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核能發電

核能發電. 周懷樸教授 工程與系統科學系 國立清華大學. 2009 年 7 月. 1. 核能發電原理 核能疑慮面面觀 核能發電回顧與前瞻 世界核能發電的趨勢 我國核能發電的現狀及發展. 報告綱要. I. 核能發電原理. 能量 質量. 構成物質的基本粒子特徵說明. 同位素 : 質子數相同但中子數不同的核種. 自然界穩定存在之核種，其原子核內質子與中子數的配比關係。較輕的核種中其質子數約略等於中子數而較重核種的中，中子數大於質子數. 鐵 -56. 鈾. 束縛能. 原子核質量數.

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  1. 核能發電 周懷樸教授 工程與系統科學系 國立清華大學 2009 年7月 1

  2. 核能發電原理 核能疑慮面面觀 核能發電回顧與前瞻 世界核能發電的趨勢 我國核能發電的現狀及發展 報告綱要

  3. I. 核能發電原理 能量質量

  4. 構成物質的基本粒子特徵說明 同位素:質子數相同但中子數不同的核種

  5. 自然界穩定存在之核種，其原子核內質子與中子數的配比關係。較輕的核種中其質子數約略等於中子數而較重核種的中，中子數大於質子數自然界穩定存在之核種，其原子核內質子與中子數的配比關係。較輕的核種中其質子數約略等於中子數而較重核種的中，中子數大於質子數

  6. 鐵-56 鈾 束縛能 原子核質量數 核子平均束縛能與原子核質量數間的關係。輕原子核束縛能隨質量數的增加而迅速增加；鐵-56的平均束縛能達到極大值，之後核子平均束縛能隨著原子核質量數的增加緩緩下降。

  7. 彈性碰撞(n,n) 中子 核種XA 中子 非彈性碰撞 (n,n’) 核分裂 (n,f) 核種XA1 核種XA 激發狀態 中子 2  3 中子 核種 XA 核種XA+1 複合暫態 核種XA2 輻射吸收 (n,gamma) 加瑪射線 核種XA+1 (活化產物) 中子與原子核作用分類示意圖

  8. Spit atoms Neutrons Uranium atom 核分裂產生能量

  9. 中子 鈾-235 中子誘發鈾-235核分裂的過程。從左邊到右邊：一個中子撞擊鈾-235核，形成鈾-236核。激發狀態鈾-236作劇烈啞鈴狀之震盪。此時核內正電荷互相排斥，導致啞鈴狀結構瓦解，產生兩個質量數較小的原子核，並釋放出數個中子。 可維持核分裂連鎖反應的核種：U-235, Pu-239, U-233

  10. 鋇-137 +  193.6百萬電子伏特能量 中子 鈾-235 氪-96 1克鈾的分裂可產生 960 千瓦-天的能量 1公斤鈾的分裂相當於16,000噸的黃色炸藥 核分裂連鎖反應

  11. 連鎖核分裂反應(Nuclear Chain Reactions), 可釋放出大量能量. ~ 200 MeV / Fission = 3.20 x 10 –11 W – sec 1 g of U相當於960 kW – day energy 3 噸的煤 或 600 加崙的汽油 1 kg of U is equivalent of 16,000 tons of TNT 自然界的鈾有兩種同位素; U-235 (0.72%), U-238 (99.28) 只有 U-235可維持連鎖核分裂反應

  12. 一顆核燃料丸＝一噸的煤

  13. 氚-3 +4.02百萬電子伏特能量 氘-2 氘-2 氫-1 核融合

  14. 電能是最符合人類永續發展需求的能源，重要的是該用何種初級能源產生電能，才最符合整體效益？。核融合應該是人類最終可以依靠的初級能源。但處於核融合的實用技術尚待突破，而石化資源已加速用盡的不確定期，我們需要一個過渡性的初級能源，作為連接現在與永恆的橋樑，以延續人類的文明。這個初級能源也許就是我們已經用了50年、技術成熟的核分裂核能電廠，也就是我們常說的核能發電或核能！電能是最符合人類永續發展需求的能源，重要的是該用何種初級能源產生電能，才最符合整體效益？。核融合應該是人類最終可以依靠的初級能源。但處於核融合的實用技術尚待突破，而石化資源已加速用盡的不確定期，我們需要一個過渡性的初級能源，作為連接現在與永恆的橋樑，以延續人類的文明。這個初級能源也許就是我們已經用了50年、技術成熟的核分裂核能電廠，也就是我們常說的核能發電或核能！ 14

  15. 核能電廠的設計 核能電廠除了熱能來源不同， 發電原理和傳統火力電廠一樣

  16. 加熱產生蒸汽發電 渦輪機 發 電 機 蒸 汽 鍋 爐 冷 凝 器 幫浦 冷卻海水

  17. 鈾礦開採及精鍊

  18. 核燃料丸

  19. 燃料丸填入燃料棒

  20. 核子反應器類別 燃料 冷卻劑 緩和劑 快中子反應器(孳生反應器) LMFBR高度濃縮鈾或鈽 液態金屬 ------ 熱(慢)中子反應器 輕水式反應器 (Light Water Reactor) 壓水式(PWR) 低度濃縮鈾 普通水 普通水 沸水式(BWR) 低度濃縮鈾 普通水 普通水 重水式反應器(Heavy Water Reactor) CANDU 天然鈾 普通水重水 石墨水冷反應器 RBMK 低度濃縮鈾 普通水 石墨 氣冷式反應器 GCR 低度濃縮鈾 CO2 石墨 HTGR 低度濃縮鈾 氦氣 石墨

  21. 壓水式反應器Pressurized Water Reactor

  22. 調壓槽 PZR 蒸汽產生器 蒸汽產生器 冷卻水泵 RCP 反應爐槽 Rx Vessel

  23. 核三廠

  24. 沸水式反應器Boiling Water Reactor

  25. 核四廠

  26. II. 核能疑慮面面觀

  27. 核能發電的特性: － 高建廠成本，低燃料成本 ─ 核能發電成本較穩定 － 燃料體積小，運儲方便 － 能源進口國家將核能發電視為“準自產能源” － 建廠成本高昂，電力公司須承受較高之投資風險 － 不會產生溫室效應的氣體 － 不會造成空氣污染 － 相對而言，熱污染較火力電廠嚴重 － 產生放射性廢料 － 民眾對安全的疑慮 － 核電廠風險

  28. 核能發電進一步發展必須克服的問題 -- 核武器材料擴散的疑慮 -- 民眾對核電廠安全性的質疑 -- 核廢料的最終處理 32

  29. 核能發電的安全顧慮與安全措施 ‧核電廠反應器內有大量的放射性物質，如果釋放到 外界環境有可能對人類造成傷害 ‧採用”多重障礙”的概念，將放射性物質侷限於 －燃料丸，護套，密封之冷卻水系統以及圍阻體 ‧設計備用安全系統，於正常使用之系統不可用或 故障時， 將水注入反應器，把衰變熱帶出 ‧ 安全系統的設計需滿足---多樣性，多重性，失效安全 以及可測試性的需求 ‧核電廠的運轉需依循運轉規範，並受到法規管制單位 的監督

  30. 二次圍阻體 鋼板 一次圍阻體 反應爐槽 核燃料 多重安全防衛

  31. 深度防禦 • 避免：以設計/建造/維護之品質保證，確保設備功能，避免事故的發生； • 保護：以跳機/釋壓/等，阻止事故發生； • 減緩：以緊急冷卻/圍阻體隔離等， 在事故發生後，降低傷害；

  32. 核能發電的安全顧慮與安全措施(續) －核電廠反應器不可能像原子彈般的爆炸 －類似車諾比般災變的核子事故不可能發生於輕 水式反應器 －可能發生類似三哩島或更嚴重之緩慢演進的事故(機率甚低)

  33. 能源生產公眾所受到的預期壽命縮減損失表列 能源型態 每年死亡人數 平均年壽命損失 預期壽命縮減天數 煤炭 空氣污染 11,000 10 11.5 運輸意外 300 35 1.0 小計12.5 石油 空氣污染 2,000 10 2.2 火災 500 35 2.0 小計4.2 天然氣 空氣污染 200 10 0.2 爆炸 100 35 0.4 火災 100 35 0.4 窒息 500 25 1.5 小計2.5 水利 水壩崩潰 50 35 0.2 小計0.2 核能（4000億萬瓦） 日常排放放射性氣體 8 20 0.018 意外 8 20 0.018 運輸 < 0.01 20 - 廢料 0.4 20 0.01 鈽元素毒性 < 0.01 20 - 小計0.037 電擊致死 1,200 35 5.0 小計5.0 總計 24 資料來源︰N. McCormick, ‘Reliability and Risk Analysis ; Methods and Nuclear Power Application’, Academic Press, 1981.

  34. 1 0 0 0 百萬瓦燃煤電廠 1 0 0 0 百萬瓦核能電廠 每分鐘產生15公噸CO2；每5分鐘1公噸SO2（酸雨原兇）；氮氧化合物排泄量相當於20萬輛汽車；種類繁多的化學致癌物質；鈾，釷，氡和其它天然放射性物質。 每秒鐘排放30磅飛灰。 公眾之中每年30人死於空氣污染所導致的呼吸器官疾病。 每年1.5人死於煤炭採礦意外事件。 每年4人死於採礦得到的黑肺疾病。 每年20000個病例受苦於空氣污染所導致的非致命性呼吸器官方面疾病。 少量放射性氣體：氡，Xenon，碘，氚。 每年產生2立方碼高階放射性廢物。 核能電廠排放氣體，核子廢料，以及核子事故會引起供縱每兩年一個因輻射而來的癌症死亡病例。反核人士預估值則為每年2  10死亡病例。 每年0.2人死於鈾礦開採意外事件。 每年0.1人死於鈾礦開採時吸入氡氣引發的肺癌。 每年1人受苦於輻射引發非致命性的甲狀腺病變。 燃 煤 電 廠 與 核 能 電 廠 風 險 比 較 資料來源：Richard Wolfson, ‘Nuclear Choices: A Citizen’s Guide to Nuclear Technology’, The MIT Press,1993.

  35. 各種致癌因素的風險比較 風險型態 個人風險/年 宇宙射線風險 一次洲際飛行/年 在35,000英尺高空駕駛飛機50小時/月 經常搭乘飛機者 在15,000英尺高度露營一季夏天 其它輻射風險 平均美國診斷醫療X光 居住磚造建築物所增加的風險 海平面背景輻射 食物 每天一罐減肥蘇打飲料（糖精） 平均美國糖精消耗 四湯匙花生油脂/天 一品脫牛奶/天 邁阿密或新奧爾良飲用水 每週吃一次1/2磅碳烤牛排 酒精 煙草 吸煙者，癌症 吸煙者，所有效應（包括心臟疾病） 吸二手煙 雜項 規律服用口服避孕丸 從事日光浴、爬岩以及其它戶外活動所導致的可治癒性皮膚癌 1/2,000,000 1/20,000 1/65,000 1/100,000 1/100,000 1/200,000 1/65,000 1/100,000 1/500,000 1/25,000 1/100,000 1/800,000 1/2,500,000 1/20,000 1/800 1/300 1/100,000 1/50,000 1/200 資料來源︰N. McCormick, ‘Reliability and Risk Analysis ; Methods and Nuclear Power Application’, Academic Press, 1981.

  36. 瑞士ERSAD分析各種能源使用之生命損失率 43 342 418 52 3365 421 883 110 8 1 1. Twa 相當於 87,600億度的電能，約為台灣用電總量的50 倍

  37. 風險的選擇 ※使用核能發電的風險 ◎微量放射性物質排放所造成的 健康效應 ◎核電廠發生嚴重事故的影響 ◎核電廠興建所帶來的社會對立 ◎核廢料處理所帶來的社會對立 ◎核能電廠會成為戰爭攻擊目標 ※不使用核能發電的風險 ◎能源危機再度發生時,對經濟發展 所帶來的衝擊 ◎國際上決定管制二氧化碳時, 對經濟發展所帶來的衝擊 ◎國際能源供需失衡時,國內能源 供應的穩定性 ◎能源輸送入境遭封鎖時,國內能源 的持續供應 一個負責任的政府須在政策決定後，規劃相關措施 以降低政策所帶來的風險

  38. 放射性廢棄物(核廢料)來源與特性 放射性廢棄物依其來源及放射性活度可分為高放射性廢棄物與低放射性廢棄物。 高放射性廢棄物：指備供最終處置之用過核子燃料或其經再處理所產生之萃取液或產物。 低放射性廢棄物：指其他不屬於高放射性廢棄物者。 來源：(1)醫、農、工、研等、(2)核能電廠。

  39. 何謂低放射性廢棄物最終處置？ 因低放射性廢棄物所含核種之半衰期較短且放射性強度較低，徹底解決的方式就是憑藉工程設施配合天然的地質條件，將低放射性廢棄物與人類的生活環境隔離，等待其放射性自然衰減，最後回歸自然，這就是低放射性廢棄物最終處置。

  40. 台電公司低放射性廢棄物貯存設施 蘭嶼貯存場低放射性廢棄物貯存壕溝 核能電廠低放射性廢棄物貯存倉庫

  41. 蘭嶼貯存場廢棄物貯存溝貯存情形

  42. 各國最終處置場現況

  43. 地表槽溝處置剖面圖 覆土 黏土 混凝土壁體 廢料桶 緩衝與回填材料

  44. 地下隧道處置橫剖面圖

  45. 西班牙經驗 西班牙運轉中的EL CABRIL 低放射性廢棄物最終處置場鳥瞰圖 (資料來源：西班牙ENRESA) 日本經驗 日本運轉中的 ROKKASHO低放射性廢棄物最終處置場 (資料來源：日本 JNFL)

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