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核能应用解析/钍石墨熔盐未来核能方向
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
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