能源科技概論 第三章 核能 臺北城市科技大學 機械工程系

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。

核能概述 核能應用的理論基礎為愛因斯坦的質能互換公式 核能應用可分為核分裂與核融合兩種 利用核分裂產生能源之技術已相對成熟，但是伴隨而生的放射性核污染是最大疑慮 利用核融合產生能源可以免除放射性核污染的疑慮，但在工程要產生核熔合現象並不容易 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

核能概述 資料來源：[1]

道耳吞原子說 （1）一切物質都是由稱為原子的微小粒子所組成 ，這種粒子不能再分割。 （2）相同元素的原子，其原子質量與原子大小均 相同；不同元素的原子，其原子質量與原子 大小均不同。 （3）化合物是由不同種類的原子以固定的比例組 成。 （4）所謂化學反應，是原子間以新的方式重新結 合成另一種物質，在反應的過程中，原子不 會改變它的質量或大小，也不會產生新的原 子或使任何一個原子消失。

原子的結構 中性原子 原子核(帶正電) 核外的電子(帶負電 ) 質子(帶正電) 中子(不帶電)

原子的結構 中性原子: 1.電子的帶電量=質子的帶電量 2.核外電子數=質子數 3.原子核內的質子數稱為原子序，是用來判斷原子種類的 主要依據。質子數相同為相同原子，不同則為不同原子。 4.整個原子的質量幾乎集中在原子核。 a.一個質子的質量約為一個電子質量的1836倍，所以原 子的質量約為原子核的質量，即中子和質子的質量和。 b.一個中子的質量大約等於一個質子的質量。 c.原子核內的質子數與中子數的和叫做質量數，可判斷原 子質量的大小。 5.原子的大小大約是10-8公分= 10-10公尺=1埃 而1奈米=10-9公尺，故1奈米約為10個氫原子大小

原子序及質量數 電子 的數目 原子不帶電荷 質子 的數目 原子序 (atomic number) 原子 質量數 (mass number) 相等於 電子 的數目 故 原子不帶電荷 相等於 內的 質子 的數目 稱為 原子序 (atomic number) 原子 不一定相等 的總和 質量數 (mass number) 中子 的數目 資料來源：ntds.fsjh.ilc.edu.tw/course/自然與生活科技/.../原子序質量數.ppt

同位素 組成同一元素的原子，若所含中子數目不相同，它們可稱為同位素。 在自然界中，差不多每一種元素皆由其同位素以恆定的比例混和而成。 例： 從過去到現在，人類所需的能量來源基本上是依附在碳循環（carbon cycle）之上。 自然界碳循環的基本過程大致如下，如圖10-5所示，大氣中的二氧化碳（CO2）被陸地和海洋中的植物經光合作用吸收太陽能而成碳水化合物，然後，藉由生物或地質過程以及人類活動，又以二氧化碳的形式返回大氣中，而也有部分動植物屍體所累積而成的化石燃料經由風化或地殼變動(如火山爆發)等自然作用而返回到大氣「碳庫」(二氧化碳)中。 過去100多年，由於非自然力的干預，也就是人類大量「燃燒」化石燃料以獲取能量，而使得空氣中的二氧化碳濃度達到空前的高峰，根據估計，從1949年到1969年，由於燃燒化石燃料以及其他工業活動，二氧化碳的生成量每年增加約4.8%，而目前大氣層的二氧化碳濃度則比工業革命前高了三分之一，如此大量的二氧化碳破壞了自然界原有的平衡而導致氣候異常，事實上，地球大氣層的氣體原本就具有保住來自太陽熱量的功能，藉以維持地球上的生命，然而，過多的二氧化碳排放增強了溫室效應，加上原有氣體天蓬，導致了更多來自太陽的熱量被籠罩著，結果，全球氣溫不斷上升而使氣候失去平衡。

週期表 元素若按其原子序及其原子所含價電子數目排列成行及列而形成週期表。 在週期表中 橫排的元素稱為同週期元素，它們的原子均有相同的電子層數。 縱行的元素稱為同族元素，它們的原子均有相同的價電子數。

核分裂 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。

核分裂 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： 中子 質量減少 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。

核分裂 資料來源：[1]

核分裂 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，可藉由調節劑如水或石墨的使用以使中子的動能減少。 235U 慢 快 238U 資料來源：[1]

核分裂 核子反應器 沸水式反應爐 壓水式反應爐 資料來源：[1]

核分裂 核燃料循環 資料來源：[1]

認識輻射及輻射安全 輻射可區分為游離輻射和非游離輻射，游離輻射指可以把電子從原子游離出來的輻射，而這個游離的電子和原子的不穩定性會干擾正常的生物中的結構或化學反應。 游離輻射又可以區分為微粒和電磁波。微粒型游離輻射包含α粒子、β粒子、中子、質子，可能有帶電荷，可能沒有。電磁波型的游離輻射則沒有電荷也沒有質量，就像光一樣傳送，但是波長更短，能量更高，包含γ射線和X射線，但是我們要明白，所謂具有游離能力的電磁波是頻率高於1016赫茲，而少於1016赫茲的電磁波就屬於非游離輻射。至於波長更長、能量較低的電磁波如雷達、微波、紫外光、可見光等就是屬於非游離輻射。 1. 非游離輻射 2. 游離輻射 參考資料來源： 教育部安全衛生通識課程教材 參考資料來源： 逢甲大學工程材料試驗室 中山大學輻射防護委員會

核廢料處置 我國目前高放射性廢料皆為核設施反應器所產生的用過核燃料。 用過核燃料一般國際上均採三個階段管理： (1)廠內燃料池內冷卻貯存(一年以上) 我國核電廠所產生的用過核燃料目前均在廠內燃料池冷卻貯存， 核一、二廠由於原先燃料池設計貯存容量不足，經貯存格架重組 後，亦將於未來幾年內貯滿，在未進行委託再處理及最終處置 前，將採用中期貯存方式 (2)再處理或中期貯存(40-70年) 國內擬採用混凝土護箱∕水平混凝土模組進行乾式中期貯存，必 須放置至少30-50年才能降低其放射性及產生的熱氣 (3)深地層最終處置 用過核燃料之最終處置將採用深地層處置方式，目前全世界尚無 任何商業運轉之用過核燃料最終處置場

核融合 核熔合產生能源的過程乃利用原子的結合以釋放能量。 雖然核熔合反應可以釋放出大量的熱量，但在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足以克服電子排斥力時，核熔合就會發生。

核融合 核熔合之所以視為未來能源乃基於以下數點事實： 氘在正常水中的含量甚豐，約每6,500氫原子就含有1個。 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。 從水中分離出氘的技術並不特別困難或昂貴。 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。

核融合 羅森準則 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 D-T反應 D-D反應

核融合 資料來源：[1]

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參考資料 [1] 陳維新 編著，能源概論，高立書局。