1、E=MC2產業現況與未來發展廖俐毅2007年3月15日1.簡介:1.1 發電方式簡介 水力、火力、核能發電 再生能源發電 太陽能發電 光電池 集熱板將水加熱產生蒸汽,推動汽輪機發電 將水分解為氫與氧兩種氣體,再用氫發電 風力發電 海水溫差發電 利用特殊氣體（如氨氣）遇冷變液體,遇熱變氣體特性,推動氣輪機發電 地熱發電 地熱使地下水變成蒸汽,推動汽輪機發電1.1 發電方式簡介核能發電與火力發電非常相似，只是燃料不同核能發電與火力發電非常相似，只是燃料不同1.2 核能發電工作原理原子與原子核 1 Angstrom=0.1 Nanometer=10-10m1.2 核能發電工作原理質能互轉1.2 核能
2、發電工作原理利用質能互轉釋出能量E=MC292 p+143 n-Uranium-235+(235x7.6)Mev 92 p+143 n-Fission Products A and B+(235x8.5)Mev Uranium-235-Fission Products A and B+210Mev1.2 核能發電工作原理核分裂與連鎖反應 1.2 核能發電工作原理核分裂產物1.2 核能發電工作原理臨界質量 核分裂時第二代與第一代中子數的比稱之為增值係數.增值係數等於一時稱為臨界,此時鈾-235的質量稱為臨界質量.鈾-235的臨界質量因材料之組成與佈置不同,可從小於1公斤到大至約300公斤.前者如
3、濃縮度約為90%的鈾鹽溶液系統,後者如天然鈾和石墨組成的反應堆.1.2 核能發電工作原理緩和劑快中子核分裂產生的中子能量很高,稱之為快中子慢中子快中子與周圍材料碰撞,喪失能量而成為較低能量的中子,稱之為慢中子.快中子的能量約為慢中子的4千萬倍.緩和劑由於慢中子較快中子容易使鈾-235產生分裂,因此在熱中子反應器中放置一些易使中子減速且不太吸收中子的材料,如水、石墨、重水、鈹等,稱之為緩和劑快中子與緩和劑碰撞,就好像撞球台上,母球碰撞子球後將能量傳給子球快中子反應器使用高濃縮燃料,不需要緩和劑1.2 核能發電工作原理1.2.1核子反應之控制 遲發中子 核分裂時放出中子的時間不盡相同,遲發中子的存
4、在使中子倍增的時間增長,有利於控制 瞬發中子 10-14秒內放出,佔全部的99.35%遲發中子 幾分鐘內陸續放出,佔全部的0.65%控制棒系統 注硼系統1.2 核能發電工作原理1.2.1核子反應之控制溫度效應燃料的溫度效應：核燃料的溫度係數是負的.當溫度上升時,鈾-238的吸收中子能力會增加,使得可供鈾-235產生分裂反應的中子數減少,阻止溫度繼續升高,具有自穩性緩和劑的溫度/空泡效應-當溫度上升或空泡增加時,參與分裂反應的中子數可能增加或減少.車諾比爾事故其爐心設計在功率低於20%時,空泡係數為正係數是負的就好像開車上陡坡1.2 核能發電工作原理1.2.2核能電廠不同於原子彈目的不同使用原子
5、彈目的是瞬間釋出巨大能量，用於軍事上毀滅敵人。核能電廠目的是作和平用途，造福人類。原料濃度不同原子彈含鈾-235濃度達90%以上，在不加以控制的情況下，於極短的時間(小於百萬分之一秒)內將能量全部釋放出來產生爆炸。核能電廠採用濃度約3%的鈾-235作為核燃料，並採長時間、細水長流的方式慢慢釋放出能量，無法像原子彈般的產生瞬間爆作。設計不同原子彈有引爆裝置。核能電廠沒有引爆裝置，而且藉著核燃料的自穩性以及控制系統，緩慢逐步的放出能量，不會像原子彈一樣爆炸。1.3 核能發電之優缺點 核能發電之優點 No greenhouse gas emissions(during normal operatio
6、n)-greenhouse gases are emitted only when the Emergency Diesel Generators are tested(the processes of uranium mining and of building and decommissioning power stations produce relatively small amounts)Does not pollute the air-zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide,s
7、ulfur dioxide,aerosols,mercury,nitrogen oxides,particulates or photochemical smog Small solid waste generation(during normal operation)Low fuel costs-because so little fuel is needed Large fuel reserves-(e.g.,in Canada and Australia)again,because so little fuel is needed Nuclear Batteries-(see SSTAR
8、)準自產能源核能發電之優點No greenhouse gas emissions 核能發電之優點No greenhouse gas emissions目前全球最嚴重的環境議題，就是溫室氣體排放所造成的全球氣候變遷。如何抑制二氧化碳產量，就是所有國家最優先的課題。所有能源中除水力發電外,就是核能與風能產生的二氧化碳最少！燃煤是核能的63倍，天然氣是核能的32倍。核能發電每年為我國減少3,000萬噸排放，幾乎減少13%的CO2排放。每年替社會節省3,940億的碳稅，如果少了核能，我國恐怕不可能達到減量目標。核能發電之優點Low fuel cost-USAAverage Electricity Pr
9、oduction Costs(cents/kWh,2001 dollars)Year Nuclear Coal Gas Oil1981 2.38 3.97 6.66 10.811982 2.664.06 7.27 10.191983 2.86 3.97 7.40 9.441984 3.17 3.80 7.33 9.581985 3.09 3.70 6.98 8.841986 3.30 3.49 5.11 5.491987 3.403.21 4.54 5.811988 3.31 2.99 4.37 4.761989 3.23 2.83 4.34 5.001990 2.97 2.74 4.19 5
10、.531991 2.80 2.64 3.86 4.581992 2.73 2.50 3.86 4.431993 2.64 2.41 4.13 4.181994 2.39 2.293.54 3.921995 2.30 2.19 3.14 4.811996 2.17 2.09 3.83 5.211997 2.20 1.983.81 4.041998 2.09 1.92 3.28 3.161999 1.901.914.153.202000 1.811.855.855.432001 1.681.806.084.93Source:RDI/EUCG for Nuclear Costs,RDI/UDI fo
11、r Fossil Fuels核能發電之優點Low fuel cost台電利息利息0.0181元元 2.89%後端後端0.1700元元27.16%維護維護0.1181元元18.86%其他營運其他營運0.1447元元23.12%燃料燃料0.0993元元15.86%折舊折舊0.0758元元12.11%95曆年核能發電成本分析曆年核能發電成本分析(每度發電成本0.6260元，含人事費用及總處分攤費用)核能電廠除役費用核電廠除役費用，依美國核管會NUREG-1628建議值，BWR為2.9億美元，PWR則為3.7億美元拆廠廠費用Trojan (1130MW-PWR)2.10億美元(1993)Shoreha
12、m (849MW-BWR)1.86億美元(1995)Haddam Neck(619MW-PWR)3.44億美元(1996)Main Yankee(830MW-PWR)2.75億美元(1997)台電現役六部機除役基金為700億台幣，相當於美金20.6億元，與美國建議值相當除役後，廠址可以復原再利用核能發電之優點Low fuel cost 燃料價格上漲對核能發電成本之衝擊很小核能發電之優點準自產能源 鈾燃料體積小，發電量大，一顆香煙濾嘴大的鈾燃料可以提供一家三口一年所需的電力。核能發電廠每年所需填換的鈾燃料數量非常有限，例如核四廠每年需要的鈾燃料約81公噸，運輸便捷，儲存方便。如果以煤替代，則需進
13、口煤約570萬公噸，以油替代約需380萬公噸，以天然氣替代約需271萬噸，不僅運儲費事，且在世局動盪下，更難確保供應穩定。核燃料在核電廠的儲存量包括爐心的部份約可供三年使用，而燃煤及燃油電廠燃料存量則僅三個月，可見核能發電在燃料供應上遠比燃煤或燃油的火力電廠為安全，因此被視為準自產能源。由於鈾燃料的來源穩定，對於自產能源不足，新能源尚未發展成熟，須以能源多元化政策分散風險的台灣而言，核能可減低能源危機的衝擊。核能發電之優點準自產能源1.3 核能發電之優缺點核能發電之缺點Risk of accidentsRisk of accidents-the most well-known example
14、of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant,the worst nuclear accident in history.Nuclear wasteNuclear waste-high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of years.Reprocessing can extend the life of the fuel to a limited extent,but creat
15、es its waste,and can not be carried out indefinitely 1.3 核能發電之優缺點 核能發電之缺點 Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs,aiding nuclear proliferation Security concerns High initial costs High energy inputs during construction(equivalent to 7 years power output)High maint
16、enance costs High cost of decommissioning plants Thermal pollution-Like fossil-fueled power plants,nuclear reactors emit thermal pollution Finite fuel source-Nuclear fuels depend on mined uranium,a finite resource 核能發電之缺點 Risk of accidents 伴隨分裂所產生的輻射線 伴隨分裂所產生的熱量 著名核能電廠事故 三哩島事故 車諾比爾事故 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反
17、應器的設計理念及特性，與西方國家及我國核能電廠所使用的輕水式反應器有極大的差異。類似車諾比爾災變的事故不可能發生於使用輕水式反應器的核能電廠核能發電之缺點 Nuclear waste high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of years 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識。用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體先以最耐腐蝕的金屬容器包覆，外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物，再把處置場設於堅固完整、深達數百公尺的地下母岩（host rock）中。層層保護之下，放射性物質可以安穩的儲存
18、在地下深處數萬年，靜待放射性消失。1.3世界核能發電近況 1957年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生 全球32個國家，有435座核反應機組在商業運轉中、計畫與興建中的電廠60座提供全球16%的電力 美國是消耗最多電力的國家，總發電量佔全球發電量的1/3，核能在美國佔了20%在歐洲，大部分的國家都倚賴核能發電為主要電力來源，像是立陶宛有81%，法國有78%，整個歐洲有1/3的電力來自核能發電。2002年5月，芬蘭不再反核，宣布建造新的第5座核能機組。瑞典無限期延後關閉該國核能電廠計畫。義大利考慮重新啟動關閉的核能機組；瑞士更在2003年5月以公民投票方式，正式否決提前關閉核能電廠與非核政策。1.
19、3世界核能發電近況1.3世界核能發電近況Canada Canada 63,598China China 32,535IndiaIndia 83,728IranIran 1 950JapanJapan 3 3,696Korea DPRKorea DPR 1 950Korea ROKorea RO 2 3,820 RomaniaRomania 1 650 Russia Russia 65,575 TaiwanTaiwan 22,700UkraineUkraine 2 1,900 TOTAL TOTAL 35 28,087 35 28,087 Country Country UnitsUnits T
20、otal MWeTotal MWe各國核能電廠興建狀況2003年5月大陸核能發展概況8部機已運轉、3部機建造中秦山一期1 300MW 1991廣東一期2 950MW 1994/5秦山二期2 600MW 2002/3廣東二期2 1000MW 2002/3秦山三期2 728MW 2003/3江蘇田灣2 1060MW 2004/5總計共8976MW(9GW)中國核能發展概況16部機計畫中秦山四期2 1000MW廣東陽江6 1000MW浙江三門2 1000MW江蘇田灣2 1000MW福建惠安2 1000MW山東海陽2 1000MW總計 16 1000MW(16GW)中國核能發展概況1.4我國核能發電近
21、況9595年核能機組營運績效年核能機組營運績效l供電量：供電量：383.17億度億度（歷年次佳（歷年次佳）l容量因數算術平均值：容量因數算術平均值：88.93%（歷年最佳歷年最佳)l自動急停：自動急停：2次次/六部機六部機（歷年次佳（歷年次佳）l異常事件：異常事件：12件件/六部機六部機l違規：違規：7件件/六部機六部機l低放射性固廢產量低放射性固廢產量：六部機共：六部機共327桶桶(歷年最佳歷年最佳)l單位發電成本單位發電成本 0.626元元/度度(歷年最佳歷年最佳;各類發電成本最低各類發電成本最低者者)l核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過400天天;二
22、號機第二號機第21次燃料循環末大修次燃料循環末大修35.88天，創核一廠最佳紀錄天，創核一廠最佳紀錄l核二廠連續四年無跳機核二廠連續四年無跳機l核三廠二號機第核三廠二號機第16次燃料循環末大修次燃料循環末大修33.37天，創本公司核天，創本公司核能機組最佳紀錄能機組最佳紀錄核能發電量與容量因數核能發電量與容量因數發電量發電量(億度億度)容量因數容量因數()CFCF算數平算數平均均CFCF加權平加權平均均毛發電量毛發電量淨發電量淨發電量歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖圖次數次數註1註1註1註：註：1.斜體字部份，為輸電系統故障、颱風、地震等非電廠因素之急
23、停次數。斜體字部份，為輸電系統故障、颱風、地震等非電廠因素之急停次數。2.95年年12月月26日恆春大地震，核三廠二號機因主汽機與反應爐冷卻水泵高振動警報出現依據保守性決策手動急停，日恆春大地震，核三廠二號機因主汽機與反應爐冷卻水泵高振動警報出現依據保守性決策手動急停，不列計。不列計。註1註1註1註2-40-歷年核電廠異常事件統計歷年核電廠異常事件統計圖圖件件數數核一廠核一廠核二廠核二廠核三廠核三廠187209140134997978466862284625241867912運轉中核能電廠類型 輕水式反應器 沸水式反應器(核一、二廠)壓水式反應器(核三廠)進步型沸水式反應器(核四廠)重水式反應
24、器 氣冷式反應器 石墨緩和輕水式反應器 快滋生式反應器沸水式與壓水式核能電廠沸水式反應爐壓水式反應爐沸水式反應器壓水式反應器認識核燃料 良好的可分裂材料 鈾-235,鈾-233,鈽-239,鈽-241 只有鈾-235在自然界存在,其他核種則須由釷-232或由鈾-238吸收中子轉化而來 鈾在自然界的三種同位素 鈾-234 原子百分比：0.01%鈾-235 原子百分比：0.72%鈾-238 原子百分比：99.27%核燃料循環 封閉式核燃料循環 用過核燃料運往用過燃料再處理廠,再經提煉,將燃料中剩餘的鈾,以及轉化生成的鈽,重複回收使用 開放式核燃料循環 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終
25、處置,不再提煉回收使用採礦與精煉採礦與精煉濃縮 最關鍵也最具政治、軍事敏感度的技術 六氟化鈾-濃縮六氟化鈾（3-5%鈾-235）電磁分離法 氣體擴散法 氣體離心法新燃料沒有輻射核能發電安全 安全原則 深度防禦 設計力求完善與保守 製造施工遵照嚴格品保制度 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置 異常時備有保護系統 單一失效 多重性、多樣性 失靈保安 隔離 多重的反應爐停機設計多重的反應爐停機設計當偵測到可能危及機組危及機組的安全時，保護系統會自動啟動急停的保護功能，停止核分裂的繼續發生。有兩重的停爐設計:第一重:控制棒控制棒能在2秒內將控制棒插入反應爐，中止核分裂的反應採用失靈安全失靈安全的設
26、計第二重:備用硼液系統備用硼液系統若發生控制棒無法插入控制棒無法插入反應爐的情況時，可藉由硼液注入反應爐，達到停機目的多重的電力設計確保電廠的安全 核能電廠在正常的運轉時，與兩種外電系統相連345kv與161kv 若喪失外電時，多套的安全系統可由各自的柴油發電機與直流蓄電池供電 為了確保柴油電力的可用性，每部機組另各裝置一部共用的柴油發電機 為了防止天災(如颱風)等線路不穩定而影響廠內的電力供給，另裝置兩部50MW的氣渦輪機。可做為系統電力的緊急調度用。多重停機多重停機的控制盤主控制盤裝置於主控制室做為正常機組的起動/停機的操作與緊急事故發生時的各種操作搖控停機控制盤裝置於搖控停機室當發生主控
27、制室必需撤離的情況(如控制室火災)時，可進行機組安全停機的操作重要設備分別安置於不同的位置重要設備分別安置於不同的位置核能電廠中，會將重要設備分別安置在不同場所，以避免火災或其它意外事故，同時毀壞重要設備，使反應器的安全受到危害防止人員誤操作與設備誤動作的設計防止人員誤操作與設備誤動作的設計設備的設計是以人因考量人因考量。如:重要電廠狀況資訊集中控制室，操作人員易於掌握重要機件的設計採失靈保安為當系統的組件發生故障時，只會影響到電廠的持續運轉，不會使電廠的安全受到威脅，而將機組保持在安全的狀態。如控制棒的電源失效時，會使控制棒插入反應爐，將機組停機。連鎖邏輯為當運轉人員操作錯誤時，監控系統會自
28、動阻止錯誤的進一步發生，例如誤選要抽出的控制棒時，連鎖邏輯會產生阻止抽出的信號核能發電安全 異常事件與假想事故安全分析 初期安全分析報告 終期安全分析報告 以核四為例共20章5個附錄 第15章為異常事件與假想事故安全分析 附錄A為安全度評估 核能發電安全 多重失效的防範 安全度評估 事件樹 故障樹 人為失效的防範 人因工程 模擬器 緊急操作程序書 安全度評估安全度評估核能電廠對地震的考量核能電廠對地震的考量 (1)(1)制定安全停機地震值調查以廠址為中心三百二十公里半徑內的地震歷史及地質資料，據以訂定廠房的安全停機地震標準 避開活動斷層調查確證廠址範圍八公里內無長度大於三公尺之活動斷層，以避免
29、地震對核能電廠潛在的威脅 廠房基礎均須建造在岩盤上岩盤對於地震波有抑減作用，地震波傳到岩磐時，強度將衰減為1/3核能電廠對地震的考量核能電廠對地震的考量 (2)建築結構對稱配置耐震性考量水平(東西與南北向)與垂直向的三向地震力一般建物只考量單向水平地震力 管路使用減震器用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂緊急應變計畫 萬一種種安全系統及防範措施仍無法有效阻止放射物質外洩時，為保護民眾避免受到傷害，所採取的後備措施 內容：確立執行的相關組織、權責、作業流程 訂定緊急計畫區 訂定防護行動準則 掩蔽、疏散、分發碘片 研定疏散計畫 疏散道路規劃 氣象資料蒐集 大器擴散輻射劑量快速評估 環境輻射偵測規劃
30、緊急通告系統 定期演習放射性廢棄物之分類 依放射性強度 低階放射性廢棄物 中階放射性廢棄物 高階放射性廢棄物 依物理型態 放射性氣體 放射性廢液 固態廢棄物放射性廢棄物之分類固態廢棄物 濕性固態廢棄物 過濾殘渣、濃縮廢漿、離子交換樹脂 乾性固態廢棄物 污染防護衣、手套、鞋套、面具、塑膠及橡膠防護墊等及更換下的污染幫浦、管閥、軸封、軸承及工具等 通常再細分為可燃與可壓廢棄物，經焚化、壓縮處理後，以減少廢棄物的體積低階廢料內容及廠內儲存台電公司歷年低放射性固化廢棄物產量趨勢台電公司歷年低放射性固化廢棄物產量趨勢圖圖桶桶年年低放射性廢料處置場 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場 選擇良好地質的地點
31、以厚達1 2公尺的鋼筋混凝土窖作為基礎建築，將廢料桶（廢料以堅固的水泥固化）置於其中 再襯以有極佳吸水阻絕與核種吸附能力的黏土族礦物（如膨潤土、沸石或高嶺土等），封上厚重的混凝土上蓋，再回填1 2公尺厚的黏土 整個設施壽命一般要求300年 低放射性廢料中壽命最長的核種是銫-137，300年後它的強度只有原來的1/1,000 低放射性廢料中輻射最強的鈷-60，300年後只有原來強度的300億億分之一（4.310-18）。這種輻射強度根本不會對任何生物產生影響高階放射性廢棄物之處理與處置 用過核子燃料從反應器退出時，具有較高之放射性及熱量，須在反應器廠房內的燃料池中冷卻 用過核子燃料可經再處理回收
32、鈾與鈽等有用資源 目前燃料再處理不具經濟競爭力 我國用過核子燃料管理策為近程採廠內燃料池貯存，中程進行乾式中期貯存，長程推動最終處置 對於高放射性廢棄物的最終處置，國際間一致採行深地層處置的方式用過核子燃料儲存於用過燃料池用過燃料中期乾式儲存我國待處置用過核燃料 我國用過核燃料 核能發電40年所累積之所有用過核燃料總重為7,200噸，體積不超過1,000立方公尺，大概等於1棟30坪3層樓的小公寓 我國所有用過核燃料（含核四）總共約2.82噸的鈽-239 用過核燃料的放射性強度高，但絕大部分屬於非常短命的分裂產物（fission product），輻射強度會快速的降低。如果剛從反應爐退出來的核燃
33、料總活度是1，30天之後剩下1/16(6.4%)；1年後，剩下1/75(1.3%)；10年後，就只剩下1/454（0.22%）高放射性廢料隨時間衰變情形 如果把用過核燃料中鈽、鈾等元素萃取出來(經再處理)，經三、四千年，廢料總活度就與鈾礦天然背景輻射相同。高階放射性廢棄物之處置 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識。用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆，外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物 再把處置場設於堅固完整、深達數百公尺的地下母岩（host rock）中。層層保護之下，放射性物質可以安穩的儲存在地下深處數萬年，靜待放射性消失。高階放射性廢棄物之處置 世界各
34、國高放射性廢料處置計畫中預估民眾接受劑量佔自然背景輻射劑量的比例高階放射性廢棄物之處置 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力 芬蘭於2001 年5 月18 日完成用過核子燃料處置場址選址程序，成功選出Olkiluoto 為芬蘭用過核子燃料處置場址。美國參議院於2002 年7 月9 日通過Yucca Mountain 作為用過核子燃料高放射性廢棄物最終處置場址，布希總統於2002 年7 月23 日簽署該法案。芬蘭成功選出用過核子燃料處置場址芬蘭於2001 年5 月18 日經國會通過深地層處置計劃，選定Okiluoto 核電廠附近為用過核燃料最終處置場於
35、2002 年底提出地下場址特性調查設施之興建申請，建構Onkalo 地下實驗室預計2004 年開挖長達五公里之隧道，並將在地下300 公尺、400 公尺及500 公尺等位置進行相關研究如一順利，將於2020 年開始處置用過核燃料。美國高放射性廢棄物最終處置發展現況 雅卡山(Yucca Mountain)計畫之規劃時程如下：2004 年：能源部計畫提出建造許可，核管會需要三至四年進行核照事宜。2007 年：預計開始興建處置場。2010-2034 年：每年計畫運送3,400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場，初期開發規模為77,000 噸。如經國會認可，於2048 年時處置場規模將擴增至120,000
36、 噸。2035 年：處置場將保持開放(remain open)100 至300 年，其後才永久封閉。許多廢棄物中之放射性核種仍將保有高放射性活度達數千年之久。美國高放射性廢棄物最終處置發展現況左上圖為雅卡山10公里長的隧道6.1未來能源供需之預測全球初級能源需求百年預測 WEC預測，百年內能源需求將成長2-5倍全球核能供應百年預測 WEC預測，百年核能將成長5-25倍台電售電量成長情形地球上的能源還可使用多久?依據英國石油公司出版的世界能源統計(1997年)目前世界能源蘊藏量統計 石油：1兆38億桶：41年 煤炭：1兆32億公噸：219年 天然氣：144.8兆立方尺:64年 鈾礦：253.5萬
37、公噸：74年（將用過核然料再處理可提高年限至數十倍）核燃料循環之展望資料來源:GIF-002-00,“A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems”,December 20026.2 第四代核能電廠第四代反應器之設計目標 永續經營 供應永續穩定之潔淨能源，系統長期可用率之提升，燃料使用效率高 核廢料產生及管理降到最低 安全可靠 反應器之運轉非常安全與可靠 非常低之爐心熔毀機率 可以省去廠外緊急應變計畫 經濟 發電之生命週期成本(life-cycle cost)較其他能源便宜 財務風險與其他能源計畫相當 核武擴散之阻止
38、與保安 從根本解決核武材料之擴散以及針對恐怖活動加強保安第III+代核能電廠 Deployment by 2015 Industry involvement Improvement over current advanced LWR performance Advanced Boiling Water Reactors ABWR-II ESBWR SWR-1000 HC-BWR Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactors GT-MHR PBMR第III+代核能電廠 Advanced Pressure Tube Reactor ACR-700 Adv
39、anced Pressurized Water Reactors AP-600 AP-1000 APR-1400 APWR+EPR Integral Primary System Reactors CAREM IMR IRIS SMART6.2 第四代核能電廠核能與氫能之結合 氫能的使用有許多優點，但最大的問題為如何用潔淨無碳的能源生產大量氫氣？目前產生氫氣的方法，多利用化石資源燃燒的熱量來產氫，在過程會製造二氧化碳，方法包括：電解水 高溫分解水蒸氣為氫、氧 高溫熱裂解 利用核能將反應氣體加熱至高溫以驅動高熱之化學反應，可以產生潔淨無碳的氫能源核能產氫 核能高溫熱化學產氫基本反應1.以核能高溫
40、（800-1,000）分解硫酸，產生氧氣、二氧化硫。H2SO4 H2O+SO2+1/2O2（吸熱）2.加入碘與二氧化硫、水反應，產生碘化氫。I2+SO2+2H2O 2HI+H2SO4(產熱)3.將碘化氫的碘和氫分離（200-500），產生氫氣和碘。2HI H2+I2 SO2與I2都是可以循環利用的中間產物，不會對環境產生任何負擔 上述產生氫氣的化學反應須在高溫下進行，目前之輕水式反應器操作溫度約在280左右，故無法用來生產氫氣核能產氫6.3 核融合之現況與展望 氘（deuterium）與氚（tritium）的核融合反應。氘和氚發生核融合後，2個原子核結合成一個3.5百萬電子伏特能量的氦原子核(
41、a粒子)，並放出一個14.1百萬電子伏特能量的中子。產生的能量為原來能量的450倍。(此圖來源為Contemporary Physics Education Project)核融合之現況與展望 取之不盡的能源 核融合的燃料(氘和氚)很容易取得；據估計，全球海水中有四十五萬億噸氘，可以提供世界一百億年的能源，幾乎是取之不盡、用之不竭。而氚則不存在於天然界中，但可以從鋰(lithium)提煉。核融合不會產生任何放射性廢料，沒有廢料難解的技術與政治問題。只要減少電漿密度或氘氚供給，核融合反應可以隨時終止，其控制性比現行核分裂反應器要容易。核融合之現況與展望 核融合反應裝置的物理考量 要讓核子與核子能
42、夠很靠近才可能有核融合反應發生 核子(氘核子及氚核子)皆帶正電，會互相排斥，故必須外加相當的能量以破除庫倫電位障壁 核融合之研究重點在於將氘核子及氚核子電漿侷限於一個與外界隔離的空間，使其相互碰撞 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式：磁場控制核融合 雷射核融合 核融合之現況與展望-Tokamak磁場控制核融合-磁場控制核融合以托克馬克(tokamak)的磁約束裝置較為先進。托克馬克為蘇聯科學家在1950年代初率先提出磁約束的概念，並在1954年建成了第一個托克馬克裝置(一個形如甜甜圈(donut)的環形容器)以強大的磁場約束電漿粒子的運動。在此裝置中，於甜甜圈的環行管外加上電流線圈(to
43、roidal field coil)，並通過強大電流以產生水平面(toroidal)方向的磁場 帶電粒子沿著水平面磁場方向做迴旋運動，產生水平面電漿電流，水平面電漿電流進而造成垂直面(poloidal)上之感應磁場 總磁場為此兩種磁場的疊加，其磁力線以螺旋方式環繞裝置內部 電漿粒子會沿磁力線快速地做螺旋式環繞運動，所以電漿就這樣被約束在這種環形的容器中核融合之現況與展望-Tokamak磁場控制核融合-托克馬克磁約束裝置中的電漿，磁場和產生磁場的電流線圈；水平方向(toroidal)磁場及垂直方向(poloidal)磁場結合成螺旋形方向的總磁場。(此圖來源為Princeton Plasma Ph
44、ysics Laboratory。)核融合之現況與展望關鍵參數 值：=2P/B2(P為電漿壓力，B2/2為磁場壓力，B為磁場強度)，它代表在一定磁場強度下可束縛的電漿多寡。一般而言，磁控核融合裝置的設計希望有較高的值，也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子 由於電漿中有許多不穩定性與一些仍未釐清的物理機制，目前托克馬克實驗裝置能得到的大多在3%以下 一個具有經濟效益的反應器其值需要5%以上。束縛時間 E：能量束縛時間從數微(百萬分之一)秒延長至一秒，其運作時間仍未能維持超過一分鐘的脈衝長度核融合之現況與展望關鍵參數 以高能粒子來維持核融合運作所需要的條件：nTE 5 1021(m-3-keV-s
45、)，這關係也被稱為”Modern version of Lawsons criterion”，其中n為粒子密度，T為正離子溫度，E為束縛時間 過去四十年中，nTE值從21017增加到1021(m-3-s-keV)，仍需要提升五倍 過去四十年在托克馬克電漿實驗研究中，所產生電漿的nTE 及反應器中心正離子溫度(T)的進展。(此圖來源為Princeton Plasma Physics Laboratory。)國際熱核實驗反應爐（ITER）計畫 國際熱核實驗反應爐（International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER）計畫是繼國際空間站、伽利全球衛星導航定位系統等之後另一超大型國際科技合作專案計劃。其意義不亞于人類基因工程計劃和國際航空站。ITER將成為世界第一個產出能量大于輸入能量，且脈衝長度超過十分鐘的托克馬克核融合裝置 ITER在拉丁語是“道路”的意思，合作建設ITER的七方(歐盟、日本、美國、俄國、韓國、中國及印度)協議，這條開發核融合的道路，將建在法國卡達拉舍(Cadarache)2006年為實際建造ITER的開始 至少還需要經過50年，才能把熱核融合技術商業化，實現成本效益
