核能发电与辐射应用

1、核能發電與輻射應用 張似瑮國立清華大學核工所20081109永續能源與節能減碳科技主題課程系列 1侖琴發現X光台灣成立原子能委員會第一座研究用原子爐啟用運轉第一部核能電廠機組開始商業運轉發電、醫療、工業、農業和平應用2課程內容原子科學基礎核能發電輻射應用相關議題3原子科學基礎話說從頭認識輻射生活中的輻射4話說從頭1895 侖琴發現 X rays1896 貝克發現放射性1898 居禮首度分離出天然放射性元素釙和鐳1899 拉塞福發現阿伐()與貝他()粒子1905 愛因斯坦 E=mc21911 原子模型建立1934 人工放射性物質1945 原子彈5 輻射與原子的作用6輻射的分類游射：能量高，能使物

2、質產生游離作用 電磁射：加馬()射線、X 射線 子射：阿伐、貝他、中子、質子 非游射：能量低，不能使物質產生游離作用 紫外線、可光、紅外線、微波、達、 無線電波、短波、長波、長交電波 7游離輻射的分類8電磁輻射的能譜E=h9游離輻射的產生(1) 核種衰變阿伐 - decay貝他 - decay加馬 - decay10游離輻射的產生(2) 電磁力作用原子能階之變換X-射線： 制動輻射 或 特性輻射11游離輻射的產生(3) 粒子加速器同步輻射線性加速器12游離輻射的產生(4) 核分裂與核融合 核分裂235U + n FP1+ FP2 + 2.4 n 放射性分裂核種：85Kr、90Y、131I、13

3、7Cs 、.中子+ g + b + 2H + 2H 3He + 1n2H + 3H 4He + 1n 核融合13游離輻射的特性(1) 衰變 (Decay)放射性核種起始強度經過 T經過 TT: 半衰期 (Half Life)14游離輻射的特性(2) 衰減 (Attenuation)1516輻射劑量的定義 吸收劑量 ( 物質每單位質量吸收的能量) 1 格雷 (Gy) = 1 焦耳/公斤 等效劑量 ( 考慮不同游離輻射對人體組織的影響) 1 西弗(Sv) = 1 Gy x wR (輻射加權因數) 等價劑量 ( 考慮不同器官對輻射傷害的敏感度) 1 西弗(Sv) = 1 Gy x wR x wT (

4、組織器官加權因數) 17輻射劑量的定義- 加權因數WR= 1 for X, g, b, 電子 = 10 for 中子 = 10 for 高能質子 = 20 for a, 分裂產物器官或組織WTICRP-26ICRP-60性腺(生殖腺) 0.25 0.20紅骨髓 0.12 0.12結腸(大腸直腸) 0.12肺 0.12 0.12胃 0.12膀胱 0.05乳腺 0.15 0.05肝臟 0.05食道 0.05甲狀腺 0.03 0.05皮膚 0.01骨髓表面 0.03 0.01其餘部分 0.30 0.0518生活中處處可見游離輻射19生活中游離射的源天然輻射體外輻射：宇宙射線、地表及建物輻射體內輻射：

5、氡氣、人體內輻射(鉀-40)人造輻射 醫輻射、農工應用、民生消費品、 核爆塵、核能設施20高空飛行可能接受之宇宙射線劑量平地與高山可能接受之宇宙射線劑量天然輻射-宇宙射線21地表的土壤及岩石含有天然放射性核種。不同地區可能因地質型態之不同， 而具有度不同的地表輻射劑量。天然輻射-地表及建物輻射22人體體重約含0.2%的鉀，其中0.012%的鉀-40 鉀-40為 b 放射性核種。人類的食物來源中，魚、 蔬果、牛奶、肉類和五穀 也或多或少含有鉀-40。天然輻射-人體內輻射23密閉坑道、通風不良之居處環境，易造成氡氣濃 度之累積。富含鈾或釷礦床之地區，氡氣濃度也較高。天然輻射-氡氣 氡天然放射性氣體

6、(a核種)，為鈾和釷的子核種。地表土壤及岩石中都含有少量的鈾和釷，建材亦多為土壤和岩石之製品，氡氣因此長存於居住環境中，為天然輻射之最大來源。24類 別世界平均美 國日 本臺 灣宇宙射線0.360.280.380.27地表及建物0.410.280.290.55小計(體外輻射)0.770.560.670.82氡 等1.262.000.560.83鉀40等0.360.390.470.33小計(體內輻射)1.622.391.031.16合 計2.403.001.702.00世界各國的天然背景劑量聯合國原子輻射效應科學委員會(1993) 年劑量(毫西弗)25地區或國家名稱年劑量(毫西弗)2毫西弗的倍數

7、說 明伊朗Ramsar市63603180此等地區民眾癌症發生率與一般地區無明顯差異印度Kerrala區十個村莊平均 136.5巴西Espirito Santo0.93517.5大陸福建鬼頭山區平均3.8 最高1201.960世界各國的背景劑量26生活中的射27核能發電原子能的崛起核能發電原理核能電廠簡介我國核能發電現況28原子能的崛起1938Hahn, Strassmann, and Meitner 證實核分裂現象 1941Seaborg 發現鈽元素 1942美國成立曼哈頓計劃，由康普吞領導芝加哥大學成立冶 金實驗室，在費米領導之下，建造芝加哥反應堆一號。 12月2日下午3:25達到自持鏈反應

8、達28分鐘，人類從此步 入原子能世紀。 1943Oppenheimer 在 New Mexico 從事核子武器研究 1945第一顆鈽原子彈(胖子) - 長崎第一顆鈾原子彈(小男孩) - 廣島1954蘇聯建造出首座供應電力反應器 1956英國完成氣冷式反應器 - 首座核能電廠 1957美國核能電廠開始運轉 29我國原子能發展簡史 1955成立原子能委員會 1956清大成立原子科學研究所 1961清華水池式反應器(1MW)落成 - 我國首座反應器 1964清大成立核子工程學系 1968核能研究所成立 - 從事核能的基本及應用研究 1971核能研究所自行設計的龍潭微功率反應器達到臨界 1973核能研

9、究所的台灣研究用反應器達到臨界（1988年停機） 1974清華阿岡諾反應器達到臨界，並於1993年除役 1975清華設計的移動教學式反應器達到臨界 1978台灣第一部核能電廠機組開始商業運轉3031核分裂 235U, 239Pu 可產生核分裂反應 1eV=1.610-19 J；1MeV= 1.610-13 J100W = 100 J/s 3.1251012 fissions/s1g 235U 完全分裂 = 燃燒三千噸煤32核分裂 核能發電(1) 鏈反應(2) 中子減速(3) 控制中子數目(4) 移走核分裂產生的熱(5) 屏蔽33鏈反應 (chain reaction)中子誘發 235U 產生分

10、裂 放出2-3個中子；放出之中子又誘發其它 235U 產生分裂etc稱為鏈反應鏈反應每世代的間隔 msec增殖因數(k)k=1 臨界k1 超臨界34中子減速 慢中子( 150毫西弗/年) 不孕症 (卵巢劑量 200毫西弗/年)機率性效應：效應之發生無法事先預知包括：癌症 (風險為 6%/西弗) 遺傳病變 (風險為 1.3%/西弗)人生中自然癌症風險為25%。一年中若每天吸菸20支，其致癌機率相當於70-280毫西弗的劑量。全身年劑量若低於50毫西弗，基本上被認為是相當安全的。 輻射健康效應-長期低輻射傷害676869各種發電技術CO2排放量發電技術CO2 排放量 (公克/度電)燃煤966 13

11、06天然氣439 688燃油約 800水力4 236核能約 39生質能約 46太陽能60 410風力7 74地熱47 9770環保(反核)人士態度轉向綠色和平組織創始人（環保大將）Dr.Patrick Moore與紐澤西州長及環保署長等，共同成立潔淨安全能源聯盟，以推動潔淨、安全獨立的核能為創立宗旨。Dr. Patrick Moore直言：科學證據顯示，核能是友善環境而且安全的能源。如果美國核能發電能夠倍增，不但可以增加能源供給，還可以顯著降低溫室氣體排放。71核電 vs. 減碳OECD(經濟合作暨發展組織) ：核能是對抗全球暖化關鍵方法之一。聯合國：降低CO2排放最具經濟效益的方法，就是增加核能發電。瑞典民調：8