第 四 章 核 能

4-1 　核能概述4-2 　核分裂4-3 　核熔合

4-1 　核能概述

Note: There were also 6 reactors in operation in Taiwan(http://www.iaea.org/cgi-bin/db.page.pl/pris.charts.htm)

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。由於環保意識的抬頭，曾被認為有效解決能源問題的核能，如今已成為極不受歡迎的事物。

4-1 　核能概述

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，而其歷史可回顧至 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。四年後 (1942 年 ) 則在費米 (Fermi) 領導下於美國芝加哥大學 (University of Chicago) 產生了第一座簡單的核子反應爐，當時產生的能量為 400 瓦。 1951 年則於底特律 (Detroit) 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 (experimental breeder reactor) 」。又六年後，於 1957 年在美國賓州西萍埔 (Shippingport) 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 MWe 。

4-1 　核能概述

4-1 　核能概述

重大物理與核子事件

年　　代 事　　件1905 年 狹義相對論提出1916年 廣義相對論提出1938 年 首次的核分裂實驗展示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 核彈投於日本廣島1945 年 8月 9日 核彈投於日本長崎1951 年 第一座產生電力的核子反應爐建立1954 年 第一艘核子潛艇誕生1957 年 第一座商業核電廠開始運轉1979 年 3月 28日 三浬島事件1986年 4月 26 日 車諾比爾事件

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。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 的提鍊及濃縮便成為核能應用一項重要的工作。此外，如欲核能發電， 235U 的濃度需達 3% 左右，其餘 97% 則是 238U 。但如欲發展核武， 235U 的濃度則需達到 90% 以上方能產生核爆。換言之，一般核電廠並不會發生核子爆炸的現象。

4-1 　核能概述

核能發電的理論基礎為愛因斯坦的質能互換公式，而如欲產生核分裂，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：

n3KrBaUn 9136

14256

23592

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 。

4-2 　核分裂

核分裂

4-2 　核分裂

連鎖反應

4-2 　核分裂

核分裂反應機率與中子能量關係

當中子的動能為 10-2 eV時， 235U 產生核分裂反應的機率為中子擁有 106 eV 動能或 238U 的千倍以上。而就前述之連鎖反應而言，核分裂所產生中子的平均動能約為 2×106 eV 。因此如欲使中子持續產生連鎖反應，首要步驟就是降低中子的動能，此可藉由調節劑如水或石墨的使用以使中子的動能減少。當中子的動能降至 0.025 時，其發生核分裂的機率即可大幅提升，而在此能量狀態下的中子稱為「熱中子」。

4-2 　核分裂

4-2 　核分裂

當 238U捕集到中子後，其可形成另一可核分裂的燃料鈽 239 (239Pu) 。鈽並不存在自然界中，但可在反應爐中製造。基本上，鈽在反應爐中或核彈的發展扮演著重要的角色。 239Pu 形成的過程是先由 238U 吸收一中子而形成 239U ，其半衰期 (T1/2) 為 23 分鐘，藉由貝他衰退 (beta decay) 再形成錼 239 (239

Np) ， T1/2 = 2.4天，而後再藉由貝他衰退才形成 239Pu。其反應式表示為：

　鈽的半衰期甚長，為 24,400 年。由於鈽受熱中子碰撞後造成核分裂的機率比 235U還高，因此當鈽於反應爐中漸形成時，其亦能進行核分裂反應，進而貢獻能量。整體而言，燃料使用過程中約三分之一的能量由鈽所產生，此現象在燃料使用末期更顯著，約 60% 的核分裂源自於鈽。

PuNpUUn239

94239

93239

9223892

4-2 　核分裂

控制棒

Gadolinium (Gd): Control Rods

The thinner rods sticking up from the container in the picture are neutron-absorbing control rods for a nuclear reactor. By moving the rods into the reactor the nuclear chain reaction can be slowed, because the number of neutrons causing fission is decreased.

http://genchem.chem.wisc.edu/lab/PTL/PTL/Elements/Gd/Images/Gd_Use4.html

4-2 　核分裂

核子反應器

壓水式反應爐沸水式反應爐

4-2 　核分裂

燃料棒（ Fuel Rod ）

http://www.tvel.com.ua/img_catalog/12/prZr_small.jpg

http://www.cameco.com/uranium_101/uranium_science/nuclear_fuel/index.php#one

燃料循環

4-2 　核分裂

鈾的濃縮技術

1.氣體擴散法 :讓六氟化鈾此氣體通過一系列薄而多孔的屏障。由於 235UF6的分子量較 238UF6小，因而在相同的溫度下前者的速度較快。經過多重的屏障後，即可得到 2% 到 3% 的濃縮鈾 235 。

2.離心法 :當氧化鈾在高速下旋轉運動時， 238U 之化合物將向外移動， 235U 之化合物則向內層移動，以達分離出濃縮鈾的目標。

3.雷射濃縮法 :先將鈾置於爐中使其形成蒸氣狀，而後以高能單色 ( 或單波長 ) 雷射光照射。照射後， 235U 原子將形成激態 (excited state) ，反之 238U 則不受影響。此時再以紫外線照射激發態的 235U 原子，以使其形成離子化，最後以電子設備收集之。

4-2 　核分裂

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。 自然界中，當一系統由較少的束縛 (binding) 或鍵結移向較多束縛的狀態時，能量將會釋放，例如化石燃料，當燃燒時會將氧原子及碳原子結合形成二氧化碳分子，此時能量狀態會較原始燃料及空氣的能量狀態為低，因此釋放熱能並喪失部份的質量。

當氘 (deuterium, 2H) 或重氫與氘反應，或氘與氚 (tritium, 3H) 反應而形成氦 (helium) 時，由於其內核子緊密的束縛並喪失部份質量而釋放能量。

4-3 　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

而氘與氘的反應則稱為 D-D 反應，反應式為：

D-D 反應

或

上式中，元素在左下角代表原子的中子數。一旦熔合反應發展成功，將造成一波新的能源革命，另外，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 (hydrogen bomb) 。

4-3 　核熔合

MeV 17.6nHeHH 242

311

21

MeV 2.3nHHH 1321

211

21

MeV 0.4HHHH 0112

311

211

21

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 (thermal velocity) 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。

值得注意的是，太陽的核熔合反應過程主要並不是 D-D 反應或 D-T反應，而是二個氫核 ( 質子 ) 熔合開始，

4-3 　核熔合

以上反應伴隨著正電子 (positron) 及微中子 (neutrino) 的釋放。質子及氘則進行第二步反應：

而形成原子量 3的氦。接著的反應則為：

而形成原子量 4的氦及質子，原子量 4的氦又稱為阿爾發粒子 (alpha particle) 。淨反應式為

以上特性可將質子視為燃料，而氦則視為灰燼，此又稱為質子 - 質子循環 (proton-proton cycle) 。

4-3 　核熔合

能量 1210

110

11 HHH

能量 22HeH4 2420

11

能量 1321

210

11 HeHH

0112

421

321

32 H2HeHeHe

根據研究顯示， D-D 反應所需的最小溫度是 108 K，而D-T反應則是 0.4×108 K。雖然這些溫度極高，但對於氫核的平均動能則僅有 5 keV。當然，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。

4-3 　核熔合

核熔合之所以視為未來能源乃基於以下數點事實：

1.氘在正常水中的含量甚豐，約每 6,500氫原子就含有 1個。

2.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。

3.從水中分離出氘的技術並不特別困難或昂貴。4.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。

4-3 　核熔合

D-T反應所需要的溫度較 D-D 反應低了許多，因此 D-T反應是目前控制核熔合反應主要的焦點。氚為輻射性原子，半衰期 12 年，且在自然界含量不多。因此如欲進行 D-T反應，首要條件就是製造氚。氚的製造方式是讓激烈的中子撞擊鋰 (lithium, Li) 並釋放射線。其反應式如下：

若能操作 D-T反應，其分離出來的中子即可用於與 6Li反應而生成氚。由於鋰在地球的存量遠少於氘，因此若D-T反應實現，地球上鋰元素的消耗將先殆盡，但估計仍可維持數千年的熔合反應。

4-3 　核熔合

TLin 6

4-3 　核熔合

D-T 融合反應及氚製造

當反應爐中溫度極高時，由於粒子的動能甚大，氘及氚的電子將脫離核的束縛而逃離到氣相中，離子化的氣體稱為電漿 (plasma) 。

核熔合的反應如欲使能量淨輸出大於零，氘及氚離子的密度及其存在反應爐時間的乘積必須大於一臨界值，其稱為羅森準則 (Lawson criterion) D-T反應

D-D 反應

314 sec/cm 10n

316 sec/cm 10n

4-3 　核熔合

羅森準則

4-3 　核熔合

反應爐中央即為電漿區，中央高溫區隔離於容器內並避免與器壁接觸，以免冷卻了電漿並終止其反應。

4-3 　核熔合

為了將電漿侷限於反應爐中央，通常利用強力磁場將其包封，因此離子化的粒子無法通過磁場。目前最知名的系統為「環面磁艙」，簡稱為「托卡馬克 (Tokamak) 」

Tokamak

4-3 　核熔合

Tokamak

http://www.futura-sciences.com/sinformer/n/imprimer.php?id=4512

http://www.nyf.hu/others/html/kornyezettud/megujulo/Hidrogen/tokamak.jpg

除了前述以磁場方式將電漿侷限於反應爐內，另一種方式則是利用「慣性侷限法 (inertial confinement) 」。當燃料受到外界快速加熱，其速度快到燃料粒子彼此間尚未進行排斥前已完成熔合反應，利用粒子質量所具有的慣性特性，在極短時間將粒子侷限，即稱為慣性侷限法。至於前述的快速加熱法，目前可運用高能雷射束 (intense laser beam) 進行，此即所謂的雷射誘引熔合 (laser induced fusion) 反應。

4-3 　核熔合

4-3 　核熔合