核能应用解析／钍石墨熔盐未来核能方向.PDF

核能應用解析／釷+石墨+熔鹽 未來核能方向 日本福島發生核安事件，核能發電的安全及必要性再度成為世界各國的焦點。 當核反應開始之後，要保持反應速率產生「連鎖反應」，必須依靠慢速的中子；而核 反應後會先產生動能較高、速度較快的中子，則不容易誘發下一階段的核反應。 中央研究院院士徐遐生表示，目前有一套「新的辦法」可以處理核能發電的風險。 他指出，過去就已經有使用石墨當中子減速劑、用熔鹽做冷卻劑的想法，只是一直 沒有人成功做出來；預期用釷當燃料，配合石墨和熔鹽，將是未來核能的新方向。 石墨的傳熱效能好、可以耐高溫；不像水遇高溫會變成氣體，同時也比大多數反應 器壓力槽的金屬材料耐熱，可以提高核反應的功率。 徐遐生表示，目前有65%核分裂產生的熱都無法使用，如果提高材料耐高溫能力， 將可提升 10%的核能使用率。 而石墨也不會與核分裂放出的 中子發生作用，是理想的中子 減速材料。 熔鹽就是熔融態的鹽類，是液 體，可以用來阻隔石墨和氧氣 在高溫下產生燃燒反應。用熔 鹽取代水，做為「工作流體」 帶走熱量，不僅提高系統溫度、 創造更高效能，也更加安全。 鈾燃料。 （法新社） 徐遐生說，溫度達400℃以上， 鹽就會變液體；在高溫下，熔鹽不會產生蒸氣、更不會產生氫氣，因此沒有使反應 爐壓力過大而爆炸的危險。 如果不慎發生輻射外釋的情況，輻射物質混在熔鹽中，碰到室溫就會冷卻成固態的 「輻射鹽」，也不會跟著水蒸氣飄散到空氣中，造成輻射汙染。 徐遐生說，使用釷232 當燃料，則是考量到地球上的釷含量比鈾更多。他也指出， 釷和鈾發電的效率一樣高，而核廢料中的鈽也可以用來製造釷，讓核廢料變燃料。 並且中子撞擊釷232 分裂後的產物，半衰期最長只有30 年；目前鈾235 分裂生成 的鈽239 ，半衰期就可達兩萬四千年，相比之下儲藏的難度較低。這是「用新材料 搭配舊方法，」讓核能發電更安全。 但白寶實指出，台灣應不可能發展釷燃料發電，因為提煉釷的技術同時也可以製造 核武，受到管制。 徐遐生目前正和美國柏克萊、密西根大學與麻省理工學院合作，希望三年內能用「新 材料」造出一個小的核能爐。 反應器中的水：冷卻劑、緩速劑 國立清華大學核子工程研究所教授白寶實說，一般的核能發電的能量來源，就在「慢 中子反應器」（或稱熱中子反應器）裡；而核電所需承擔的風險，也是來自反應器。 在慢中子反應器中，須先用一個速度比較慢的「慢中子」去撞擊鈾235 原子，讓鈾 原子產生分裂，過程中會損失質量。根據愛因斯坦的特殊相對論△Ｅ=△mc2 ，質量 與能量可以互換；虧損的質量會變成能量，成為核能發電的能量來源。 白寶實說，一個分裂過程大概可以產生210 百萬電子伏特的能量，其中90%的能量 會轉成熱量；冷卻劑（常用普通水）帶走熱量後，熱能使水從液態變成氣態、產生 蒸氣，帶動機械裝置發電，這就是核能發電的原理。 而每次核分裂，平均會產生2.6 個「快中子」，可繼續碰撞其他鈾原子，完成核能 「連鎖反應」；持續產生能量，核反應也不斷進行。 不過這次福島核災中，主因是因電廠「全黑」無法降溫的時間過長 ，導致後來一連 串的問題出現。 原能會核能管制處處長陳宜彬解釋，當反應爐的溫度達到攝氏1200 度，燃料護套 的鋯合金就會跟水蒸氣起化學反應，產生氫氣。 空氣中的氫氣濃度若達到4% ，就可以輕易點燃，達到8%會自燃，若濃度更高，就 會產生氫爆。 目前證實是氫氣濃度過高，使福島第一核電廠的一、三號機產生爆炸。爆炸之後， 二次圍阻體受損，部分輻射蒸氣跟著散逸到空氣中。 核能應用解析／用過燃料 97%可再回收 為了控制連鎖反應的速度，核電廠會利用含硼元素的「控制棒」吸收一部分核 反應產生的中子，讓燃料棒吸收的中子數量 ，剛好能產生恆定的能量，稱為反應爐 的「臨界狀態」。 「臨界」（criticality ）是一個核名詞，指系統的中子平衡（the balance of neutrons in the system ）。「次臨界」（subcritical ）指系統的中子損失速率大於產生速率， 中子群（或中子數）隨著時間減少。「超臨界」（supercritical ）指中子群隨著時間 增加。 反應爐的功率與中子群成正比。正常功率運轉時，反應爐維持在臨界狀態。在其他 系統中，像是用過燃料池（spent fuel pool ），有許多機制預防燃料進入臨界。如果 這種系統到達臨界，稱為「再臨界」。使用硼與其他材料吸收中子，是為了確保不 會發生再臨界的情況。加入的中子吸收劑，會增加中子損失速率，確保系統處於次