SKYERE asked in 科學化學 · 2 decades ago

關於核子反應爐

核子反應爐的發電原理還有解析和他的反應過程越清楚越好>純屬本人好奇心

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    2 decades ago
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    放射性(Radioactivity)

    放射性:指在原子序82~92間之元素,雖僅10種,但有50多種天然放射同位素。

    例如原子量為226具有放射性的鐳(Ra)的原子核並不穩定,它會自動地衰變,放出熱量和顆粒(α,β,γ放射線),這種過程便叫做放射性(Radioactivity)。

    鐳,有許多的小顆粒(particle),從鐳的原子核中,以極高的速率釋放出來。留下的不再是鐳的原子核,而是新的原子核叫氡(radon)。這種現象若持續1600年,則一半的鐳衰變,只剩下一半。如此將一半的元素衰變所需的時間,我們稱之為半衰期(half-life)。對鐳來說其半衰期就是1600年,也有時間較長的如鈾,其半衰期是45億年。碳的半衰期是5770年,也有時間很短的,如碘,其半衰期則只有24秒。

    鈾之衰變很慢,熱量也因此慢慢地釋放出來。碘之衰變快,熱量也已快速釋放出來,如此被釋放出來之熱能,就叫放射性能(或核能)。

    放射性之生物作用

    過去七十幾年來,只有很少數人曾經暴露於高的放射性之下。因此放射性對人體之直接影響是從日本廣島和長崎之被原子彈轟炸之情形所收集來的。另外從核子之意外事件及放射性所產生之急性病狀中研究觀察得來。如果一過人暴露於100~250雷得(rads)。1雷得等於每克組織受到了100耳格(erg)能。此時此人會有頭暈、疲勞、嘔吐、下痢與頭髮脫落的現象。但是大部分的人可以完全復原。如果暴露達到400~500雷得,那麼情況就不是那麼簡單。頭幾天之症狀可能與前述相同,然後症狀消失。到了第三週,症狀又出現,約有50%的人會死亡。死亡之原因是感染或出血不止。這是由於放射性破壞骨髓的功能。骨髓是抗病與止血功能很重要之器官。骨髓之功能無法維護,其生命也無法持續了。如果暴露量達到了2000雷得,那麼第一週的病情仍如上述,但是到了第二週,病情很快惡化,有嚴重的下痢以致脫水,感染而死亡。(在許多狀況下雷得值相當於雷姆值)

    放射性與癌症

    除了上述之急性作用外,放射性對人體還有慢性的作用。那可能是幾個月,甚至幾年後發生的反應。最引人矚目的,就是癌症。很多的證據指出,放射性會增加癌症的患率。在人們對放射性之危險充分瞭解以前,人們對放射性物質之管理是相當粗心的。以致於很多人後來都得了癌症。

    在長崎和廣島之原子彈爆炸後的10年間,在那裡生還的居民,有許多都得了血癌。就是活到現在的,許多也得了其他的癌症。1945年,美國政府在太平洋做了一連串的核子試爆,後來在這些地區的島民,許多都死於血癌或者其他形成的癌症放射性不僅影響現在活著的人們,也可使世代的人蒙受其害。如果男性的精子細胞或女性的卵細胞受了放射性之傷害,生下的孩子可能畸形。這種變化稱為變異(Mutation)。多種動物之試驗證明,放射性可以引起變異。雖然並沒有直接的證據證明放射性會引起人類的變異,這是因為直接的試驗是不實際且不道德的,但是我們有足夠的理由相信放射性一樣,可以引起人體之變異。

    核分裂反應爐(Nuclear Fission Reactors)

    在1939年,物理學家們發現有與自然發生之放射性不同的核子反應。這個發現叫做原子核分裂(Nuclear Fission)。也就是一個原子核可以分裂成兩個大約相等大小的小原子核,同時釋放出很多的能量。並不是所有元素之原子核是可以分裂的,例如鈾不能如此分裂,而鈾則可以。同時原子核並不是隨便就分裂的,它必須有中子之撞擊。由加速的中子,撞擊了鈾之原子核,原子核吸收了中子,才能分裂成兩個產物,同時又產生了兩個中子與能量,這兩個中子又去撞擊其他的鈾,如此之反應,一直快速地進行著,這叫做鏈反應(Chain Reaction)。鏈反應的結果是形成一個大爆炸,這便是原子彈的原理,原子彈的爆炸就是如此發生的。

    核分裂反應爐,是一種設計。設計將撞擊所產生的一部份中子去撞擊其他的鈾。使撞擊的反應,在控制的情形下進行,可以放出能量,但是不會快速到爆炸程度。這種方式釋放出來的能量就叫核能(Nuclear energy):物質消失必以能之型式轉變出,而1g質量=9×1020耳格=2500萬仟瓦小時)。用這種核能來發電的便叫做核能電廠。

    核分裂反應爐之安全性

    核分裂反應爐的設計與操作是以控制中子為重點的。所使用的核子燃料只是一點點的鈾。由原子核分裂而放射出來的中子,大部分都不會去撞擊其他的鈾原子核。這些反應是以緩慢而受控制的方式進行著。所以像原子彈似的爆炸意外事件應該是不會發生的。

    在核子反應爐中之燃料是鈾,而這鈾是一種長形的棒狀,外面是金屬盒包著。這個反應器是浸在水裡面。水一方面是用作冷卻劑(coolaut),一方面也可以緩化(moderator)快速產生之中子。這種棒狀的金屬是由鈷或其他物質做成用來緩衝放射性之中心,且可以吸收中子。如果將此金屬盒子提升至水面,則核分裂之反應會快速進行,產生更多的中子。如果將金屬盒子,放進水裏,則反應緩衝下來。

    如果通到反應爐的水管破裂,以致於水不夠來冷卻反應爐。這種意外是可能會發生的,此時,在45秒鐘之內,反應器中心之溫度可以升到攝氏1480度,在這裡溫度之下,留在反應爐上之水分會與燃料棒上物質起化學作用而產生氫氣。氫氣混合在空氣中,是有爆炸性的。

    通常都有緊急的冷卻系統設計來阻止此種意外事件。

    反對核能的人認為小至緊急冷卻系統之測試故障的紀錄,都算「事故」。他們認為政府之評估與事實並不相符。

    1979年美國賓州三浬島核能電廠所發生之意外事件,支持了反對者之看法,而1986年前蘇聯車諾比核能廠爆炸案所留下的陰影,至今仍讓人憂心重重。

    放射性廢物之處理

    在反應爐中,鈾原子核裂解為兩個產物(如前反應方程式),這些產生也是有效放射性的。這些放射性物質造成了很大的環境問題。因為本來只有一個原子核是放射性的,現在馬上變成了兩個,也就是兩倍。鈾之半衰期是七億年,但有很多的裂解產物,其半衰期,有的是十年、百年,也有以月數、以日、以秒數的。其裂解的速度比鈾快得多,會產生更多的放射性。這些放射性物質之衰化,既無法增快,也無法減慢,也無法破壞,而不斷地產生有害的作用,所以這些放射性物質,就都成了廢物。而必須儲存起來,儲存在一個認為最沒有害的地方。

    目前我們並沒有穩固且滿意地處理核能廢物的方法。在反應爐中之燃料棒中之鈾用完之後,整個燃料棒則溶解在酸液中。沒用到的鈾則儘量回收利用。這個具有腐蝕性的、放射性的、且高熱的廢料,需倒入儲存桶中。

    核能廢物的處理,事實上是整個核能問題之爭議焦點。對於那些有劇毒性的、危險的、放射性的廢料,且可延續幾千萬代。

    核融合(Nuclear Fusion)

    以上所說的,是利用原子核的分裂,收集其釋放出來的能源。但是核融合,則是利用兩個比較輕的元素之原子核,將其融合在一起,又稱為熱核反應(thermo nuclear reaction)。例如將氫的同位素,在高速下互相撞擊,則可以融合在一起。這是一種劇烈的反應,非常難以控制而會造成爆炸。氫彈就是根據這個原理做成的。如果能夠設計一個特殊的裝置,將其所釋放出來的能量收集起來,則是一個很豐富的能量來源。

    迄至目前為止,並沒有已經發展成功而真正控制核融合的反應器。但那時最嚴重的,可能是因能源帶來的熱污染。

    Source(s): 經濟部能源委員會http://microbiology.scu.edu.tw/LAB214/ch7.htm
  • Pony
    Lv 6
    2 decades ago

     

    核能與環境

    放射性(Radioactivity)

    放射性:指在原子序82~92間之元素,雖僅10種,但有50多種天然放射同位素。

    例如原子量為226具有放射性的鐳(Ra)的原子核並不穩定,它會自動地衰變,放出熱量和顆粒(α,β,γ放射線),這種過程便叫做放射性(Radioactivity)。

    鐳,有許多的小顆粒(particle),從鐳的原子核中,以極高的速率釋放出來。留下的不再是鐳的原子核,而是新的原子核叫氡(radon)。這種現象若持續1600年,則一半的鐳衰變,只剩下一半。如此將一半的元素衰變所需的時間,我們稱之為半衰期(half-life)。對鐳來說其半衰期就是1600年,也有時間較長的如鈾,其半衰期是45億年。碳的半衰期是5770年,也有時間很短的,如碘,其半衰期則只有24秒。

    鈾之衰變很慢,熱量也因此慢慢地釋放出來。碘之衰變快,熱量也已快速釋放出來,如此被釋放出來之熱能,就叫放射性能(或核能)。

    放射性之生物作用

    過去七十幾年來,只有很少數人曾經暴露於高的放射性之下。因此放射性對人體之直接影響是從日本廣島和長崎之被原子彈轟炸之情形所收集來的。另外從核子之意外事件及放射性所產生之急性病狀中研究觀察得來。如果一過人暴露於100~250雷得(rads)。1雷得等於每克組織受到了100耳格(erg)能。此時此人會有頭暈、疲勞、嘔吐、下痢與頭髮脫落的現象。但是大部分的人可以完全復原。如果暴露達到400~500雷得,那麼情況就不是那麼簡單。頭幾天之症狀可能與前述相同,然後症狀消失。到了第三週,症狀又出現,約有50%的人會死亡。死亡之原因是感染或出血不止。這是由於放射性破壞骨髓的功能。骨髓是抗病與止血功能很重要之器官。骨髓之功能無法維護,其生命也無法持續了。如果暴露量達到了2000雷得,那麼第一週的病情仍如上述,但是到了第二週,病情很快惡化,有嚴重的下痢以致脫水,感染而死亡。(在許多狀況下雷得值相當於雷姆值)

    放射性與癌症

    除了上述之急性作用外,放射性對人體還有慢性的作用。那可能是幾個月,甚至幾年後發生的反應。最引人矚目的,就是癌症。很多的證據指出,放射性會增加癌症的患率。在人們對放射性之危險充分瞭解以前,人們對放射性物質之管理是相當粗心的。以致於很多人後來都得了癌症。

    在長崎和廣島之原子彈爆炸後的10年間,在那裡生還的居民,有許多都得了血癌。就是活到現在的,許多也得了其他的癌症。1945年,美國政府在太平洋做了一連串的核子試爆,後來在這些地區的島民,許多都死於血癌或者其他形成的癌症

    放射性不僅影響現在活著的人們,也可使世代的人蒙受其害。如果男性的精子細胞或女性的卵細胞受了放射性之傷害,生下的孩子可能畸形。這種變化稱為變異(Mutation)。多種動物之試驗證明,放射性可以引起變異。雖然並沒有直接的證據證明放射性會引起人類的變異,這是因為直接的試驗是不實際且不道德的,但是我們有足夠的理由相信放射性一樣,可以引起人體之變異。

    核分裂反應爐(Nuclear Fission Reactors)

    在1939年,物理學家們發現有與自然發生之放射性不同的核子反應。這個發現叫做原子核分裂(Nuclear Fission)。也就是一個原子核可以分裂成兩個大約相等大小的小原子核,同時釋放出很多的能量。並不是所有元素之原子核是可以分裂的,例如鈾不能如此分裂,而鈾則可以。同時原子核並不是隨便就分裂的,它必須有中子之撞擊。由加速的中子,撞擊了鈾之原子核,原子核吸收了中子,才能分裂成兩個產物,同時又產生了兩個中子與能量,這兩個中子又去撞擊其他的鈾,如此之反應,一直快速地進行著,這叫做鏈反應(Chain Reaction)。鏈反應的結果是形成一個大爆炸,這便是原子彈的原理,原子彈的爆炸就是如此發生的:

     

    核分裂反應爐,是一種設計。設計將撞擊所產生的一部份中子去撞擊其他的鈾。使撞擊的反應,在控制的情形下進行,可以放出能量,但是不會快速到爆炸程度。這種方式釋放出來的能量就叫核能(Nuclear energy):物質消失必以能之型式轉變出,而1g質量=9×1020耳格=2500萬仟瓦小時)。用這種核能來發電的便叫做核能電廠。

    核分裂反應爐之安全性

    核分裂反應爐的設計與操作是以控制中子為重點的。所使用的核子燃料只是一點點的鈾。由原子核分裂而放射出來的中子,大部分都不會去撞擊其他的鈾原子核。這些反應是以緩慢而受控制的方式進行著。所以像原子彈似的爆炸意外事件應該是不會發生的。

    在核子反應爐中之燃料是鈾,而這鈾是一種長形的棒狀,外面是金屬盒包著。這個反應器是浸在水裡面。水一方面是用作冷卻劑(coolaut),一方面也可以緩化(moderator)快速產生之中子。這種棒狀的金屬是由鈷或其他物質做成用來緩衝放射性之中心,且可以吸收中子。如果將此金屬盒子提升至水面,則核分裂之反應會快速進行,產生更多的中子。如果將金屬盒子,放進水裏,則反應緩衝下來。

    如果通到反應爐的水管破裂,以致於水不夠來冷卻反應爐。這種意外是可能會發生的,此時,在45秒鐘之內,反應器中心之溫度可以升到攝氏1480度,在這裡溫度之下,留在反應爐上之水分會與燃料棒上物質起化學作用而產生氫氣。氫氣混合在空氣中,是有爆炸性的。

    通常都有緊急的冷卻系統設計來阻止此種意外事件。

    反對核能的人認為小至緊急冷卻系統之測試故障的紀錄,都算「事故」。他們認為政府之評估與事實並不相符。

    1979年美國賓州三浬島核能電廠所發生之意外事件,支持了反對者之看法,而1986年前蘇聯車諾比核能廠爆炸案所留下的陰影,至今仍讓人憂心重重。

    放射性廢物之處理

    在反應爐中,鈾原子核裂解為兩個產物(如前反應方程式),這些產生也是有效放射性的。這些放射性物質造成了很大的環境問題。因為本來只有一個原子核是放射性的,現在馬上變成了兩個,也就是兩倍。鈾之半衰期是七億年,但有很多的裂解產物,其半衰期,有的是十年、百年,也有以月數、以日、以秒數的。其裂解的速度比鈾快得多,會產生更多的放射性。這些放射性物質之衰化,既無法增快,也無法減慢,也無法破壞,而不斷地產生有害的作用,所以這些放射性物質,就都成了廢物。而必須儲存起來,儲存在一個認為最沒有害的地方。

    目前我們並沒有穩固且滿意地處理核能廢物的方法。在反應爐中之燃料棒中之鈾用完之後,整個燃料棒則溶解在酸液中。沒用到的鈾則儘量回收利用。這個具有腐蝕性的、放射性的、且高熱的廢料,需倒入儲存桶中。

    核能廢物的處理,事實上是整個核能問題之爭議焦點。對於那些有劇毒性的、危險的、放射性的廢料,且可延續幾千萬代。

    核融合(Nuclear Fusion)

    以上所說的,是利用原子核的分裂,收集其釋放出來的能源。但是核融合,則是利用兩個比較輕的元素之原子核,將其融合在一起,又稱為熱核反應(thermo nuclear reaction)。例如將氫的同位素,在高速下互相撞擊,則可以融合在一起。這是一種劇烈的反應,非常難以控制而會造成爆炸。氫彈就是根據這個原理做成的。如果能夠設計一個特殊的裝置,將其所釋放出來的能量收集起來,則是一個很豐富的能量來源。

    迄至目前為止,並沒有已經發展成功而真正控制核融合的反應器。但那時最嚴重的,可能是因能源帶來的熱污染。

    討論

    煤礦實際上已不具開採的價值,石油儲存量也有限,水力也受天然條件之限制,其他之替代能源如地熱、風能、太陽能與生質熱,技術有相當的進步,但能源利用對環境所造成的衝擊仍須慎重的評估(如附表)。替代能源應考慮但只能取代部分之能源,不可能成為主要的能源。國際能源之掌握,常與政治有關,以台灣而言對我們可以說是相當不利的。所以我們要不要核能?可能並不只是現實的問題,同時也是長遠要思考的問題。

    能源利用造成的環境影響

    註:其他包括固體廢棄物、人體健康、噪音、視覺等。

    資料來源:經濟部能源委員會

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