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核能發電的必要性(2)
2021/11/27 22:06
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       核能發電的必要性(2)

 

一、核能的使用是伴隨人類文明發展自然的結果符合歷史脈動 

      核能在台灣被許多人污名化及妖魔化,這是因為蔡政府的官員及民意代表多係學法律及文科出身,對於科技的重要性不甚瞭解,試問在一百年前人們會使用核能嗎?遠古時期人們在偶然的機會發現了鑽木可取火,接著發現煤炭及石油展開了火力的運用,風力可推動帆船,水力可轉動水車帶動紡車等,但直到愛因斯坦提出相對論發現質量可轉化成能量,人類才跨入核能應用的時代如圖1所示,所以說核能並不是你想用就可用,需科學進展到相當程度才能使用,所以說核能是一種高級能源。 

       自從1895年侖琴發現X光後,輻射能及核能的應用改善了人們的生活,利用輻射及核能可在醫學上做診斷或治療,在工業上可做非破壞姓檢測,在農業上可改良品種,也可殺菌保存食物。而核能可發電及提供船舶或潛艇動力,總之,近百年來,核能科技讓人類文明登峰造極如圖2所示。進入太空時代,太空中只能使用太陽能及核能,中國與俄羅斯想合作在月球建立基地,南華早報也報導中國大陸打算在月球上興建核能發電廠,所以說發展使用核能是順應歷史脈動,是人類文明必經之路,廢核是很無知違反文明進化的行為。 

二、由科技的進展來看核能發電的必要性 

(一)核能的發展                                                                                                         為了延續人類文明,我們不能放棄任何能源,所謂再生能源仍是源自太陽,若太陽熄滅即無此能源,由於化石燃料在地球上蘊藏量有限,若不使用核能則石油、天然氣及煤碳很快用完,人們生活將極其不便,而核能最可貴的是其科技仍在發展中,具有樂觀徹底解決人類能源問題的願景。目前我們使用的核能是利用鈾-235同位素的核分裂反應,人類正在研發與太陽發出能量相同原理的核融合反應,若能成功則可有取之不盡,用之不竭的能源。由於地球上的鈾礦資源有限,因此研發快中子滋生式反應器,可將不能產生核分裂的鈾-238,利用快中子撞擊轉化為可分裂的鈽-239,繼續作為核燃料。「滋生」是指轉化出來的燃料鈽-239,比消耗掉的鈾-235還要多。核融合反應器是利用較輕的原子核,在極高溫度之下產生核融合反應而放出大量的能量。核融合反應器可利用取之不盡之海水提煉出燃料氘及氚,且無放射性廢料產生,是最理想的能源。故世界核能工業發展的主流為第一步發展核分裂反應器,第二步發展快滋生反應器,第三步發展核融合反應器如圖3所示。而所謂第四代的反應器即是由傳統核分裂反應器轉至快滋生反應器過渡期間發展的反應器。透過國際合作研發的第四代核能發電,將更耐久、更安全、更經濟。美國主導的十國核能專家已組成「第四代核電國際論壇」,推出6種第四代反應器如圖4所示。第4代核電的要求為有更高的經濟性、加強安全性、減少廢棄物產量並提高防止核擴散能力。 

(二)快滋生反應器的發展

        目前核能發電主要是利用鈾235分裂所產生的能量,天然鈾中,鈾235只佔0.72%;佔99.28%的鈾238都尚未能有效利用。如果只利用目前最普遍的輕水式熱中子反應器來發電,鈾礦資源將於150年內用完。解決辦法便是引入快滋生反應器,快滋生反應器在其運轉過程中,可從自然鈾或耗乏鈾轉換成比它運轉所需量還多的可分裂鈽燃料。由於快滋生反應器的引入,鈾的利用率可增加大約50倍,熱中子反應器所產生的鈽燃料亦可在快滋生反應器中獲得更有效的利用;核燃料的供應問題將迎刃而解。 

(三) 核融合的發展

       利用氫的同位素氘與氚進行的核融合反應產生的能量鉅大又不產生核廢料是俗稱人造太陽的最佳能源,現在的托克馬克磁控實驗已可控制核融合反應,以緩慢方式釋放能量,只是仍未達到經濟效益。2005年6月28日國際先進國家合建一座「國際熱核實驗反應爐( ITER)共同研發核融合,但距離成功尚遠。核融合反應是太陽發光發熱的能量來源,若能開發以磁場控制核融合反應的電廠,則可以滿足人類的能源。 

(四)釷燃料循環

      鈾礦蘊藏量正在急遽下降,能取代鈾-235的核燃料之一是鈾-233同位素,但它在自然界並不存在,需從釷232轉換製造。由於釷礦的蘊藏量較鈾礦豐富,在地球上的埋藏量約為鈾之3~5倍且較便宜,而更重要的是在熱中子反應器中,可以吸收中子產生可分裂的鈾233。台灣本身的天然資源相當貧乏,能源幾乎全靠進口,連核電能亦不例外。依據核能研究所的調查,台灣在嘉義、台南外海一帶,蘊藏有約55萬噸的重砂,其中含可提煉釷的黑獨居石約3萬多噸,可提煉鈾的黃獨居石4千多噸。因此,我們可以考慮研究發展滋生爐,以因應我們本身的能源需求。 

三、核能是承先啟後的關鍵性能源 

       由於石油即將枯竭,世界各先進國家均積極規劃以氫能源替代石油,這是以氫燃料電池為核心的新一代產業革命如圖5所示,氫燃料電池技術不但可以驅動汽車,船隻和飛機,還可以為手機,電腦,工廠及家庭提供穩定高效無污染電源如圖6所示。實際上氫經濟比石油經濟的影響還要廣大和深遠,利用廉價的核能製造氫氣是未來可能的方向,核能可以迎接氫能時代的到來故核能是承先啟後的關鍵性能源。核能製氫甚具吸引力,因為此種解决問題的方法是對技術依賴性較高,而不是依賴天然的能源資源,因此可以提高國家能源的安全保障。氫燃料電池是一種能源直接轉換裝置,將化石燃料中的碳氫化合物化學能,經由觸媒及電催化的反應機制,直接轉換成電能。它不僅發電效率高,對環境的污染亦相當輕微。燃料電池可以替代汽車的內燃機,取代筆記型電腦的電池、手機電池、計算機、汽機車、游艇等設備之發電用。充電時,只要清空充滿副產品水的容器,然後再裝進燃料(酒精等燃料)即可。燃料電池,簡單的說,就是一個發電機。燃料電池是火力、水力、核能外第四種發電方法。 

      燃料電池汽車是利用氫和氧進行化學反應產生電,然後再以電能進行驅動車輛。燃料電池在德國,被用作潛水艇的動力,日本FCX-V3 燃料電池汽車的燃料氫是填充在250 個大氣壓下的高壓蓄氫槽裡。2002 年12 月日本豐田公司與本田公司已出產世界第一批燃料電池汽車。大量生產時,燃料電池的成本與現有內燃發動機接近。燃料電池的原理是利用電分解水的逆反應,使氫氣與空氣中的氧氣產生化學反應,產生水和電,實現高效率的低温發電,目前發展中的燃料電池近期以低溫型的質子交換膜燃料電池(PEMFC)為主,其所使用的燃料是氫氣,因此能夠提供安全且有效的氫氣,且餘熱回收與再利用也簡單易行。因為二氧化碳過度排放造成的全球溫暖化,因此氫能這種無污染的再生能源將可能成為21世紀的新興能源。 

四、核能製氫對未來潔淨能源的意義 

        目前人類文明所消耗的能源主要是以碳循環的方式進行,綠色植物藉光合作用將太陽能轉換成含有機碳的葡萄糖供其他動植物賴以維生,而同時空氣中的二氧化碳也轉換成碳氫化合物將太陽能轉換成化學能,動植物經由呼吸作用又產生二氧化碳回到大氣中,此謂之碳循環(圖7),在遠古時期二氧化碳的消耗量與產生量應可維持平衡,但工業革命後,人類大量使用煤、石油而產生過多的二氧化碳,因而造成溫室效應的問題。隨著化石燃料的日漸枯竭,氫能的使用應運而生,氫能不只是替代石油能源的明日之星,其燃燒及產生過程均與二氧化碳無關自成一循環稱之為氫循環(圖8)。能源可以分為一次能源及二次能源兩類,一次能源是指以自然形態存在的能源,包括風能、水能、太陽能、地熱能和核能等。二次能源是指由一次能源經過加工轉換以後得到的能源,包括電能、汽油、柴油、氫能等,使用氫能燃料電池的交通工具被認為是最有希望取代以汽油為能源的內燃機交通運輸工具,可說是新的產業革命。 

      用電解法製造氫氣需耗費巨大的能量而使其成本增高,用天然氣製氫更由於天然氣價格飆漲且有甲烷排放問題不實際,而用高温氣冷式反應器可以很低的成本提供巨大的能量,從而大幅降低製氫成本。因此,核能製氫有望成為未來生產清潔能源極具競爭力的新興產業,新的核能製氫技術將使氫能成為21世紀後期的主要能源之一。科學家認為能源正從現在的資源依賴向技術依賴轉變,以往從煤炭轉成石油,未來將從石油轉到氫能,21世紀的第四代高温氣冷式反應器功率高、投資低、系統簡單、建造工期短、經濟競爭力強,對中、小型工業區的需求可設計適當的機組與其配合。高溫氣冷式反應器所需的面積不大,只要6公頃土地即可提供270個加氫站的需求,而風力及太陽能則需甚大的面積。高温氣冷式反應器在生產氫氣過程中既不產生温室氣體且具經濟效益的製氫方法。熱化學循環製氫可分為氧化物法、鹵化物法及含硫法,其中含硫法有四種 : 碘硫循環、H2SO4 -H2S循環、硫酸-甲醇循環和硫酸鹽循環,其中研究最廣泛的是碘硫循環如圖9示,碘硫循環由美國通用原子公司發明,除美國外,日本、法國也都選擇碘硫循環作為未來核能製氫的首選  。


 

 

 

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