1、環境輻射與放射性廢棄物環境輻射與放射性廢棄物國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物葉宗洸葉宗洸工程與系統科學系工程與系統科學系 教授兼系主任教授兼系主任國立清華大學國立清華大學November 19th,2014於於當代科學傳播議題當代科學傳播議題 能源（二）核能議題之辨識能源（二）核能議題之辨識逢甲大學逢甲大學 行政二館行政二館205教室，台中市教室，台中市主要內容國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物v 輻射與生活輻射與生活v 核能發電核能發電v 核能廢棄物核能廢棄物v 第四代熔鹽式反應器第四代熔鹽式反應器v 結語結語國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射
2、性廢棄物輻射是甚麼？v 輻射（又稱放射線)就像光和熱一樣，都是一種能量，而這個能量是來自於小小的原子。不穩定的原子核為了要回到穩定的狀態，必須釋放出能量，這些能量會以電磁波或粒子的形態放射出來，這就是輻射。國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物輻射是甚麼？v 幾個相同的元素，原子核內的質子數目一樣，但是中子數目不同，就稱它們為這個元素的同位素。v 氫元素有三種同位素，分別是氫、氘、氚。其中氚是半衰期12.3年的放射性同位素。Source:http:/en.wikipedia.org/wiki/File:Protium_deuterium_tritium.jpg氫氫氘氘氚氚國立清華
3、大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物v 輻射強度會隨時間逐漸減弱放射性同位素的輻射強度會隨時間的增加而逐漸減弱。輻射強度每減少一半所需要的時間稱為半衰期。每一個放射性同位素各自有一個固定的半衰期。例如：國內發現的輻射鋼筋內所含鈷-60的半衰期為5.26年。v 放射性同位素的能量釋放是自動發生的反應放射性同位素藉能量的釋放讓自己變得比較穩定，能量釋放過程中產生游離輻射是一種自發反應，不能用物理或化學的方法去改變它。輻射是甚麼？國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物輻射是甚麼？v 依能量的高低，通常將輻射區分成游離輻射和非游離輻射。v 游離輻射游離輻射能量高，能使物質發生游離
4、現象的輻射，可區分為電磁波輻射，例如：X射線、加馬射線()粒子輻射，例如：阿伐射線()、貝他射線()、中子、高速電子、高速質子國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物輻射是甚麼？v 非非游離輻射游離輻射能量低，無法使物質發生游離現象的輻射。太陽光、燈光、紫外線、紅外線、微波、無線電波、雷達波、手機訊號波均屬非游離輻射。因此常見的生活用品，包括電燈、吹風機、吸塵器、微波爐、手機，在使用時都會釋放非游離輻射。國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物輻射是甚麼？v 不同的輻射有不同的穿透能力，而輻射依能量的不同而有不同的射線名稱。阿伐射線()：穿透能力最弱，一張紙就可以阻擋。
5、貝他射線()：穿透能力稍強，但仍無法穿透鋁板。X或加馬()射線：穿透力最強，需要適當厚度的混凝土或鉛板才能有效地阻擋。國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物輻射的來源v 輻射的來源分為天然和人造兩類。v 天然與人造輻射的比例台灣地區民眾所接受的輻射，天然輻射約佔50%，民眾每年接受的天然輻射劑量約1.6毫西弗。人造輻射亦佔50%。國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物輻射的來源v 天然輻射源 來自太空的宇宙射線生活中最大的輻射源就是太陽；地勢愈高，宇宙射線也愈強。地表輻射地表的土壤和岩石含有天然放射性核種（鉀-40、鈾-238、釷-232等)所產生之輻射。空氣中的氡
6、-222氡氣是一種天然的放射性氣體，是天然輻射的最大來源，從體內、體外使人體接受輻射劑量。人體體內輻射人體體內自然存在的放射性核種。例如：人體筋肉含放射性的鉀-40，愈年輕有力者含量愈高。國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物輻射的來源v 人造輻射源 醫療輻射醫療診斷為人造輻射的主要來源(佔35%)，包括X光檢查、電腦斷層掃瞄、正子攝影、癌症放射治療等含放射性物質之消費性產品最常見的是香菸，還有住家、辦公場所必備的煙霧偵測器 核爆落塵核武爆炸所產生的落塵會任意散布至我們的生存環境中，將持續嚴重危害地球生態。核能發電大家關心的核能發電，每年所造成的輻射劑量比例不到0.1%。國立清華
7、大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物輻射與生活v 輻射劑量 不同種類的輻射(阿伐、貝他、加馬、中子)照射人體的組織或器官，會造成不同程度的影響；輻射劑量是用來表示輻射對人體的影響程度，它的單位是西弗，簡寫成 Sv。輻射單位換算1 西弗=1,000 毫西弗 =1,000,000 微西弗1 毫西弗 =1,000 微西弗國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物輻射與生活v 輻射的限值 台灣地區天然背景輻射之平均值大約是0.10.2微西弗/小時之間，台灣民眾平均一年接受天然輻射劑量約1.6毫西弗，低於世界的平均值(2.4毫西弗)。依據我國的游離輻射防護安全標準規定，不含天然輻射劑量
8、狀況下，一般人每年接受劑量限度不得超過1毫西弗(1,000微西弗)。一般而言，照一次胸部X光所接受的輻射劑量大約是20-50微西弗；每天抽30支香菸一年累積的劑量甚至高達13,000微西弗。國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物輻射與生活v 一般人於日常生活中接受的天然與人工輻射劑量，可參考右圖得知。v 即使在核能電廠廠界範圍內，年劑量值(0.015毫西弗)仍然非常低。Source:財團法人核能資訊中心財團法人核能資訊中心國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物輻射與生活v 輻射對人體的影響資料來源：刑事雙月刊，資料來源：刑事雙月刊，March-April，2008年
9、，第年，第60頁頁國立清華大學 工程與系統科學系核能發電系統v 核能發電的方式與石化燃料發電的方式類似v 核能電廠不等於原子彈（鈾與鈽、濃化度的差異）Source:http:/www.nrc.org發電機發電機汽輪機汽輪機控制棒控制棒壓力槽壓力槽冷凝器冷凝器圍阻體圍阻體環境輻射與放射性廢棄物國立清華大學 工程與系統科學系核能的原理鈾原子鈾原子中子中子鈾同位素第 一 代 中 子第 一 代 中 子第 二 代 中 子第 二 代 中 子第 三 代 中 子第 三 代 中 子v 核能是中子撞擊鈾（U）原子，並使其分裂後所產生的能量(因為E=mc2)，期間並會伴隨輻射的產生。環境輻射與放射性廢棄物國立清華大
10、學 工程與系統科學系核能發電的特點v 核能發電不會排放二氧化碳或其他溫室氣體，因此屬於低碳的能源v 核能的發電效率與石化燃料發電效率相當v 現有核能技術的和平應用仍面臨核能廢棄物處置（Nuclear Waste Disposal)的問題環境輻射與放射性廢棄物國立清華大學 工程與系統科學系核能廢棄物的分類v 核能廢棄物可依據其輻射強度及來源區分為低階放射性廢棄物及兩種高階用過核燃料。v 低階放射性廢棄物的輻射強度較弱、其中的放射性同位素半衰期較短，主要來源有核電廠的汙染物及過濾用的濾心、醫療設施產出的廢棄物、工業廢棄物如淘汰的煙霧偵檢器等。v 高階用過核燃料的來源主要是核能電廠於每個燃料週期結束
11、後，從爐心移出之用過燃料匣。環境輻射與放射性廢棄物Source:http:/en.wikipedia.org/wiki/Spent_nuclear_fuel國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物用過核燃料中的放射性同位素v 部分放射性核種的半衰期可以長達數十萬年Source:http:/en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fuel_cycle國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物用過核燃料的處理方式v 用過核燃料剛從反應器退出時，其中的放射性同位素有很高的輻射強度及熱量，必須先貯存於廠內的用過核燃料池中冷卻，待其放射性及熱量衰減後，再進行後續
12、處理。v 由於用過核燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源，而僅含百分之三的高放射性廢棄物，因此是否將其視為廢棄物而直接處置，各國有不同的選擇。v 國內現行管理策略為近程採廠內水池貯存、中程以廠內乾式貯存、長程推動最終處置。v 用過核燃料與放置在蘭嶼的低階放射性廢棄物是完全不同不同的。國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物用過核燃料的處理方式NAC Internationalv 乾式貯存：將用過核燃料置於金屬容器內並填充惰性氣體後加以密封，藉由空氣的自然對流冷卻，外部有混凝土護箱來保護金屬容器並降低輻射劑量。v 乾式貯存因具有先天安全特性、燃料不易腐蝕也不會產生二次廢棄物及發生輻射洩
13、漏等因素，已廣為世界各國核能電廠所採用。國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物用過核燃料的處理方式v 廠內水池貯存容量不足時，一般均以乾式貯存行之。v 目前全世界營運中的用過核燃料乾式貯存設施共有123座，分布於22個國家(美國69座、德國16座等)，乾式貯存是目前國際間普遍採行的做法。Connecticut Yankee國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物用過核燃料的處理方式v 乾式貯存已證明是相對簡單且具有先天安全的用過核燃料貯存方式，正常貯存周遭輻射劑量接近天然背景，意外時亦不可能發生大量輻射洩漏。v 日本福島電廠亦有一座乾式貯存場，經地震海嘯衝擊之後，乾式
14、貯存場經檢查確認並無異常。福島事件證實，相對於濕式水池貯存，乾貯系統具絕佳的安全性。v 用過核燃料中尚具有大量可再利用的能量，它是資源或廢棄物有待觀察，乾式貯存可輕易延長40年或更長的決定時間，是目前用過核燃料最佳的處置方式。國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物用過核燃料的處理方式v 除了貯存之外，用過核燃料難道真的無法處理了嗎？v 有沒有辦法可以把它們燒掉或分解掉？v 俄羅斯科學家以美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL)的熔鹽式滋生反應器（Molten Salt Breeder Reactor,MSBR)為基礎，發展出 MOlten Salt Actinide Recycler&T
15、ransmuter(MOSART)系統，使用輕水式反應器的用過核燃料（超鈾元素如Np,Pu,Am,Cm,Cf等)為其燃料，成為一舉兩得的熔鹽式反應器（Molten Salt Reactor,MSR)。v 熔鹽式反應器屬於第四代核反應器。國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物v 第四代(Generation IV)核反應器的設計概念著重於減減少用過核燃料產量少用過核燃料產量、增加電廠發電效率增加電廠發電效率、提升電廠運提升電廠運轉安全、限制核擴展轉安全、限制核擴展，目前有六種不同的反應器設計。第四代核反應器Source:http:/www.realscience.org.uk/ge
16、neration-IV-nuclear-reactors.html國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物第四代核反應器的特色國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物Source:http:/www.gen-4.org/Technology/systems/MSR.htm熔鹽式反應器國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物v 冷卻劑及燃料都是使用熔融態的氟化鹽類（如FLiNaK、FLiBe)，與使用固態燃料的反應器相較簡化許多。v 具有被動緊急爐心冷卻系統，如發生洩漏液體的熔鹽會固化而阻止後續繼續洩漏，避免更嚴重的後果。v 常壓下運作，即使發生事故放射性物質
17、釋放到環境的驅動力相對較低，增加安全性。熔鹽式反應器的安全性Source:Sherrell R.Greene.“Molten salts reactors:Technology History,Status and Promise”,ORNL(Oct.23,2001).國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物v 可進行線上燃料純化及更換v 可以輕水式反應器的用過核燃料做為新燃料的來源，進而消耗其中的Pu、Am、Cm、Cf、Np等長半衰期之超鈾放射性同位素，有效減少用過核燃料的總量v 不須額外製備核燃料v 可使用釷做為燃料熔鹽式反應器的特色Source:Sherrell R.Gree
18、ne.“Molten salts reactors:Technology History,Status and Promise”,ORNL(Oct.23,2001).國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物熔鹽式反應器的特色Source:S.Delpech,E.Merle-Lucotte,D.Heuer etc,Journal of Fluorine Chemistry 130(2009)1117國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物v 反應器操作溫度高（可達800 oC)，有利於製氫。v 可從熔鹽中提煉出放射性同位素鉬-99（99Mo)，其衰變產物鎝-99m（99m
19、Tc)也是放射性同位素，為一種廣泛使用的核醫追蹤劑。熔鹽式反應器的其他優點Source:http:/en.wikipedia.org/wiki/Tc-99m國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物v 高溫的氟化物熔鹽具有強腐蝕性，傳統的鎳基超合金與不銹鋼材料均面臨挑戰，新材料的開發將是重要課題。v 含有鈹（Be)元素的熔鹽在高溫下會產生不具放射性之劇毒氣體，其安全性須審慎評估。v 液態燃料使用完畢後較難以做總量管制。用過核燃料相當於經歷過再處理之過程，具有核武擴散之疑慮。v 使用釷-鈾燃料的熔鹽式反應器雖可產出鈾-233（T1/2=159,200 y)，但也同時製造出長半衰期之放射
20、性同位素，與如鏷-231（T1/2=32,760 y)；並產出鈾-232（T1/2=69 y)，此同位素的衰變鍊是一連串的高能量加馬射源，毒性非常強。熔鹽式反應器的缺點國立清華大學 工程與系統科學系未來的能源之星核融合v 核融合（Nuclear Fusion）是人類能源的最終解決方案，也是最友善環境的永續能源。太陽本身即是一座規模極大的核融合反應器太陽本身即是一座規模極大的核融合反應器典型的核融合反應，氘和氚經融合典型的核融合反應，氘和氚經融合後釋放出氦後釋放出氦、中子以及巨大能量中子以及巨大能量環境輻射與放射性廢棄物國立清華大學 工程與系統科學系未來的能源之星核融合Source:http:/
21、blog.livedoor.jp/chamapolice/archives/25617444.html環境輻射與放射性廢棄物v 日本在近期成功完成超高溫的核融合試驗，操作溫度達到1億5000萬度。國立清華大學 工程與系統科學系能源科技發展的困境v 使用石化能源所造成的溫室效應與全球暖化問題正快速地影響地球上所有生物的生存。v 核分裂方式產出的核能亦存在低階放射性廢棄物貯存的選址問題。v 高階用過核燃料的減量，可以在熔鹽式反應器建置完成後獲得有效解決。v 如果目前的能源使用方式沒有任何變化，遠在核能廢棄物數量大至影響我們生活之前，所有生物的生存即可能因暖化問題而面臨嚴重威脅。v 核融合技術還有待
22、進一步的研究。v 現階段再生能源亦存在價格、效率與穩定性的問題。環境輻射與放射性廢棄物國立清華大學 工程與系統科學系能源科技發展的困境環境輻射與放射性廢棄物每度電平均電價每度電平均電價200620122013德國8.35 NTD10.90 NTD12.22 NTD台灣2.8 NTD2.8 NTD2.8 NTD核電發電佔比核電發電佔比200420112012人均年所得人均年所得德國28%18%44,000 USD台灣20%19%20,000 USD國立清華大學 工程與系統科學系能源科技發展的困境環境輻射與放射性廢棄物v 德國大力發展的再生能源中，風力發電與太陽能發電已逐步出現問題，這些已納入電網
23、的小型供電系統，因供電品質不穩定，導致跳電事故頻傳，。2011年當年度德國全國出現多於20萬次萬次且時間超過超過三分鐘三分鐘的停電。國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物能源安全的問題核一廠除役核一廠除役 核二廠除役核二廠除役 核三廠除役核三廠除役林口、通霄、大林等火力電廠陸續完成更新擴建計畫林口、通霄、大林等火力電廠陸續完成更新擴建計畫v 台灣地區電力備用容量率正逐年下降中國立清華大學 工程與系統科學系環境輻射與放射性廢棄物再生能源與核能的合作v 我國98%以上的能源皆仰賴進口，穩定的能源供應關係到國家未來的永續發展。v 在再生能源的問題未獲得有效解決之前，透過核能安全的強化與監督，核能廢棄物的妥善處置，我們可以在台灣創造一個低碳家園，善盡地球公民的責任。v 我們可以在現階段暫時使用核能，待再生能源技術發展成熟且供電效率提升且穩定之後，再逐步改用再生能源。國立清華大學 工程與系統科學系節約能源救地球v 為了人類的永續生存，我們必須從現在就開始協助解決溫室效應與全球暖化問題。v 不管我們使用那一種低碳能源，真正有效的工具是節約能源。多吃素、少吃肉，也是救地球的一種方式。環境輻射與放射性廢棄物國立清華大學 工程與系統科學系謝謝大家！環境輻射與放射性廢棄物
