核子反應器與電力(Nuclear Reactor and Electricity)

Enrico Fermi (費米，是義大利科學家，於1920-1930年間移民至美國)1942年，費米在芝加哥大學作核子物理研究時，完成第一個核子(或稱原子)反應器，這研究結果後來被用在
(1)軍事用途，即第二次世界大戰的曼哈頓計畫(Manhattan Project)，製造了原子彈，(2)和平用途，作為核能發電。

典型的核能發電廠應用中子(¹₀n )撞擊鈾-235(²³⁵₉₂U)同位素原子，啟動下列核分裂反應(nuclear fission)：
       ¹₀n   +  ²³⁵₉₂U     ®  [²³⁶₉₂U] (極不穩定)
                        ®      ¹⁴¹₅₆Ba   +   ⁹²₃₆Kr   +  3 ¹₀n   +  [4.6 x 10⁹ kcal/mol]
                        ®      ¹³⁷₅₂Te   +  ⁹⁷₄₀Zr   +  2 ¹₀n   +  能量
                       ®      ¹⁰³₄₂Mo   +   ¹³¹₅₀Sn   +  2 ¹₀n   +  能量
                       ®      ⁹³₃₇Rb   +   ¹⁴¹₅₅Cs    +  2 ¹₀n   +  能量
即第一步先產生極不穩定的鈾-236(²³⁶₉₂U)同位素原子，於是開始數個可能的核分裂反應。因其產物有2-3個中子(¹₀n)，同時也觸動了鏈反應(chain reaction)。利用核分裂反應所放出的大量能量(熱能)使水沸騰，產生蒸氣來推動渦輪機，即可產生電力。

         1 kg ²³⁵₉₂U 大約可產生2.0 x 10¹⁰ kcal的能量，相當於3000 tons煤礦燃燒產生的能量，或14,000 barrels油礦燃燒產生的能量。

       註: 能量的單位， 1 cal = 使1 g水上升1°C所需的能量
        1 Btu = 252 cal = 1055 J
        1 quad = 1 quadrillion (10¹⁵) Btu

天 然而鈾礦只含0.711% ²³⁵₉₂U (99.289% 為 ²³⁸₉₂U 同位素)，經”純化”後的鈾燃料(以UF₆或U₃O₈形態存在)常含有 ²³⁵₉₂U ， ²³⁸₉₂U 及²³⁹₉₄U ，其中 ²³⁵₉₂U 的含量約2-5%。

核廢料的問題

核反應原料中的²³⁸₉₂U ，,亦會受到中子(¹₀n)的撞擊，發生下列的核分裂反應，並產生高能量的b射線(⁰_-1e)：
    ¹₀n   +  ²³⁸₉₂U   ®  ²³⁹₉₂U  ® ²³⁹₉₃Np   +  ⁰_-1e   ® ²³⁹₉₄Pu   +   2  ⁰_-1e  
反應的中間物 ²³⁹₉₂U 和 ²³⁹₉₃Np 的半生期(half-life)分別為23.5分及2.35天，而最終產物 ²³⁹₉₄Pu 的半生期長達24,400年。這意味著鈽-239(²³⁹₉₄Pu)會累積在燃料上，當鈾燃料中的 ²³⁵₉₂U 被用完後,核廢料含有 ²³⁹₉₄Pu 。事實上，若技術上能將 ²³⁹₉₄Pu 自核廢料中分離出來，則 ²³⁹₉₄Pu 仍可被用來作核子彈的原料，當 ²³⁹₉₄Pu 受到中子( ¹₀n )的撞擊時，會發生下列的核分裂反應  
              ¹₀n   +  ²³⁹₉₄Pu   ®  ¹⁰⁴₄₂Mo   + ¹³⁴₅₂Te +  2 ¹₀n   +  能量
至1996年，全世界約有400座核能發電廠，年產70 tons的 ²³⁹₉₄Pu，至2000年，全世界的核廢料大約累積到700 tons。當全世界的鈾礦全用完時，²³⁹₉₄Pu 核廢料的量會再增加2000 tons，這種情況可能發生在30年後(若現在不想辦法處理的話)。美國政府委託阿崗國家實驗室(Argonne National Laboratory)的科學家處理這個問題，科學家採用Integral fast reactor方法，利用快速的中子( ¹₀n )的撞擊 ²³⁹₉₄Pu，希望能經由另外的核分裂反應，來”回收”鈾原料。

[註] Chemical & Engineering News, pages 20-25, 2002/07/08報導：
    美國現有103座核能發電廠，至今已累積核廢料43000噸，並且每年增加2000噸。核廢料暫時存放在39州131個地點。目前正在設計建造一永久性核廢料貯藏所，地點在內華達(Navada)州的Yucca山區(拉斯維斯市的西北方大約160公里)，預計2010年將可啟用。
參考網站：http://www.ymp.gov/
   1982年，美國眾議院(Congress)通過Nuclear Waste Policy Act，決定建造核廢料貯藏所。1983年，能源局在六個州選了九個地點作評估。永久性核廢料貯藏所的地點必須具備下列條件：(a)離人口稠密的城市很遠，(b)氣候很乾燥，年度降雨量低於6英吋，(c)地下水源很低，低於貯藏所的海拔800-1000英呎，(d)沒有火山，沒有地質斷層，(e)沒有地震紀錄。1985年，決定三個可能的地點(1. Hanford, Washinton, 2. Deaf Simth county, Texas, 3. Yucca Mountain, Nevada)再作進一步評估。1987年，眾議院決定Yucca Mountain, Nevada為建造核廢料貯藏所，進一步研究該地區的所有地質、生態、環保、技術、工程等問題，預計2006年開始動工，2010年開始啟用，預計要花25年才能將所有的核廢料全部搬來貯藏，預計大約在2110年即永久性關閉。

[註]中國時報2001/03/19新聞報導：
    設於台灣屏東縣恆春海邊的核三廠，18日凌晨零時46分，因鹽霧害造成超高壓輪電線路跳脫，導致一和二號機組喪失電源，核三廠進入第三類A級"無放射性物質外洩的廠區緊急事故"。至2時54分，成功啟動後備緊急柴油發電機併入運轉後，已解除狀況，這起事件是國內核電廠興建二十二年來首次發生第三類緊急事故。

[註]中國時報1996/11/19新聞報導：
       1996/11/18，9:34(台北時間)俄太空船火星96號，因第四節火箭推進器未點燃，太空船無法脫離地球軌道，而墜落到智利西方1000公里的太平洋海域。該艘太空船攜帶兩部火星登陸艇，每部各攜帶兩個35mm直徑的核能電池作為動力。四個電池共含270公克的 ²³⁸₉₄Pu (半生期為87.5年)，該核燃料元素的毒性很強，吸入會導致肺癌或骨癌。  

中研院原分所離子光譜與動態學實驗室Laboratory for Ion Spectroscopy and Dynamics
背景音樂:  EresTu
上次網頁修改日期: 2002/12/10