核能

能 源 科 技 與 永 續 經 營
ENERGY TECHNOLOGY AND SUSTAINABLE
DEVELOPMENT
陳 洋 元 蕭 先 雄

核 能
核 能 主 要 來 自
1. 核 分 裂 fission
2. 核 融 合 fussion

核 分 裂
• 謂 核 分 裂 是 指 鈾 、 鈽 等 元 素 , 受 到 中 子 撞
擊 時 分 裂 成 為 二 個 質 量 較 輕 約 略 相 等 的 分
裂 產 物 , 並 釋 放 出 大 量 的 能 量 。
圖 片 來 源 : 清 蔚 園 科 學 館

核 分 裂 :
1. 鈾 -235 原 子 核 受 到 中 子 撞 擊 時 , 容 易 分 裂 , 並 且 產
生 二 個 以 上 的 中 子 , 這 些 中 子 繼 續 撞 擊 其 他 的 鈾 -235
原 子 核 , 造 成 連 鎖 反 應 。
2. 鈾 -235 原 子 核 進 行 核 分 裂 連 鎖 反 應 時 會 產 生 熱 能 ,
將 水 加 熱 成 高 溫 、 高 壓 的 水 蒸 汽 推 動 汽 輪 機 , 再 帶 動
發 電 機 產 生 電 能 。
3 天 然 鈾 礦 中 含 有 99.3% 的 鈾 -238 和 0.7% 之 鈾 -235。
鈾 -238 原 子 核 不 會 分 裂 , 反 而 會 吸 收 中 子 , 因 而 阻 礙
連 鎖 反 應 的 進 行 。
核 能 發 電 廠 使 用 的 鈾 燃 料 必 須 先 經 精 煉 濃 縮 , 使 鈾 -
235 濃 度 達 到 約 3.0%, 才 能 使 核 分 裂 有 效 進 行 。

核 分 裂 反 應 式
1 n+ 92 U235 ( 鈾 )→ 56 Ba 137 ( 鋇 )+ 36 Kr 92 ( 氪 )+ 3n +[2x10 10 kJ/mol]
U 的 原 子 序 92: 中 子 92, 質 子 143 質 量 數 235
Ba 的 原 子 序 56: 中 子 56, 質 子 81 質 量 數 137
Kr 的 原 子 序 36: 中 子 36, 質 子 58 質 量 數 94
E=MC 2

核 融 合 技 術 目 前 仍 無 法 商 業 化 , 故 今 日 核 子 動 力 均 源 自 核 分 裂 , 由
核 分 裂 產 生 之 電 力 , 目 前 約 佔 全 世 界 總 電 力 供 應 量 之 百 分 之 十 。 核
分 裂 之 過 程 可 分 成 數 個 階 段 , 首 先 中 子 撞 擊 重 原 子 核 ; 中 子 被 吸 收
而 形 成 複 核 (compound nucleus); 此 複 核 並 不 穩 定 , 而 繼 續 分 裂 成
兩 個 或 以 上 之 原 子 核 , 同 時 並 放 射 出 數 個 中 子 ; 這 些 中 子 又 被 其 他
原 子 核 所 吸 收 , 如 若 具 有 足 夠 之 原 子 則 可 能 發 展 形 成 鏈 鎖 反 應
(chain reaction), 此 鏈 鎖 反 應 即 構 成 核 子 反 應 器 (nuclear reactor) 運
轉 之 基 礎 。
單 一 鈾 原 子 之 分 裂 , 約
產 生 200Mev(106ev) 之 能 量 , 而 一 個 碳 原 子 之 燃 燒 , 僅 產 生 4ev 能
量 。 換 句 話 說 ,1 公 噸 鈾 進 行 核 分 裂 , 其 所 釋 放 出 之 總 能 量 約 等 於
250 萬 公 噸 煤 之 燃 燒 熱 。 天 然 鈾 (natural uranium) 含 有 99.3%
之 92 U 238 和 0.7% 之 較 輕 同 位 素
92 U235 , 後 者 乃 核 子 反 應 器
中 最 常 被 利 用 之 燃 料 。 當 反 應 器 運 轉 一 段 時 日 後 , 92
U 235 所 佔
之 百 分 比 會 顥 著 地 下 降 , 同 時 燃 料 亦 受 到 分 裂 產 物 之 污 染 , 因 而 鏈
鎖 反 應 無 法 繼 續 維 持 , 此 時 即 須 更 新 燃 料 。 但 是 舊 燃 料 仍 含 有 用 之
92 U235 及 大 量 之
92 U238 和 少 量 之 鈽 元 素 , 其 均 可 再 供 其 他 型
式 反 應 器 之 使 用 。

. 核 能 發 電 與 原 子 彈 的 比 較 :
核 能 發 電
鈾 -235 濃 度 約 為 3%
核 分 裂 的 連 鎖 反 應 在 控
制 下 緩 慢 進 行
鈾 -235 的 純 度 低 , 不 致
造 成 爆 炸 , 而 產 生 危 險
原 子 彈
鈾 -235 濃 度 必 須 在 90%
以 上
核 分 裂 的 連 鎖 反 應 無 任
何 限 制 , 任 其 快 速 進 行
於 瞬 間 產 生 巨 大 的 能 量
而 爆 炸

核 能 -2
• 核 能 可 以 由 很 少 量 的 燃 料 , 生 成 龐 大 的 能
量 , 如 1 公 克 的 鈾 -235 完 全 分 裂 後 所 產 生 的
能 量 , 大 約 和 燃 燒 2000 公 斤 的 石 油 , 或 3 噸
重 煤 炭 的 能 量 , 或 是 看 23 萬 小 時 電 視 (100
瓦 特 ) 的 電 能 是 相 同 的 。
• 核 融 合 要 在 很 高 的 溫 度 下 才 會 發 生 , 又 稱
熱 核 反 應 。 核 融 合 沒 有 輻 射 、 廢 料 、 燃 料
來 源 的 問 題 。

H 氫 = 1P
D 氘 =1P+1N
T 氚 =1P+2N
He 氦 =2P+2N

H 氫 (Hydrogen)= 1P
D 氘 (Deuterium)=1P+1N
T 氚 (Tritium)=1P+2N
He 氦 =2P+2N

托 克 馬 克 (tokamak) 的 磁 約 束 裝 置 工 作 原 理
• 1 甜 甜 圈 的 環 行 管 外 加 上 電 流 線 圈 (toroidal field coil), 以
產 生 水 平 面 (toroidal) 方 向 的 磁 場 ;
• 2. 帶 電 粒 子 沿 著 水 平 面 磁 場 方 向 做 迴 旋 運 動 , 產 生 水 平 面
電 漿 電 流 , 水 平 面 電 漿 電 流 進 而 造 成 垂 直 面 (poloidal) 上 之
感 應 磁 場 ;
• 3. 所 以 總 磁 場 為 此 兩 種 磁 場 的 疊 加 , 其 磁 力 線 以 螺 旋 方 式
環 繞 裝 置 內 部 。 電 漿 粒 子 會 沿 磁 力 線 快 速 地 做 螺 旋 式 環 繞
運 動 , 所 以 電 漿 就 這 樣 被 約 束 在 這 種 環 形 的 容 器 中 。
• 4. 托 克 馬 克 中 , 有 幾 個 主 要 的 參 數 決 定 了 核 融 合 反 應 的 效
率 , 其 中 一 個 是 β 值 ,β = 2P/ B 2 ( P 為 電 漿 壓 力 , B 2 /2 為
磁 場 壓 力 ,B 為 磁 場 強 度 )
• 5. 目 前 托 克 馬 克 實 驗 裝 置 能 得 到 的 β 大 多 在 3% 以 下 , 而 一
個 具 有 經 濟 效 益 的 反 應 器 其 β 值 需 要 5 % 以 上 。

Modern version of Lawson’s criterion”
• n 2 T 2 > 5 × 10 21 × nT/tE,
• nT τ E > 5 × 10 21 (m -3 -keV-s)
• 1. 單 位 體 積 的 電 漿 能 量 為 3 nT
• 2. 能 量 耗 散 率 正 比 於 nT/ τ E
• 3. α 粒 子 的 產 生 速 率 正 比 於 n 2 T 2 (n 為 粒 子 密 度 ,T 為 正 離
子 溫 度 )
• 4. 能 量 束 縛 時 間 為 τ E
• 5. 目 前 nT τ E = 10 21 (m -3 -keV-s) , τ E =1 秒

• ITER 的 技 術 目 標 (Q = 產 生 的 功 率 / 輸 入 的
功 率 = 10)。 核 融 合 反 應 保 持 至 少 500 秒 的
運 轉 。
• 因 此 ITER 本 身 並 不 發 電 , 其 主 要 目 的 是 演
示 利 用 核 融 合
• 輸 入 功 率 (5 千 萬 瓦 )
• 產 生 5 億 瓦 的 功 率