Contents ...
udn網路城邦
核融合和傳統核安,須齊頭並進
2018/12/05 14:07
瀏覽720
迴響5
推薦75
引用0


泡在硼酸水中的包殼燃料棒,可防核裂解失控之虞。

核融合和傳統核安,須齊頭並進

目前全世界80%已開發國家的主要能源,都來自化燃料。而環境問題(如溫室效應和酸雨污染)及化石燃料的存量有限,都意味著我們對煤、天然氣以及石油的依賴將受到嚴重限制。

到2050年時,為維持更先進生活水準,預估還需要再增加2~3倍的能源消耗,這些用電來源要向何處求?太陽能和風電成本雖逐年下降,但缺乏能夠穩定供電的要求,我們仍需要可靠的能源供應。所謂的"綠電"大都來自太陽能,而太陽熱能基本上就是一種"核融合反應",如果人類能在地球上複製一顆迷你太陽,其他的綠能取電效能就顯得很微不足道了。

●核融合將是一種取之不盡的安全新能源

核融合又稱作核聚變,是一種未來將可創造"小太陽"的新科技,也將是一種取之不盡的安全新能源。蘇聯1950年代早期最先開始研究核融合技術,首座以磁控方式聚合的設備是托馬克(Tokamak)結構。因此"托馬克"裝置就是核融合或核聚變技術的代稱。"托馬克"裝置形似甜甜圈,需用磁場箍束幾千萬攝氏度的等離子體。核融合反應條件嚴苛,科學家已經努力超過 60 多年,在受到控制的環境中保持有限的核聚變反應在過去50年間已經證明可行,但距離核融合發電的目標還很遠。

目前全球正在使用中的核反應,依賴的是核裂變和原子分裂,會留下有毒廢棄物,必須儲存在安全的地方也許長達數千年。而核融合發電則是將兩個核融合成一個核,然後沿著圓圈內牆的磁力(被稱為電漿)在巨大的管線內部產生反應。

理論上,它可以提供一個安全、穩定的能源供應來源,並且屬於效率高能源。1公斤核融合燃料所提供能量相當於1000萬公斤石化燃料。核融合反應是以兩個輕原子壓縮結合成一個重原子,而非裂解燃燒,無二氧化碳等溫室氣體的產生,所產生的核廢料也屬短半衰期的放射性廢料,所有放射性廢料皆可在100年內降至一般廢棄物等級。

要製造能夠承受原子融合的機器很不易,科學家需將氫等離子體不斷加熱到 1.5 億 ℃(這是太陽核心的 10 倍溫度),而用來約束等離子體亂竄的超導磁體,則需冷卻到零下 269℃,與星際空間一樣冷,位於機器中心的 1,000 噸電磁鐵要承受 6,000 噸以上的壓力,相當於太空梭起飛推力的 2 倍。

科學家在反應爐中模仿恆星來複製核融合反應,爐中高溫的氫原子懸浮在電漿中,相互碰撞並分裂為離子與電子,然後再融合成氦原子,這樣的過程產生的大量熱量可被用於發電。

做為燃料的氫同位素在地球上相對豐富,「氘」可從海水中提取,而「氚」可從核融合反應本身產生的中子生成。發電廠不僅可取用一般海水中的成份當做燃料,而且完全不會製造空氣污染或放射性污染。這種發電方式就好像用一顆恆星來推動地球上的無數機器,它能永遠滿足人類對能源無止境的需求。

●核融合技術的兩大主流

目前世界上致力研究的核融合實驗分為兩大主流。其一為「磁控核融合」,磁控聚合是利用強磁場將電漿懸空限制在磁場中,進而產生能量反應。核融合的另一分支是「慣性約束融合」(ICF),是用多束強雷射光來壓縮固態氫小球,使其在很短的時間內昇華成氣體,電離後產生核融合。

設備的點燃裝置也不同。
在法國的點燃設施,是以超導磁鐵將氫同位素聚集在一起,再加熱到1億5000萬℃,以磁性作用聚集電漿。
美國的點燃設施,是以雷射光束擠壓小球核心,力道足以融合球中的氫同位素,釋放出相當於小型氫彈的龐大能量。

世界上許多國家都已在致力掌握核聚變技術,自蘇聯贈送給中國超導HT-7實驗裝置後,中國成為繼俄、日、法後,第四個擁有托卡馬克的國家。現在美國、日本、韓國、巴西和歐盟也都在努力研發新技術。德國的核融合裝置(W7-X )是其中最有前瞻希望的一個,一般常見的托馬克核融合反應器,需要靠電流來幫忙控制電漿, W7-X的仿星器架構是用扭曲後變成 3D 的磁場,來取代托馬克反應器 2D 的磁場。

要讓核聚變供應城市的電力可能還需要數十年的發展時間。中國大陸首先參與在法國南部的國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃。多國合作的ITER是世界上最大的聚變實驗裝置,由中國、歐盟、俄羅斯、美國、日本、韓國和印度7方共同展開研究,目前建造在法國南部。如果順利,ITER預計會在2035年輸出聚變能。預計在2050年左右,可以實現核聚變能商業應用,並預期在2100年供應全球20%用電。

●核融合待突破的障礙

在高能粒子束的作用下,使氫原子核硼原子能夠保持在電漿狀態,並且控制反應爐內電漿持續流動是個大難題,電漿的密度和溫度會不穩定變動,導致核融合反應中斷。如果讓電漿在磁場變形的同時被攪動混合,這種混合效果就能確保電流曲線的平坦。也就是用磁場籠子關鎖熾熱的核燃料。中國的核融合裝置(EAST)系統源於俄羅斯設計的加強版,控制電漿洩漏,是透過空氣被吸入內部真空,找出解決方法。

目前沒有一個托馬克團隊能像中國安徽的團隊一樣,能保持核融合較多的穩定性。核融合世界的前記錄,是1997年的歐洲聯合環形加速器,輸出持續不到一秒鐘。2016年12月中國率先研製成功最核心的核融合材料部件後,2017年又實現了電子溫度5000萬攝氏度、持續時間101秒的穩態長脈沖高約束等離子體運行,再創造世界新紀錄。中國科學家們已經在開始討論;將目標再進一步延長10倍時間,溫度在攝氏1億度。但光是開啟機器,每天就需要花費15萬美元,這還不包含上百名專家的工資和硬體設備成本。中國在過去10年推動核聚變實驗堆(ITER)計劃,已投入人民幣約40億元(台幣181億元)。

相較於中國大陸;或亞洲鄰近的日、韓,台灣現今尚未有核融合相關的研究計畫,核融合反應器工程複雜浩大,需要各領域人才針對細節共同投入研究。

●改進傳統核能安全措施

要實現核融合的無限能源目標還很遙遠,傳統核裂解方式供電;是目前唯一既不會大量排碳;又較廉價的能源來源。因此,改進傳統核能安全;仍是世界大多數先進國家必須同步進行的研究計畫。中國廣西核電廠的安全處理程序,是一個可以參考的範例~

廣西核電廠的安全處理程序

廣西防城港核電站,華龍一號機是中國自主研發的第三代核電,電廠安全防護體設計,必須能耐受相當於波音747飛機的撞擊。機體外採雙層安全壳,各為1.2米和1.5米厚度,內壁再加上一層6毫米厚鋼板。反應堆中的核燃料棒,都有包殻,以壓力容器置於藍色硼酸水中,硼酸水對於核輻射有很強的吸收和屏蔽作用。(硼酸可吸收中子數量,使核分裂連鎖反應停止。)

危機處理必需水源,除了引進海水外,還有備份水源。設計者為反應堆預設了三重各自獨立的保險裝置,如果發生水火災害時,,其中一列發生故障,仍有兩列可以立即接應。再考量到預防,萬一遭遇三列防護裝置都失去電源的狀況,又在外圍增設了五台柴油發電機。如果五台柴油發電機也故障?安全壳的頂部又加載了3000立方的水箱。再如果所有電源都失去時,水箱仍可因重力作用,繼續冷卻反應堆。

六種工作人員的身份卡上,都印製了安全操作規程。自主建立的"和睦系統"隨時監測核電廠運作情況,為保證安全性和穩定性,須透過上千道測試和鑒定,廠房環境去除靜電也是必須的。"和睦系統"有兩個關鍵指標,防止"拒絕操作率"和"誤動率"的發生,必須頻繁地不斷測試,主控室操作員須經過一百多種考試。

●處理核廢料的新技術

有些工業和醫療設備都會產生輻射源,在汰換過程就會成為低階核廢料,佔全台低階核廢料約10%。即使台灣沒有四座核能電廠,仍然會產生出低階核廢料。核電廠產生的高階核廢料也可以透過再處理,成為可供新式反應爐使用的核燃料。舊有核電廠的核燃料棒只使用了5%,還有 90%沒有用到,這90% 還可以再提煉再使用,成為下一代核能來源。鈾礦用盡後仍可繼續以核能發電提供清潔電力,因此核電廠產生的高階核廢料其實仍算是「資產」,而非「垃圾」。

目前核廢料提煉的技術已經成熟,而且再提煉的燃料已在世界各地使用,核廢料或核燃料仍是很值錢的,但在台灣卻被政治化,台灣的再處理技術是因受到阻礙而停止。分離鈾與鈽做成再生鈾,後續可再利用發電,而原有的核廢料體積僅剩1/5的玻璃固化廢棄物,台電曾在2015年編列112.57億元預算試辦,卻遭民進黨立委反對而刪除預算。

電漿物質團塊過濾器是一項創新技術,利用熱與電磁場將核廢料中最具毒性的放射物質驅逐出來射到玻璃製造機器中,然後,放射性元素物質與熔解的玻璃混合在一起倒入不銹鋼製作的桶罐內貯存。玻璃固化深埋可大量減少貯存所需空間。專家指出,國內核能議題背後的癥結是「不尊重專業」以及「缺乏科普教育」。

●核電安全的關鍵處

福島核電廠的反應爐是第二代產品,而且該廠的內部管理問題很大!1980年代中期,已有人斷言,一旦發生事故造成燃料棒過熱與熔毀後,日本核電廠使用的"馬克1型"反應爐爆炸的機率高達90%,日本方面很自信,始終沒有在意。

2011年3月11日,東日本大地震引發大海嘯,淹沒福島核電廠發電機室,損毀緊急柴油發電機,使冷卻系統停止運作,致反應爐過熱。發生事故第一時間,東電公司並未採取緊急措施灌入硼酸水,因為這樣會使反應爐全毀,行內人透漏,東電很可能是基於財損考量。

爐心完全熔毀後就無可控制,核電廠的蓄水罐之後又大量洩出放射性污水到海裡,至今也只能這樣處理,因此福島核災仍是"現在進行式"。東電任用許多並無核能知識的一般工人,擔任廠區維護工作,更令舉世大驚!
福島核災已可確定是人禍。

台灣和中國大陸的所有核電廠都是公營,維修和管理工作者都是專業人員。一旦遭遇危急狀況,首先考量的當然會是安全;而不是財損。中國大陸的核電廠比日本核電廠嚴謹甚多,燃料棒以壓力容器包殼,泡在硼酸水中,燃料棒一旦過熱會先燒毀包殼,硼酸水立刻淹沒,就會使核分裂連鎖反應停止。核災在這第一道措施中就已很難發生,後面的三道措施會用到的機率更是微乎其微。

目前全球運轉中的435部機組大多數屬第二代核反應器,台灣核一、二、三廠六部機組都屬於第二代反應器。目前全世界商用核反應爐大多採用的也都是第二代技術,2014年後才有10幾家採用第三代技術的新建核電廠出現,台灣的核四在全世界中仍算是較新型的。

●第四代核反應爐研發現況

核反應爐結構從第一代到第三代,均為輕水反應爐,在壓力容器中裝滿水,利用鈾發生核裂變,生成的能量產生蒸汽進行發電。

第四代改用釷熔鹽反應爐,使用的是在熔鹽液體中加入了釷和鈽的液體燃料。一旦發生爐心熔毀,熔鹽外洩,溫度會下降,熔鹽自動冷卻為固體不會繼續流動造成事故範圍擴大,而高溫反應也會自動停止。第四代反應爐有以下優點,半衰期已從數百萬年降至數百年。同樣數量的核燃料多產出100至300倍的能量。可利用現有核廢料產電。大幅改善運轉安全度。

在 ‎2011年福島核災後,世界各處第四代核反應爐的研發經費大量受到壓縮,僅比爾蓋茲的泰拉能源公司沒有停下腳步。也只有中國大陸一度停頓核能電廠研發進度後,又決定繼續快步趕上。位於中國山東的石島灣核電廠在這方面最先進,石島灣核電廠原採用中國自主發明的第四代"高溫氣冷堆技術",俗稱「快堆」的核反應爐。又和比爾蓋茲合作,再引進第四代核能發電新技術"行波反應爐"。山東石島灣核電廠2017年底建成發電後,是世界首座;也是目前唯一的第四代商用核電廠。



●結語

台灣的核工人才不斷流失,開發核融合技術要跟上?已經完全落空!

核四建廠三千億成本會計如果由「資產」轉列「資產減損」,臺電恐將破產!台灣的離岸風電不僅躉購費率高,而且保證收購20年,總費用江達2兆1000億,而且這是一種很易受氣候影響很不穩定的供電來源。中國大陸是全球太陽能最大市場,占全球比重超過一半,因效益有限,已經在「急踩煞車」。這時台灣卻在大力推動太陽能,希望藉以取代其他發電。台灣要在2025年達到非核家園的目標,至少需要2萬公頃的土地供太陽能發電,農地耕作面積已經很有限,這麼多土地要去哪裡找?

台商回流,需要更大量的電力供應,蔡政府的非核家園政策沒有一個可行的過渡計畫,眼前唯一能再增加供電的方法,就是增加火力發電機組了,全台民眾的健康已經賠下去,另方面,平均每個嬰兒一出生就已揹債104萬元,再這樣胡搞瞎搞下去,後果很可怕呀!



中國縮磁約束聚變實驗裝置「科大一環」,簡釋核融合。


中國核廢料處理技術


有誰推薦more
迴響(5) :
5樓. 玉米蘋果
2018/12/15 18:00

   這顯係是 "內行人的行話"。拍臉(清醒一下)

   贊同。

是經常閱讀得來的常識,非專業論述。 yusheng2018/12/16 18:14回覆
4樓. Catherine L
2018/12/10 09:28
要製造可以承受太陽核心温度10倍的機器怎麼可能?  早就熔掉了!
核融合反應爐的隔熱方法︰
核融合可達到所謂的一億度,是指加速粒子使其動能換算成溫度超過一億度,並不是真的把一個物質加熱到一億度。
但爐內的反應堆熱度仍極高,是利用甜甜圈型式的電磁場,將電漿封閉在反應爐環狀部份的中心,電漿是懸浮在真空中,不讓電漿碰觸到周圍的容器壁 面,可降低熱傳導作用。反應爐壁面則用鏡面耐熱金屬去除熱輻射。並使爐內保持負壓狀態,避免熱能洩出。圍繞的線圈維持在零下269度低温。
2016年,中國率先研製成功最核心的核融合材料部件,也就是必須能承受太陽溫度的D型環內壁材質。當然,用的是何種材質仍是技術機密,現在還不會公開。這種名為"HT-7U"的内外冷屏是超導磁体的熱屏障。 yusheng2018/12/10 15:19回覆
3樓. 方正平
2018/12/07 01:02
硼酸水溶液無色透明,並不是藍色。反應爐裡的水呈現藍色,是因為一種契忍可夫光的物理現象。
感謝進一步的解疑!盲目反核的人,不如先真正了解核能發電是怎麼運作的。 yusheng2018/12/08 18:06回覆
2樓. 安歐門
2018/12/06 10:28

風電、太陽能,科技水準遙遠,百分百自欺欺人,根本不敷成本,

(正如同那「高鐵」,明明虧死,還要硬騙,可憐全民買單。)

燃煤發電落伍至極,燃油燃氣發電重度污染,

台灣本來逃不了核電,封核四大錯特錯,

兩大黨一起敲響台灣經濟發展喪鐘,將來只剩發臭口水。

台灣近四年平均經濟成長率5.2%,同期間國民實質經常薪資平均年增率竟是「負0.2%」,亦即,受薪大眾的收入其實是在倒退的。
原因在於,自2005年起,政府把在外國設廠的台灣企業營收也列入GDP計算。從這件事就可見,兩黨都同樣在欺騙民眾! yusheng2018/12/06 11:46回覆
1樓. *Susan*
2018/12/05 22:37
這...大哥也懂 真是太厲害了!
退休後的主要消遣就是閱讀、寫作和鬼畫胡,多吸收點各類常識,下輩子也許還可用得上。想 yusheng2018/12/06 11:45回覆
發表迴響

會員登入