) • 壓水式反應器(核三廠) • 進步型沸水式反應器 (核四廠) • 重水式反應器 • 氣冷式反應器 • 石墨緩和輕水式反應器 • 快滋生式反應器

  42. 沸水式與壓水式核能電廠 • 沸水式反應爐 • 壓水式反應爐

  43. 沸水式反應器

  44. 壓水式反應器

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