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機械工程實驗（一） 個人報告 未來的核能發電及核廢料處理 蔡智賢輛三乙 摘要 311日本大海嘯後，人們最關心的事，莫不過於富島核電厰的核污染。在這個最夯的話題下，不止臺灣甚至全世界都出現了“反核”運動。臺灣目前擁有3座核電厰，核4厰也將啓用，根據國際能源署（IEA）及馬來西亞TNB電力公司2009年對世界30國用電統計比較顯示，2009年我國住宅用電平均電價排名第4低（馬來西亞、墨西哥、南韓之後），工業用電第5低（挪威、南韓、紐西蘭、美國之後）；整體而言，我國電價在世界各國中仍屬偏低，除了擁有地熱優勢的紐西蘭及世界主要石油出產國—馬來西亞（我的國家），其他的都有核電厰。核能發電的前置作業、反應爐的反應式及核廢料處理都是本文的討論對象。 簡介 世界上第一座核能發電機組在 1956 年開始商業運轉，為世界帶來廉價電力，在短短二、三十年間，各工業先進國家競相推出各種型式的核能發電機組。目前使用熱中子發電的核電廠是利用天然鈾礦中的U235 同位素，然而U235 僅佔天然鈾礦的0.7%。預期剩下的存量可能50 年內將耗盡。因此可以預期將來該類型反應器燃料的價格將會飆高，而影響發電成本。 圖1這是一座核能發電廠。水蒸氣正在從雙曲面形狀的冷卻塔排出。核反應爐位於圓桶狀的安全殼建築物內。 核電廠是利用核裂變或核聚變反應所釋放的的能量產生電能的發電廠。由於控制核聚變的技術障礙，目前商業運轉中的核能發電廠都是利用核裂變反應而發電。在有限的核聚變的發展成爲未來核能的新動向。 核電廠的廢料主要分為兩種，一種是所謂的「低放射性核廢料」，實際上就是核電廠運轉或檢修時受到輻射污染的衣物、手套、鞋子及水處理產生的廢棄物等，其輻 射強度較弱，目前儲存在蘭嶼的就屬這種廢料。另外一種是「高放射性核廢料」，主要是發電用過的核燃料，台電的用過核燃料目前均貯存在各核電廠冷卻池中，在最終處置場完成前，將先建造乾式中期貯存設施 。 報告要點 粒子(如中子、光子、π介子等)或原子核與原子核之間的相互作用引起的 各種變化。核反應是宇宙中早已普遍存在的極為重要的自然現象。現今存在的化學元素除氫以外都是通過天然核反應合成的，在恆星上發生的核反應是恆星輻射出巨大能量的源泉。此外，宇宙射線每時每刻都在地球上引起核反應。自然界的 碳14大部分是由宇宙射線中的中子轟擊氮14 產生的。1919年英國的盧瑟福，E.用天然放射性物質的粒子轟擊氮，首次用人工實現了核反應。30年代初加速器的出現和40年代初反應堆的建成，為研究核反應提供了強有力的工具。目前已能將質子加速到5×10 兆電子伏，將鈾原子核加速到約9×10 兆電子伏，並能獲得介子束。高分辨率半導體探測器的使用，大大提高了測量核輻射能量的精度。核電子學和計算機技術的發展，從根本上改善了數據的獲取和處理能力。在過去半個多世紀裡，研究過的核反應數以千計，製備出了自然界不存在的放射性核素約2000 種，發現了300 餘種基本粒子，獲得了有關核素性質、核轉變規律、核結構、基本粒子以及自然界四種相互作用的規律和相互聯繫的大量知識。 U235預期在50 年內將耗盡，21 世紀第四代核能電廠為未來主流，先針對幾型第四代核能電廠進行瞭解與評估，同時選用電腦模擬軟體建立他們的熱力循環模式。利用他們的運轉數據，或他人已發表的結果進行驗證比對。然後進行參數分析，可能的參數包括例如各元件的操作溫度、壓力、流量、工作流體、氣渦輪機的壓縮比、爐心出口溫度等。 高放射性核廢料必須被極小心地與我們的生活環境隔離，而這些廢料必須經過數千年的衰變之後才能被認定為安全物質。在台灣，大部分的高放射性廢料是為核電廠反應爐使用過的燃料棒，它們目前都被暫時性地貯藏在發電廠區內的燃料棒貯存水池。目前來說，台灣並沒有任何高放射性核廢料的永久性貯存場所或是處置方法。一直以來，有許多的永久性處置辦法被提出，台灣與其他的國家也都在認真地研究其可行性；其中有些辦法已被採用，而另有些選擇則未被列入考慮。 研究方法 初步搜尋國內外相關應用資訊與了解核能發電，經由各地區不同型式的核能電廠進行了解及分析，而搜尋可信之數據及環路圖型，以利日後的模擬及分析，於是針對VHTR、HTR-10等分別進行了解，選用Huang等人之HTR-10GT 及Oh 等人之VHTR 進行環路模擬。下一步驟即為將案例分析對象者得以電腦模擬與數值驗證，使得軟體建立系統模型在能量分布方面相似於選定的分析對象，此舉將作為電腦模擬可靠度之基準。最後針對此類系統提出熱回收應用策略與方案，並仔細探索國際間熱回收發展應用方法與擬訂應用構想，逐一地將這些應用作性能效率上的比較，並且適度地嘗試調整參數的改變，以獲得各種應用對整個熱力系統之總體熱效率表現，综合經濟效益評估作出最佳應用之選擇。由於先前的分析 針對不同的廢熱源下進行廢