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核能發電

小質量化為大能量──核能發電
 
雖然核能曾為人類社會帶來災禍,卻也是人類文明發展的重要推手之一,自從1957年第一座商用核能發電廠開始運轉以來,已經供應了人們無數的電能。核能到底是一種什麼樣的能量?人類如何利用它來發電?
  核能發電的基本原理,是以中子撞擊特殊原子(主要是鈾,次要是鈽)的原子核,使原子核分裂為二,在這過程中被撞擊者會損失一些質量,這些質量轉化為能量,將核反應器中的水加熱到遠超過100℃,再用這些高溫水(或蒸汽)直接或間接推動汽機發電機,成為我們需要的電能。原子核分裂時損失的質量其實非常少,但卻能產生非常多的能量,原理就是愛因斯坦的狹義相對論中所提:質量和能量可以互換。根據狹義相對論公式E=MC2(E為能量,M為質量,C為光速),只要損失1公克的質量,就可以換得2.151 × 1013卡熱量,可使21萬5100公噸的水,從0℃上升到100℃!要靠燒煤來達到這種效果,必須燒大約3000公噸才夠!

用過核燃料放多久才安全?
 
在技術上,「核廢料」不是正確說法,應該稱為「用過核燃料」。民用核燃料一開始的型態是「燃料整件」,也就是一束管壁很薄的金屬管,管內塞滿大小與橡皮擦相仿的二氧化鈾陶瓷小球。沒有自由中子時,這種鈾極為穩定,發電廠技術人員拿取新燃料時只需戴白手套,而且戴手套是為了保護燃料,而不是保護工作人員。
燃料運到使用地點時,先降入圓形反應爐容器最外圍的區域,然後封閉在反應爐中,使用1~2年。期滿時開啟容器,移出位於最裡面、使用最久的燃料,再將較新燃料朝中心移動。一組燃料整件通常會在容器中循環三次,總使用時間為3~6年。燃料整件取出時,鍶90和銫137等強放射性核分裂產物會產生數十千瓦的熱。
 
如果單以空氣冷卻整件,核能材料周圍的金屬會熔化,甚至可能燃燒起來。因此必須將整件放進內嵌鋼板、以混凝土打造的用過燃料池,沉入水中。池中的水極為純淨,連一滴自來水都會造成污染。這些核分裂產物燃燒時非常熱,但很快就燒完了。它們的半衰期,也就是半數材料釋出能量、變成比較穩定的元素所需的時間,只有數年。發熱量在第一年後即減少99%。燃料放置五年後,發熱量會再減少1/5,十年後會再減少40%…….
 
長期的挑戰是處理錒系元素,也就是鈾吸收中子後未分裂而產生的物質。這類元素的半衰期長達數十萬年
 
 
 ♣ 網路資源
  1. International Atomic Energy Agency
  2. 中華民國核能學會
  3. 行政院原子能委員會核能研究所 
  4. 核能安全 
  5. 財團法人核能資訊中心
 
♣ 館藏資源
  1. 圖書
  2. 影音資料
  3. 科學人雜誌知識庫

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