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什麼是「放射性」和「輻射」(八)

14 什麼是「放射性」和「輻射」(八)

文‧ 朱鐵吉



20:核能是怎麼一回事?


核能是人類在 20 世紀的新發現,它是與至今為止的化學能的火或電完全不同性質的能源,也稱為原子能。不幸的是核能首先用於軍事,出現了核彈 ( 原子彈 )、氫彈的悲劇,但隨後同時進行了以和平利用為目的的核能發電,現在世界開發中及已開發國家均有核能發電廠的設置。


1986 年 4 月車諾比核電廠發生重大事故後,世人對核能發電的談論變得嚴厲了,一時出現了不使用核能發電或凍結現狀的傾向。後來,出現化石燃料資源逐漸枯竭和地球環境的問題,特別是二氧化碳使地球變暖成為人們關注的議題,所以重新認識核能可作為解決這些問題的一種對策。因此在車諾比事故之後,核能發電機組的數量還是在增加中。



核能除了分裂能之外還有熔合能。現在的核能發電,是利用鈾 235 或鈽 239 分裂時產生的熱能進行發電,而把鈾、鈽等稱為核燃料。另一種是核熔合發電,它利用氫原子核熔合時產生的熱能進行發電。現在先進國家之間正積極地進行開發核熔合發電技術,作為最終的能源。

與化石燃料相比,核能發電的能源密度高得多 ( 約 300 萬倍 ),因此少量的核燃料就可以發出很大的能量,而且有不排放二氧化碳等優點。它的缺點是產生帶有放射性的廢棄物,但產生的廢棄物量比化石燃料的廢棄物量少很多,以現階段的技術要處置放射性廢棄物已經沒有問題,只是需要民眾的理解與社會的共識與接受。

另一種是核熔合發電,它不會產生放射性廢棄物,因而比現在的核能發電更優越,但其缺點是待解決的技術問題堆積如山。現在核能發電雖然還有放射性廢棄物的處理和處置等難題,但從保障能源安全和保護地球環境這兩個觀點來看,在核熔合發電尚未實用化以前,在一定程度上還要依靠現在的核能發電廠。現在的核能發電在熔合發電實用化以前處於「過渡性」的地位。



21. 核能發電的原理是什麼?


如同自行車上的磨電燈,電可以由發電機旋轉而產生。水力發電是用水的動能驅動水輪機、帶動發電機而發電;火力發電是用化石燃料將水加熱成蒸汽,蒸汽驅動汽輪機,帶動發電機而發電的。核能發電是如圖1 所示,核反應爐中產生分裂,此時產生的熱能將水加熱成蒸汽,之後的步驟和火力發電完全相同。


自然界存在的鈾是質量數不同的鈾 235 和鈾 238 的混合物,能分裂的鈾 235 的含量僅為 0.7%,不分裂的鈾 238 則占 99.3%,因此天然的鈾比較難分裂。濃度高的稱為「濃縮鈾」,將鈾 235 的濃度提高稱為「鈾濃縮」。為了安全,核能發電採用的是 2-4%的濃縮鈾,而原子彈採用的則是 90%以上的濃縮鈾。



核反應爐是由下面 4 個要素組成的:
1. 核燃料;
2. 冷卻劑;
3. 減速劑;
4. 控制棒。

核燃料 ( 燃料棒 ) 是在金屬管中裝濃縮鈾而製成的。在其中產生分裂,因而燃料棒自身由內部發熱,所以燃料棒必須用冷卻水不斷冷卻。

冷卻水得到由燃料棒發出的熱而成為蒸汽,核能發電就是利用這種蒸汽進行發電的,但如果核反應爐內冷卻水沒有了,核反應爐就處於「燒乾」狀態,燃料棒本身的溫度就會達到金屬管的熔點以上,具有高放射性的分裂產物,就會從金屬管中間洩漏,釀成事故。

速度慢的中子容易引起核分裂,但核分裂時射出的中子是高速的,後續難以再產生分裂,因此讓快中子與較輕的元素做多次碰撞之後就會被減速。可以發生這個作用的材料稱為減速劑,除了普通水之外,還可使用重水、鈹、石墨 ( 碳 ) 等做為減速劑。

世界上大部分的核反應爐,採用普通水( 也叫輕水 ) 做為冷卻水,這種核反應爐稱為「輕水核反應爐」。車諾比型的核反應爐與輕水核反應爐型式不同,它用「石墨」作為減速劑,石墨是可燃材料,會引起火災而使事故蔓延。

從圖 1 也可以看到控制棒布置在燃料棒附近,其材料採用可吸收中子的性能很強的鎘(Cd) 或硼 (B)。這樣,分裂時放出的中子在到達下一個鈾 235 原子核之前就被控制棒吸收了,核分裂反應便得以控制住。控制棒經過往上、下不同方向的移動,可成為調節鏈式反應 ( 也就是調節核能發電的功率 ) 的機制。控制棒向下插入核反應爐的中心時就如同「煞車」的作用,提高到淺的位置就如同「踩油門」的作用。



22. 核彈和核電廠有什麼不同?


核彈和核能電廠的根本差別:
1. 鈾 235 的濃度不同;
2. 有沒有控制棒。


核彈和核電廠的根本差別,在於單位時間內放出的能量 ( 功率 ) 的大小。核分裂的功率隨鈾 235 原子核與中子碰撞的頻率增加而增加,因此核電廠為抑制核分裂的功率,採用兩種方法:
1. 減少鈾 235 的原子核數目( 降低其濃度 );
2. 減少撞擊鈾 235 原子核的中子數目。

核彈使用鈾 235 濃度為 90%以上的濃縮鈾,核電廠則為使鏈式反應慢慢進行,採用2-4%的濃縮鈾。

核彈在核分裂時,平均放出 2.5 個中子,大部分都用於下一級的分裂,藉由鏈式反應迅速傳開,經過無數次的反應,中子數和分裂數每一次都以 2.5 的倍數急劇增大,隨之在瞬間釋放出巨大的能量。核電廠則與此相反,在核反應爐內布置了控制棒,使鏈式反應無法急速地進行。(本文作者為清華大學原子科學系榮譽退休教授)

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Last modified:2018-08-18 22:03:12 by nicenter Powered by TadBook2
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