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E=MC 2 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. 1.2 核能發電工作原理 原子與原子核. - PowerPoint PPT Presentation
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E=MC2 產業現況與未來發展
廖俐毅
2007 年 3 月 15 日
1 簡介
11 發電方式簡介 bull 水力火力核能發電 bull 再生能源發電
ndash 太陽能發電bull 光電池bull 集熱板將水加熱產生蒸汽 推動汽輪機發電bull 將水分解為氫與氧兩種氣體 再用氫發電
ndash 風力發電ndash 海水溫差發電
bull 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
ndash 地熱發電bull 地熱使地下水變成蒸汽 推動汽輪機發電
11 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
12 核能發電工作原理原子與原子核
bull 1 Angstrom = 01 Nanometer = 10-10m
12 核能發電工作原理質能互轉
12 核能發電工作原理利用質能互轉釋出能量
bull E=MC2
bull 92 p +143 n -gt Uranium-235 + (235x76)Mev
92 p +143 n -gt Fission Products A and B + (235x85)Mev
Uranium-235 -gt Fission Products A and B + 210Mev
12 核能發電工作原理核分裂與連鎖反應
12 核能發電工作原理核分裂產物
12 核能發電工作原理臨界質量
bull 核分裂時第二代與第一代中子數的比稱之為增值係數
bull 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
bull 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
12 核能發電工作原理緩和劑
bull 快中子ndash 核分裂產生的中子能量很高 稱之為快中子
bull 慢中子ndash 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
bull 緩和劑ndash 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
ndash 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
bull 快中子反應器使用高濃縮燃料 不需要緩和劑
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull 遲發中子 核分裂時放出中子的時間不盡相同 遲發中
子的存在使中子倍增的時間增長 有利於控制ndash 瞬發中子
bull 10-14秒內放出 佔全部的 9935ndash 遲發中子
bull 幾分鐘內陸續放出 佔全部的 065
bull 控制棒系統bull 注硼系統
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull溫度效應ndash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
ndash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
ndash係數是負的就好像開車上陡坡
12 核能發電工作原理122 核能電廠不同於原子彈
bull 目的不同ndash 使用原子彈目的是瞬間釋出巨大能量用於軍事上毀滅敵人ndash 核能電廠目的是作和平用途造福人類
bull 原料濃度不同ndash 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ndash 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bull 設計不同
ndash 原子彈有引爆裝置ndash 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
13 核能發電之優缺點 bull 核能發電之優點
ndash No greenhouse gas emissions (during normal operation) - 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)
ndash Does not pollute the air - zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide sulfur dioxide aerosols mercury nitrogen oxides particulates or photochemical smog
ndash Small solid waste generation (during normal operation) ndash Low fuel costs - because so little fuel is needed ndash Large fuel reserves - (eg in Canada and Australia) again because so
little fuel is needed ndash Nuclear Batteries - (see SSTAR) ndash 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
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
1 簡介
11 發電方式簡介 bull 水力火力核能發電 bull 再生能源發電
ndash 太陽能發電bull 光電池bull 集熱板將水加熱產生蒸汽 推動汽輪機發電bull 將水分解為氫與氧兩種氣體 再用氫發電
ndash 風力發電ndash 海水溫差發電
bull 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
ndash 地熱發電bull 地熱使地下水變成蒸汽 推動汽輪機發電
11 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
12 核能發電工作原理原子與原子核
bull 1 Angstrom = 01 Nanometer = 10-10m
12 核能發電工作原理質能互轉
12 核能發電工作原理利用質能互轉釋出能量
bull E=MC2
bull 92 p +143 n -gt Uranium-235 + (235x76)Mev
92 p +143 n -gt Fission Products A and B + (235x85)Mev
Uranium-235 -gt Fission Products A and B + 210Mev
12 核能發電工作原理核分裂與連鎖反應
12 核能發電工作原理核分裂產物
12 核能發電工作原理臨界質量
bull 核分裂時第二代與第一代中子數的比稱之為增值係數
bull 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
bull 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
12 核能發電工作原理緩和劑
bull 快中子ndash 核分裂產生的中子能量很高 稱之為快中子
bull 慢中子ndash 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
bull 緩和劑ndash 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
ndash 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
bull 快中子反應器使用高濃縮燃料 不需要緩和劑
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull 遲發中子 核分裂時放出中子的時間不盡相同 遲發中
子的存在使中子倍增的時間增長 有利於控制ndash 瞬發中子
bull 10-14秒內放出 佔全部的 9935ndash 遲發中子
bull 幾分鐘內陸續放出 佔全部的 065
bull 控制棒系統bull 注硼系統
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull溫度效應ndash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
ndash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
ndash係數是負的就好像開車上陡坡
12 核能發電工作原理122 核能電廠不同於原子彈
bull 目的不同ndash 使用原子彈目的是瞬間釋出巨大能量用於軍事上毀滅敵人ndash 核能電廠目的是作和平用途造福人類
bull 原料濃度不同ndash 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ndash 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bull 設計不同
ndash 原子彈有引爆裝置ndash 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
13 核能發電之優缺點 bull 核能發電之優點
ndash No greenhouse gas emissions (during normal operation) - 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)
ndash Does not pollute the air - zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide sulfur dioxide aerosols mercury nitrogen oxides particulates or photochemical smog
ndash Small solid waste generation (during normal operation) ndash Low fuel costs - because so little fuel is needed ndash Large fuel reserves - (eg in Canada and Australia) again because so
little fuel is needed ndash Nuclear Batteries - (see SSTAR) ndash 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
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
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件數
核一廠核二廠核三廠
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99
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46
6862
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46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
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13461081 963 818 765 664 601
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桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
11 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
12 核能發電工作原理原子與原子核
bull 1 Angstrom = 01 Nanometer = 10-10m
12 核能發電工作原理質能互轉
12 核能發電工作原理利用質能互轉釋出能量
bull E=MC2
bull 92 p +143 n -gt Uranium-235 + (235x76)Mev
92 p +143 n -gt Fission Products A and B + (235x85)Mev
Uranium-235 -gt Fission Products A and B + 210Mev
12 核能發電工作原理核分裂與連鎖反應
12 核能發電工作原理核分裂產物
12 核能發電工作原理臨界質量
bull 核分裂時第二代與第一代中子數的比稱之為增值係數
bull 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
bull 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
12 核能發電工作原理緩和劑
bull 快中子ndash 核分裂產生的中子能量很高 稱之為快中子
bull 慢中子ndash 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
bull 緩和劑ndash 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
ndash 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
bull 快中子反應器使用高濃縮燃料 不需要緩和劑
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull 遲發中子 核分裂時放出中子的時間不盡相同 遲發中
子的存在使中子倍增的時間增長 有利於控制ndash 瞬發中子
bull 10-14秒內放出 佔全部的 9935ndash 遲發中子
bull 幾分鐘內陸續放出 佔全部的 065
bull 控制棒系統bull 注硼系統
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull溫度效應ndash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
ndash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
ndash係數是負的就好像開車上陡坡
12 核能發電工作原理122 核能電廠不同於原子彈
bull 目的不同ndash 使用原子彈目的是瞬間釋出巨大能量用於軍事上毀滅敵人ndash 核能電廠目的是作和平用途造福人類
bull 原料濃度不同ndash 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ndash 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bull 設計不同
ndash 原子彈有引爆裝置ndash 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
13 核能發電之優缺點 bull 核能發電之優點
ndash No greenhouse gas emissions (during normal operation) - 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)
ndash Does not pollute the air - zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide sulfur dioxide aerosols mercury nitrogen oxides particulates or photochemical smog
ndash Small solid waste generation (during normal operation) ndash Low fuel costs - because so little fuel is needed ndash Large fuel reserves - (eg in Canada and Australia) again because so
little fuel is needed ndash Nuclear Batteries - (see SSTAR) ndash 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
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
12 核能發電工作原理原子與原子核
bull 1 Angstrom = 01 Nanometer = 10-10m
12 核能發電工作原理質能互轉
12 核能發電工作原理利用質能互轉釋出能量
bull E=MC2
bull 92 p +143 n -gt Uranium-235 + (235x76)Mev
92 p +143 n -gt Fission Products A and B + (235x85)Mev
Uranium-235 -gt Fission Products A and B + 210Mev
12 核能發電工作原理核分裂與連鎖反應
12 核能發電工作原理核分裂產物
12 核能發電工作原理臨界質量
bull 核分裂時第二代與第一代中子數的比稱之為增值係數
bull 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
bull 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
12 核能發電工作原理緩和劑
bull 快中子ndash 核分裂產生的中子能量很高 稱之為快中子
bull 慢中子ndash 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
bull 緩和劑ndash 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
ndash 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
bull 快中子反應器使用高濃縮燃料 不需要緩和劑
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull 遲發中子 核分裂時放出中子的時間不盡相同 遲發中
子的存在使中子倍增的時間增長 有利於控制ndash 瞬發中子
bull 10-14秒內放出 佔全部的 9935ndash 遲發中子
bull 幾分鐘內陸續放出 佔全部的 065
bull 控制棒系統bull 注硼系統
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull溫度效應ndash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
ndash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
ndash係數是負的就好像開車上陡坡
12 核能發電工作原理122 核能電廠不同於原子彈
bull 目的不同ndash 使用原子彈目的是瞬間釋出巨大能量用於軍事上毀滅敵人ndash 核能電廠目的是作和平用途造福人類
bull 原料濃度不同ndash 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ndash 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bull 設計不同
ndash 原子彈有引爆裝置ndash 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
13 核能發電之優缺點 bull 核能發電之優點
ndash No greenhouse gas emissions (during normal operation) - 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)
ndash Does not pollute the air - zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide sulfur dioxide aerosols mercury nitrogen oxides particulates or photochemical smog
ndash Small solid waste generation (during normal operation) ndash Low fuel costs - because so little fuel is needed ndash Large fuel reserves - (eg in Canada and Australia) again because so
little fuel is needed ndash Nuclear Batteries - (see SSTAR) ndash 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
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
12 核能發電工作原理質能互轉
12 核能發電工作原理利用質能互轉釋出能量
bull E=MC2
bull 92 p +143 n -gt Uranium-235 + (235x76)Mev
92 p +143 n -gt Fission Products A and B + (235x85)Mev
Uranium-235 -gt Fission Products A and B + 210Mev
12 核能發電工作原理核分裂與連鎖反應
12 核能發電工作原理核分裂產物
12 核能發電工作原理臨界質量
bull 核分裂時第二代與第一代中子數的比稱之為增值係數
bull 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
bull 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
12 核能發電工作原理緩和劑
bull 快中子ndash 核分裂產生的中子能量很高 稱之為快中子
bull 慢中子ndash 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
bull 緩和劑ndash 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
ndash 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
bull 快中子反應器使用高濃縮燃料 不需要緩和劑
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull 遲發中子 核分裂時放出中子的時間不盡相同 遲發中
子的存在使中子倍增的時間增長 有利於控制ndash 瞬發中子
bull 10-14秒內放出 佔全部的 9935ndash 遲發中子
bull 幾分鐘內陸續放出 佔全部的 065
bull 控制棒系統bull 注硼系統
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull溫度效應ndash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
ndash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
ndash係數是負的就好像開車上陡坡
12 核能發電工作原理122 核能電廠不同於原子彈
bull 目的不同ndash 使用原子彈目的是瞬間釋出巨大能量用於軍事上毀滅敵人ndash 核能電廠目的是作和平用途造福人類
bull 原料濃度不同ndash 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ndash 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bull 設計不同
ndash 原子彈有引爆裝置ndash 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
13 核能發電之優缺點 bull 核能發電之優點
ndash No greenhouse gas emissions (during normal operation) - 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)
ndash Does not pollute the air - zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide sulfur dioxide aerosols mercury nitrogen oxides particulates or photochemical smog
ndash Small solid waste generation (during normal operation) ndash Low fuel costs - because so little fuel is needed ndash Large fuel reserves - (eg in Canada and Australia) again because so
little fuel is needed ndash Nuclear Batteries - (see SSTAR) ndash 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
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
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9 85 5
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2
3 4 12
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15
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25
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次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
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件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
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桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
12 核能發電工作原理利用質能互轉釋出能量
bull E=MC2
bull 92 p +143 n -gt Uranium-235 + (235x76)Mev
92 p +143 n -gt Fission Products A and B + (235x85)Mev
Uranium-235 -gt Fission Products A and B + 210Mev
12 核能發電工作原理核分裂與連鎖反應
12 核能發電工作原理核分裂產物
12 核能發電工作原理臨界質量
bull 核分裂時第二代與第一代中子數的比稱之為增值係數
bull 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
bull 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
12 核能發電工作原理緩和劑
bull 快中子ndash 核分裂產生的中子能量很高 稱之為快中子
bull 慢中子ndash 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
bull 緩和劑ndash 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
ndash 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
bull 快中子反應器使用高濃縮燃料 不需要緩和劑
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull 遲發中子 核分裂時放出中子的時間不盡相同 遲發中
子的存在使中子倍增的時間增長 有利於控制ndash 瞬發中子
bull 10-14秒內放出 佔全部的 9935ndash 遲發中子
bull 幾分鐘內陸續放出 佔全部的 065
bull 控制棒系統bull 注硼系統
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull溫度效應ndash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
ndash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
ndash係數是負的就好像開車上陡坡
12 核能發電工作原理122 核能電廠不同於原子彈
bull 目的不同ndash 使用原子彈目的是瞬間釋出巨大能量用於軍事上毀滅敵人ndash 核能電廠目的是作和平用途造福人類
bull 原料濃度不同ndash 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ndash 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bull 設計不同
ndash 原子彈有引爆裝置ndash 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
13 核能發電之優缺點 bull 核能發電之優點
ndash No greenhouse gas emissions (during normal operation) - 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)
ndash Does not pollute the air - zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide sulfur dioxide aerosols mercury nitrogen oxides particulates or photochemical smog
ndash Small solid waste generation (during normal operation) ndash Low fuel costs - because so little fuel is needed ndash Large fuel reserves - (eg in Canada and Australia) again because so
little fuel is needed ndash Nuclear Batteries - (see SSTAR) ndash 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
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
12 核能發電工作原理核分裂與連鎖反應
12 核能發電工作原理核分裂產物
12 核能發電工作原理臨界質量
bull 核分裂時第二代與第一代中子數的比稱之為增值係數
bull 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
bull 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
12 核能發電工作原理緩和劑
bull 快中子ndash 核分裂產生的中子能量很高 稱之為快中子
bull 慢中子ndash 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
bull 緩和劑ndash 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
ndash 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
bull 快中子反應器使用高濃縮燃料 不需要緩和劑
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull 遲發中子 核分裂時放出中子的時間不盡相同 遲發中
子的存在使中子倍增的時間增長 有利於控制ndash 瞬發中子
bull 10-14秒內放出 佔全部的 9935ndash 遲發中子
bull 幾分鐘內陸續放出 佔全部的 065
bull 控制棒系統bull 注硼系統
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull溫度效應ndash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
ndash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
ndash係數是負的就好像開車上陡坡
12 核能發電工作原理122 核能電廠不同於原子彈
bull 目的不同ndash 使用原子彈目的是瞬間釋出巨大能量用於軍事上毀滅敵人ndash 核能電廠目的是作和平用途造福人類
bull 原料濃度不同ndash 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ndash 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bull 設計不同
ndash 原子彈有引爆裝置ndash 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
13 核能發電之優缺點 bull 核能發電之優點
ndash No greenhouse gas emissions (during normal operation) - 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)
ndash Does not pollute the air - zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide sulfur dioxide aerosols mercury nitrogen oxides particulates or photochemical smog
ndash Small solid waste generation (during normal operation) ndash Low fuel costs - because so little fuel is needed ndash Large fuel reserves - (eg in Canada and Australia) again because so
little fuel is needed ndash Nuclear Batteries - (see SSTAR) ndash 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
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
12 核能發電工作原理核分裂產物
12 核能發電工作原理臨界質量
bull 核分裂時第二代與第一代中子數的比稱之為增值係數
bull 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
bull 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
12 核能發電工作原理緩和劑
bull 快中子ndash 核分裂產生的中子能量很高 稱之為快中子
bull 慢中子ndash 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
bull 緩和劑ndash 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
ndash 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
bull 快中子反應器使用高濃縮燃料 不需要緩和劑
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull 遲發中子 核分裂時放出中子的時間不盡相同 遲發中
子的存在使中子倍增的時間增長 有利於控制ndash 瞬發中子
bull 10-14秒內放出 佔全部的 9935ndash 遲發中子
bull 幾分鐘內陸續放出 佔全部的 065
bull 控制棒系統bull 注硼系統
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull溫度效應ndash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
ndash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
ndash係數是負的就好像開車上陡坡
12 核能發電工作原理122 核能電廠不同於原子彈
bull 目的不同ndash 使用原子彈目的是瞬間釋出巨大能量用於軍事上毀滅敵人ndash 核能電廠目的是作和平用途造福人類
bull 原料濃度不同ndash 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ndash 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bull 設計不同
ndash 原子彈有引爆裝置ndash 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
13 核能發電之優缺點 bull 核能發電之優點
ndash No greenhouse gas emissions (during normal operation) - 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)
ndash Does not pollute the air - zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide sulfur dioxide aerosols mercury nitrogen oxides particulates or photochemical smog
ndash Small solid waste generation (during normal operation) ndash Low fuel costs - because so little fuel is needed ndash Large fuel reserves - (eg in Canada and Australia) again because so
little fuel is needed ndash Nuclear Batteries - (see SSTAR) ndash 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
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
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91
78 60
4334
31
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62
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19
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9
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件數
核一廠核二廠核三廠
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209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
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0
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桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
12 核能發電工作原理臨界質量
bull 核分裂時第二代與第一代中子數的比稱之為增值係數
bull 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
bull 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
12 核能發電工作原理緩和劑
bull 快中子ndash 核分裂產生的中子能量很高 稱之為快中子
bull 慢中子ndash 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
bull 緩和劑ndash 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
ndash 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
bull 快中子反應器使用高濃縮燃料 不需要緩和劑
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull 遲發中子 核分裂時放出中子的時間不盡相同 遲發中
子的存在使中子倍增的時間增長 有利於控制ndash 瞬發中子
bull 10-14秒內放出 佔全部的 9935ndash 遲發中子
bull 幾分鐘內陸續放出 佔全部的 065
bull 控制棒系統bull 注硼系統
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull溫度效應ndash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
ndash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
ndash係數是負的就好像開車上陡坡
12 核能發電工作原理122 核能電廠不同於原子彈
bull 目的不同ndash 使用原子彈目的是瞬間釋出巨大能量用於軍事上毀滅敵人ndash 核能電廠目的是作和平用途造福人類
bull 原料濃度不同ndash 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ndash 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bull 設計不同
ndash 原子彈有引爆裝置ndash 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
13 核能發電之優缺點 bull 核能發電之優點
ndash No greenhouse gas emissions (during normal operation) - 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)
ndash Does not pollute the air - zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide sulfur dioxide aerosols mercury nitrogen oxides particulates or photochemical smog
ndash Small solid waste generation (during normal operation) ndash Low fuel costs - because so little fuel is needed ndash Large fuel reserves - (eg in Canada and Australia) again because so
little fuel is needed ndash Nuclear Batteries - (see SSTAR) ndash 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
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
12 核能發電工作原理緩和劑
bull 快中子ndash 核分裂產生的中子能量很高 稱之為快中子
bull 慢中子ndash 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
bull 緩和劑ndash 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
ndash 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
bull 快中子反應器使用高濃縮燃料 不需要緩和劑
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull 遲發中子 核分裂時放出中子的時間不盡相同 遲發中
子的存在使中子倍增的時間增長 有利於控制ndash 瞬發中子
bull 10-14秒內放出 佔全部的 9935ndash 遲發中子
bull 幾分鐘內陸續放出 佔全部的 065
bull 控制棒系統bull 注硼系統
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull溫度效應ndash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
ndash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
ndash係數是負的就好像開車上陡坡
12 核能發電工作原理122 核能電廠不同於原子彈
bull 目的不同ndash 使用原子彈目的是瞬間釋出巨大能量用於軍事上毀滅敵人ndash 核能電廠目的是作和平用途造福人類
bull 原料濃度不同ndash 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ndash 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bull 設計不同
ndash 原子彈有引爆裝置ndash 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
13 核能發電之優缺點 bull 核能發電之優點
ndash No greenhouse gas emissions (during normal operation) - 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)
ndash Does not pollute the air - zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide sulfur dioxide aerosols mercury nitrogen oxides particulates or photochemical smog
ndash Small solid waste generation (during normal operation) ndash Low fuel costs - because so little fuel is needed ndash Large fuel reserves - (eg in Canada and Australia) again because so
little fuel is needed ndash Nuclear Batteries - (see SSTAR) ndash 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
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull 遲發中子 核分裂時放出中子的時間不盡相同 遲發中
子的存在使中子倍增的時間增長 有利於控制ndash 瞬發中子
bull 10-14秒內放出 佔全部的 9935ndash 遲發中子
bull 幾分鐘內陸續放出 佔全部的 065
bull 控制棒系統bull 注硼系統
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull溫度效應ndash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
ndash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
ndash係數是負的就好像開車上陡坡
12 核能發電工作原理122 核能電廠不同於原子彈
bull 目的不同ndash 使用原子彈目的是瞬間釋出巨大能量用於軍事上毀滅敵人ndash 核能電廠目的是作和平用途造福人類
bull 原料濃度不同ndash 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ndash 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bull 設計不同
ndash 原子彈有引爆裝置ndash 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
13 核能發電之優缺點 bull 核能發電之優點
ndash No greenhouse gas emissions (during normal operation) - 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)
ndash Does not pollute the air - zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide sulfur dioxide aerosols mercury nitrogen oxides particulates or photochemical smog
ndash Small solid waste generation (during normal operation) ndash Low fuel costs - because so little fuel is needed ndash Large fuel reserves - (eg in Canada and Australia) again because so
little fuel is needed ndash Nuclear Batteries - (see SSTAR) ndash 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
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
12 核能發電工作原理121 核子反應之控制
bull溫度效應ndash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
ndash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
ndash係數是負的就好像開車上陡坡
12 核能發電工作原理122 核能電廠不同於原子彈
bull 目的不同ndash 使用原子彈目的是瞬間釋出巨大能量用於軍事上毀滅敵人ndash 核能電廠目的是作和平用途造福人類
bull 原料濃度不同ndash 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ndash 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bull 設計不同
ndash 原子彈有引爆裝置ndash 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
13 核能發電之優缺點 bull 核能發電之優點
ndash No greenhouse gas emissions (during normal operation) - 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)
ndash Does not pollute the air - zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide sulfur dioxide aerosols mercury nitrogen oxides particulates or photochemical smog
ndash Small solid waste generation (during normal operation) ndash Low fuel costs - because so little fuel is needed ndash Large fuel reserves - (eg in Canada and Australia) again because so
little fuel is needed ndash Nuclear Batteries - (see SSTAR) ndash 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
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
12 核能發電工作原理122 核能電廠不同於原子彈
bull 目的不同ndash 使用原子彈目的是瞬間釋出巨大能量用於軍事上毀滅敵人ndash 核能電廠目的是作和平用途造福人類
bull 原料濃度不同ndash 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ndash 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bull 設計不同
ndash 原子彈有引爆裝置ndash 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
13 核能發電之優缺點 bull 核能發電之優點
ndash No greenhouse gas emissions (during normal operation) - 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)
ndash Does not pollute the air - zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide sulfur dioxide aerosols mercury nitrogen oxides particulates or photochemical smog
ndash Small solid waste generation (during normal operation) ndash Low fuel costs - because so little fuel is needed ndash Large fuel reserves - (eg in Canada and Australia) again because so
little fuel is needed ndash Nuclear Batteries - (see SSTAR) ndash 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
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
13 核能發電之優缺點 bull 核能發電之優點
ndash No greenhouse gas emissions (during normal operation) - 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)
ndash Does not pollute the air - zero production of dangerous and polluting gases such as carbon monoxide sulfur dioxide aerosols mercury nitrogen oxides particulates or photochemical smog
ndash Small solid waste generation (during normal operation) ndash Low fuel costs - because so little fuel is needed ndash Large fuel reserves - (eg in Canada and Australia) again because so
little fuel is needed ndash Nuclear Batteries - (see SSTAR) ndash 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
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能發電之優點No greenhouse gas emissions
核能發電之優點No greenhouse gas emissions
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能發電之優點No greenhouse gas emissions
bull 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
bull 如何抑制二氧化碳產量就是所有國家最優先的課題
bull 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
bull 燃煤是核能的 63 倍天然氣是核能的 32 倍
bull 核能發電每年為我國減少 3000萬噸排放幾乎減少 13 的 CO2 排放每年替社會節省 3940 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 -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
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次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
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91
5639
4937 33
2011 14
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件數
核一廠核二廠核三廠
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99
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運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
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9925
8573
6751
7548
6734
7746
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6440
3874
4576 4756
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13461081 963 818 765 664 601
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桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能發電之優點Low fuel cost -- USA
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
Average Electricity Production Costs (centskWh 2001 dollars)
Year Nuclear Coal Gas Oil1981 238 397 666 10811982 266 406 727 10191983 286 397 740 9441984 317 380 733 9581985 309 370 698 8841986 330 349 511 5491987 340 321 454 5811988 331 299 437 4761989 323 283 434 5001990 297 274 419 5531991 280 264 386 4581992 273 250 386 4431993 264 241 413 4181994 239 229 354 3921995 230 219 314 4811996 217 209 383 5211997 220 198 381 4041998 209 192 328 3161999 190 191 415 3202000 181 185 585 5432001 168 180 608 493
Source RDIEUCG for Nuclear Costs RDIUDI for Fossil Fuels
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能發電之優點Low fuel costmdash 台電
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
利息00181 元 289
後端01700 元2716
維護01181 元1886
其他營運01447 元2312
燃料00993 元1586
折舊00758 元1211
95 曆年核能發電成本分析( 每度發電成本 06260 元含人事費用及總處分攤
費用 )
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能電廠除役費用bull 核電廠除役費用依美國核管會 NUREG-1628建議值 BWR為 29億美元 PWR 則為 37 億美元
bull 拆廠廠費用ndash Trojan (1130MW-PWR) 210億美元 (1993)ndash Shoreham (849MW-BWR) 186億美元 (1995)ndash Haddam Neck(619MW-PWR) 344億美元 (1996)ndash Main Yankee(830MW-PWR) 275億美元 (1997)
bull 台電現役六部機「除役」基金為 700億台幣相當於美金 206億元與美國建議值相當
bull 除役後廠址可以復原再利用
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能發電之優點Low fuel cost
bull 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
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能發電之優點準自產能源
bull 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
bull 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
bull 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」
bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能發電之優點準自產能源
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Risk of accidents - the most well-known example of such an event is the explosion and fire in the Chernobyl Nuclear Power Plant the worst nuclear accident in history
ndash Nuclear 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 creates its waste and can not be carried out indefinitely
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
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0
20
40
60
80
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140
160
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220
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件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
13 核能發電之優缺點bull 核能發電之缺點
ndash Plutonium produced from nuclear reactions can be used to make nuclear bombs aiding nuclear proliferation
ndash Security concerns ndash High initial costs ndash High energy inputs during construction (equivalent to ~7 years po
wer output) ndash High maintenance costs ndash High cost of decommissioning plants ndash Thermal pollution - Like fossil-fueled power plants nuclear reactors e
mit thermal pollution ndash Finite fuel source - Nuclear fuels depend on mined uranium a finite re
source
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
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件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能發電之缺點 Risk of accidents
bull 伴隨分裂所產生的輻射線bull 伴隨分裂所產生的熱量bull 著名核能電廠事故
ndash 三哩島事故ndash 車諾比爾事故
bull 車諾比爾電廠所使用的石墨水冷反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
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
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件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能發電之缺點 Nuclear waste
bull high level radioactive waste produced can remain dangerous for millions of yearsndash 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識
ndash 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
ndash 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
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件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
13 世界核能發電近況bull 1957 年人類第一座商業運轉的核能電廠誕生bull 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
bull 美國是消耗最多電力的國家總發電量佔全球發電量的 13 核能在美國佔了 20
bull 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 13 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
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91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
13 世界核能發電近況
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
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78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
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99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
13 世界核能發電近況
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
Canada 6 3598China 3 2535India 8 3728Iran 1 950Japan 3 3696Korea DPR 1 950Korea RO 2 3820 Romania 1 650 Russia 6 5575
Taiwan 2 2700Ukraine 2 1900 TOTAL 35 28087
Country Units Total MWe
各國核能電廠興建狀況
2003年 5月
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
大陸核能發展概況bull 8 部機已運轉 3部機建造中
ndash秦山一期 1 times 300MW 1991ndash廣東一期 2 times 950MW 19945ndash秦山二期 2 times 600MW 20023ndash廣東二期 2 times 1000MW 20023ndash秦山三期 2 times 728MW 20033ndash江蘇田灣 2 times 1060MW 20045
bull總計共 8976MW (~9GW)
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
中國核能發展概況bull 16 部機計畫中
ndash秦山四期 2 times 1000MWndash廣東陽江 6 times 1000MWndash浙江三門 2 times 1000MWndash江蘇田灣 2 times 1000MWndash福建惠安 2 times 1000MWndash山東海陽 2 times 1000MW
bull總計 16times 1000MW (~16GW)
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
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桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
中國核能發展概況
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
14 我國核能發電近況
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
95 年核能機組營運績效 供電量 38317 億度（歷年次佳 ） 容量因數算術平均值 8893 （歷年最佳 ) 自動急停 2 次 六部機（歷年次佳 ） 異常事件 12 件 六部機 違規 7 件 六部機 低放射性固廢產量 六部機共 327 桶 ( 歷年最佳 ) 單位發電成本 ndash 0626 元 度 ( 歷年最佳 各類發電成本最
低者 ) 核一廠二部機近三年共四次連續運轉超過 400 天 二號機
第 21 次燃料循環末大修 3588 天創核一廠最佳紀錄 核二廠連續四年無跳機 核三廠二號機第 16 次燃料循環末大修 3337 天創本公司核
能機組最佳紀錄
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
39873997
3889
3955
3549
38503842
3687
3627
3779
3532
3487
3435
3384
3529
3949
38323840
3485
3633
3348
3299
3247
3388
3737
3801
3409
37003691
3541
3393
3794
7832
8848
8871
8631
8778
8521
7875
8525
8049
8363
7837
7738
7490
7624
8181
8740
8893
88358698
87068598
7978
8232
81078272
7807
7657
7509
7816
8452
7679
8795
300
320
340
360
380
400
420
440
460
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
70
75
80
85
90
核能發電量與容量因數
發電量(
億度)
容量因數(
)
CF 算數平均
CF加權平均
毛發電量
淨發電量
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
14
7
13
9 85 5
8
42 3 4
13 2
2
3 4 12
1
20
5
10
15
20
25
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
5639
4937 33
2011 14
94
63
91
78 60
4334
31
26
40 22
4033
62
2325
19
12
9
11 12
4764 14
23
2 4
4581815
4 1
6
17
27 1417
1 4 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
件數
核一廠核二廠核三廠
187
209
140134
99
79 78
46
6862
28
46
25 24
186
79 12
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
歷年核能機組非計劃性自動急停次數統計圖
24
20
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次數
註 1
註 1註 1
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停次數 295 年 12 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
不列計
註 1
註 1
註 1
註 2
-40-
歷年核電廠異常事件統計圖
52
91
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4937 33
2011 14
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件數
核一廠核二廠核三廠
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99
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運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
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6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
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0
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桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
歷年核電廠異常事件統計圖
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件數
核一廠核二廠核三廠
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運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
運轉中核能電廠類型 bull 輕水式反應器
ndash 沸水式反應器 ( 核一二廠 )ndash 壓水式反應器 ( 核三廠 )ndash 進步型沸水式反應器 ( 核四廠 )
bull 重水式反應器bull 氣冷式反應器bull 石墨緩和輕水式反應器bull 快滋生式反應器
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
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4000
6000
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10000
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桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
沸水式與壓水式核能電廠bull 沸水式反應爐
bull 壓水式反應爐
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
沸水式反應器
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
壓水式反應器
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
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10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
認識核燃料 bull 良好的可分裂材料
ndash 鈾 -235 鈾 -233鈽 -239鈽 -241ndash 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
bull 鈾在自然界的三種同位素ndash 鈾 -234
bull 原子百分比 001
ndash 鈾 -235bull 原子百分比 072
ndash 鈾 -238bull 原子百分比 9927
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核燃料循環bull 封閉式核燃料循環
ndash 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
bull 開放式核燃料循環ndash 用過核燃料經暫時貯存後即運往最終處置廠加以最終處置 不再提煉回收使用
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
採礦與精煉
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
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年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
採礦與精煉
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
濃縮bull 最關鍵也最具政治軍事敏感度的技術bull 六氟化鈾 -gt 濃縮六氟化鈾 （ 3-5 鈾 -23
5 ）bull 電磁分離法bull 氣體擴散法bull 氣體離心法
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
新燃料沒有輻射
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能發電安全 bull 安全原則
ndash 深度防禦 bull 設計力求完善與保守bull 製造施工遵照嚴格品保制度
bull 運轉維護遵照完整程序書並有完善監測裝置
bull 異常時備有保護系統ndash 單一失效 ndash 多重性 多樣性ndash 失靈保安 ndash 隔離
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
多重的反應爐停機設計bull 當偵測到可能危及機組的
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 ndash 第一重 控制棒
bull 能在 2秒內將控制棒插入反應爐中止核分裂的反應
bull 採用失靈安全的設計ndash 第二重 備用硼液系統
bull若發生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bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
多重的電力設計確保電廠的安全bull 核能電廠在正常的運轉時與兩種
外電系統相連 345kv與 161kvbull 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ndash 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
bull 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ndash 可做為系統電力的緊急調度用
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
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桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
多重停機的控制盤bull 主控制盤
ndash 裝置於主控制室ndash 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
bull 搖控停機控制盤ndash 裝置於搖控停機室ndash 當發生主控制室必需撤離的
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bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
重要設備分別安置於不同的位置bull 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
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
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10000
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72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
防止人員誤操作與設備誤動作的設計
bull 設備的設計是以「人因考量」如 ndash 重要電廠狀況資訊集中控制室操作人員易於掌握ndash 重要機件的設計採
bull 「失靈保安」ndash 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
bull 「連鎖邏輯」ndash 為當運轉人員操作錯誤時監控系統會自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
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
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7548
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7746
5018
6440
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4576 4756
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22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
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桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能發電安全 異常事件與假想事故安全分析
bull 初期安全分析報告bull 終期安全分析報告bull 以核四為例共 20章 5 個附錄
ndash 第 15章為異常事件與假想事故安全分析 ndash 附錄 A 為安全度評估
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能發電安全 bull 多重失效的防範
ndash 安全度評估 bull 事件樹bull 故障樹
bull 人為失效的防範 ndash 人因工程 ndash 模擬器 ndash 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 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
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8573
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13461081 963 818 765 664 601
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桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
安全度評估
安全度評估
核能電廠對地震的考量 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
安全度評估
核能電廠對地震的考量 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
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10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能電廠對地震的考量 (1)bull 制定安全停機地震值
ndash 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
bull 避開活動斷層ndash 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地震對核能電廠潛在的威脅
bull 廠房基礎均須建造在岩盤上ndash 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 13
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能電廠對地震的考量 (2)
bull 建築結構對稱配置ndash 耐震性考量水平 (東西與南北向 )與垂直向的三向地震力
ndash 一般建物只考量單向水平地震力
bull 管路使用減震器ndash 用以防止地震時過度晃動導致管路斷裂
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
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8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
緊急應變計畫 bull 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
bull 內容ndash 確立執行的相關組織權責作業流程ndash 訂定緊急計畫區ndash 訂定防護行動準則
bull 掩蔽疏散分發碘片ndash 研定疏散計畫
bull 疏散道路規劃ndash 氣象資料蒐集ndash 大器擴散輻射劑量快速評估ndash 環境輻射偵測規劃ndash 緊急通告系統ndash 定期演習
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
放射性廢棄物之分類 bull 依放射性強度
ndash 低階放射性廢棄物ndash 中階放射性廢棄物ndash 高階放射性廢棄物
bull 依物理型態ndash 放射性氣體ndash 放射性廢液ndash 固態廢棄物
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
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2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
放射性廢棄物之分類固態廢棄物
bull 濕性固態廢棄物ndash 過濾殘渣濃縮廢漿離子交換樹脂
bull 乾性固態廢棄物ndash 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
ndash 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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
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圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
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22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
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12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
台電公司歷年低放射性固化廢棄物產量趨勢圖
12258
9925
8573
6751
7548
6734
7746
5018
6440
3874
4576 4756
3363
22311719 1603
13461081 963 818 765 664 601
327
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95
桶
年
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
低放射性廢料處置場bull 低放射性廢料多採用淺地層掩埋處置場
ndash 選擇良好地質的地點ndash 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
ndash 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
ndash 整個設施壽命一般要求 300 年ndash 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 11000
ndash 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（ 43times10-18 ）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 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
高階放射性廢棄物之處理與處置 bull 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
bull 用過核子燃料可經再處理回收鈾與鈽等有用資源ndash 目前燃料再處理不具經濟競爭力
bull 我國用過核子燃料管理策略為「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」
bull 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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
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bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
用過燃料中期乾式儲存
我國待處置用過核燃料bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
我國待處置用過核燃料bull 我國用過核燃料
ndash 核能發電 40 年所累積之所有用過核燃料總重為 7200噸體積不超過 1000立方公尺大概等於 1棟 30坪 3層樓的小公寓
ndash 我國所有用過核燃料（含核四）總共約 282 噸的鈽 -239
ndash 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料總活度是 1 30 天之後剩下 116(64) 1 年後剩下 175(13)10 年後就只剩下 1454 （ 022 ）
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
高放射性廢料隨時間衰變情形
bull 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bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
高階放射性廢棄物之處置bull 深地層處置是各國處理高階核廢料或用過核燃料的共識ndash 用過核燃料或高階核廢料的玻璃固化體ndash 先以最耐腐蝕的金屬容器包覆ndash 外層襯覆吸附核種極佳的黏土礦物ndash 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
ndash 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
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
高階放射性廢棄物之處置
bull 世界各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
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
高階放射性廢棄物之處置
bull 國外高放射性廢棄物最終處置發展現況ndash 各核能先進國家對深層地質處置技術發展不遺餘力
ndash 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
ndash 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bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
芬蘭成功選出用過核子燃料處置場址bull 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
bull 於 2002 年底提出地下場址特bull 性調查設施之興建申請建構
Onkalo 地下實驗室bull 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
bull 如一切順利將於 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
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
美國高放射性廢棄物最終處置發展現況
bull 雅卡山 (Yucca Mountain) 計畫之規劃時程如下ndash 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
ndash 2007 年預計開始興建處置場ndash 2010 - 2034 年每年計畫運送 3400 噸用過核子燃料至雅卡山處置場初期開發規模為 77000 噸如經國會認可於 2048 年時處置場規模將擴增至 120000 噸
ndash 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
61 未來能源供需之預測
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
全球初級能源需求百年預測
bull 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
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
全球核能供應百年預測
bull 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
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
台電售電量成長情形
地球上的能源還可使用多久
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
地球上的能源還可使用多久
bull 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
ndash 石油 1兆 38 億桶 41 年
ndash 煤炭 1兆 32 億公噸 219 年
ndash 天然氣 1448兆立方尺 64 年
ndash 鈾礦 2535 萬公噸 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
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核燃料循環之展望
bull 資料來源 GIF-002-00 ldquoA Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systemsrdquo December 2002
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
62 第四代核能電廠
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
第四代反應器之設計目標bull 永續經營
ndash 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
ndash 核廢料產生及管理降到最低bull 安全可靠
ndash 反應器之運轉非常安全與可靠ndash 非常低之爐心熔毀機率ndash 可以省去廠外緊急應變計畫
bull 經濟ndash 發電之生命週期成本 (life-cycle cost) 較其他能源便宜ndash 財務風險與其他能源計畫相當
bull 核武擴散之阻止與保安ndash 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bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
第 III+ 代核能電廠bull Deployment by 2015bull Industry involvementbull Improvement over current advanced LWR performancebull Advanced Boiling Water Reactors
ndash ABWR-IIndash ESBWRndash SWR-1000ndash HC-BWR
bull Modular High-Temperature Gas-Cooled Reactorsndash GT-MHRndash PBMR
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
第 III+ 代核能電廠bull Advanced Pressure Tube Reactor
ndash ACR-700bull Advanced Pressurized Water Reactors
ndash AP-600ndash AP-1000ndash APR-1400ndash APWR+ndash EPR
bull Integral Primary System Reactorsndash CAREMndash IMRndash IRISndash SMART
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
62 第四代核能電廠
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能與氫能之結合 bull 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
bull 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ndash 電解水ndash 高溫分解水蒸氣為氫氧ndash 高溫熱裂解
bull 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bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能產氫bull 核能高溫熱化學產氫基本反應
1 以核能高溫（ 800 - 1000）分解硫酸產生氧氣二氧化硫bull H2SO4 rarr H2O + SO2 + 12O2（吸熱）
2 加入碘與二氧化硫水反應產生碘化氫bull I2 + SO2 + 2H2O rarr 2HI + H2SO4 ( 產熱 )
3 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 - 500）產生氫氣和碘bull 2HI rarr H2 + I2
bull 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
bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核能產氫
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
63 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 35 百萬電子伏特能量的氦原子核 (a粒子 ) 並放出一個 141 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bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核融合之現況與展望bull 取之不盡的能源
ndash 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
bull 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
bull 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bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核融合之現況與展望bull 核融合反應裝置的物理考量
ndash 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應發生
ndash 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
ndash 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
bull 目前可望達成熱控核融合發電目標的兩種方式ndash 磁場控制核融合ndash 雷射核融合
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak) 的磁約束裝置較為先進
bull 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 )ndash 以強大的磁場約束電漿粒子的運動ndash 在此裝置中於甜甜圈的環行管外加上電流線圈 (toroidal field coi
l) 並通過強大電流以產生水平面 (toroidal) 方向的磁場ndash 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ndash 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ndash 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 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核融合之現況與展望 --Tokamak磁場控制核融合 --
bull 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 Physics Laboratory )
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核融合之現況與展望關鍵參數
bull β 值 β = 2P B2 ( P 為電漿壓力 B22 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 ndash 一般而言磁控核融合裝置的設計希望有較高的 β 值也就是在相同磁場下可以束縛較多的粒子
ndash 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 β 大多在 3 以下
ndash 一個具有經濟效益的反應器其 β 值需要 5 以上 bull 束縛時間 τE
ndash 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
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
核融合之現況與展望關鍵參數
bull 以高能 α粒子來維持核融合運作所需要的條件 ndash nTτE gt 5 times 1021 (m-3-keV-s) 這關係也被稱為 rdquo
Modern version of Lawsonrsquos criterionrdquo 其中 n 為粒子密度 T 為正離子溫度 τE為束縛時間
ndash 過去四十年中 nTτE值從 2times1017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 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
過去四十年在托克馬克電漿實驗研究中所產生電漿的 nTτE 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
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
「國際熱核實驗反應爐（ ITER ）」計畫
bull 「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略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
bull 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
bull ITER 在拉丁語是ldquo道路rdquo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)
bull 2006 年為實際建造 ITER 的開始bull 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
