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核融合和传统核安,须齐头并进
2018/12/05 14:07
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泡在硼酸水中的包壳燃料棒,可防核裂解失控之虞。

核融合和传统核安,须齐头并进

目前全世界80%已开发国家的主要能源,都来自化燃料。而环境问题(如温室效应和酸雨污染)及化石燃料的存量有限,都意味著我们对煤、天然气以及石油的依赖将受到严重限制。

到2050年时,为维持更先进生活水平,预估还需要再增加2~3倍的能源消耗,这些用电来源要向何处求?太阳能和风电成本虽逐年下降,但缺乏能够稳定供电的要求,我们仍需要可靠的能源供应。所谓的"绿电"大都来自太阳能,而太阳热能基本上就是一种"核融合反应",如果人类能在地球上复制一颗迷你太阳,其它的绿能取电效能就显得很微不足道了。

●核融合将是一种取之不尽的安全新能源

核融合又称作核聚变,是一种未来将可创造"小太阳"的新科技,也将是一种取之不尽的安全新能源。苏联1950年代早期最先开始研究核融合技术,首座以磁控方式聚合的设备是托马克(Tokamak)结构。因此"托马克"装置就是核融合或核聚变技术的代称。"托马克"装置形似甜甜圈,需用磁场箍束几千万摄氏度的等离子体。核融合反应条件严苛,科学家已经努力超过 60 多年,在受到控制的环境中保持有限的核聚变反应在过去50年间已经证明可行,但距离核融合发电的目标还很远。

目前全球正在使用中的核反应,依赖的是核裂变和原子分裂,会留下有毒废弃物,必须储存在安全的地方也许长达数千年。而核融合发电则是将两个核融合成一个核,然后沿著圆圈内墙的磁力(被称为电浆)在巨大的管线内部产生反应。

理论上,它可以提供一个安全、稳定的能源供应来源,并且属于效率高能源。1公斤核融合燃料所提供能量相当于1000万公斤石化燃料。核融合反应是以两个轻原子压缩结合成一个重原子,而非裂解燃烧,无二氧化碳等温室气体的产生,所产生的核废料也属短半衰期的放射性废料,所有放射性废料皆可在100年内降至一般废弃物等级。

要制造能够承受原子融合的机器很不易,科学家需将氢等离子体不断加热到 1.5 亿 ℃(这是太阳核心的 10 倍温度),而用来约束等离子体乱窜的超导磁体,则需冷却到零下 269℃,与星际空间一样冷,位于机器中心的 1,000 吨电磁铁要承受 6,000 吨以上的压力,相当于太空梭起飞推力的 2 倍。

科学家在反应炉中模仿恒星来复制核融合反应,炉中高温的氢原子悬浮在电浆中,相互碰撞并分裂为离子与电子,然后再融合成氦原子,这样的过程产生的大量热量可被用于发电。

做为燃料的氢同位素在地球上相对丰富,「氘」可从海水中提取,而「氚」可从核融合反应本身产生的中子生成。发电厂不仅可取用一般海水中的成份当做燃料,而且完全不会制造空气污染或放射性污染。这种发电方式就好像用一颗恒星来推动地球上的无数机器,它能永远满足人类对能源无止境的需求。

●核融合技术的两大主流

目前世界上致力研究的核融合实验分为两大主流。其一为「磁控核融合」,磁控聚合是利用强磁场将电浆悬空限制在磁场中,进而产生能量反应。核融合的另一分支是「惯性约束融合」(ICF),是用多束强雷射光来压缩固态氢小球,使其在很短的时间内升华成气体,电离后产生核融合。

设备的点燃装置也不同。
在法国的点燃设施,是以超导磁铁将氢同位素聚集在一起,再加热到1亿5000万℃,以磁性作用聚集电浆。
美国的点燃设施,是以雷射光束挤压小球核心,力道足以融合球中的氢同位素,释放出相当于小型氢弹的庞大能量。

世界上许多国家都已在致力掌握核聚变技术,自苏联赠送给中国超导HT-7实验装置后,中国成为继俄、日、法后,第四个拥有托卡马克的国家。现在美国、日本、韩国、巴西和欧盟也都在努力研发新技术。德国的核融合装置(W7-X )是其中最有前瞻希望的一个,一般常见的托马克核融合反应器,需要靠电流来帮忙控制电浆, W7-X的仿星器架构是用扭曲后变成 3D 的磁场,来取代托马克反应器 2D 的磁场。

要让核聚变供应城市的电力可能还需要数十年的发展时间。中国大陆首先参与在法国南部的国际热核聚变实验堆(ITER)计划。多国合作的ITER是世界上最大的聚变实验装置,由中国、欧盟、俄罗斯、美国、日本、韩国和印度7方共同展开研究,目前建造在法国南部。如果顺利,ITER预计会在2035年输出聚变能。预计在2050年左右,可以实现核聚变能商业应用,并预期在2100年供应全球20%用电。

●核融合待突破的障碍

在高能粒子束的作用下,使氢原子核硼原子能够保持在电浆状态,并且控制反应炉内电浆持续流动是个大难题,电浆的密度和温度会不稳定变动,导致核融合反应中断。如果让电浆在磁场变形的同时被搅动混合,这种混合效果就能确保电流曲线的平坦。也就是用磁场笼子关锁炽热的核燃料。中国的核融合装置(EAST)系统源于俄罗斯设计的加强版,控制电浆泄漏,是透过空气被吸入内部真空,找出解决方法。

目前没有一个托马克团队能像中国安徽的团队一样,能保持核融合较多的稳定性。核融合世界的前记录,是1997年的欧洲联合环形加速器,输出持续不到一秒钟。2016年12月中国率先研制成功最核心的核融合材料部件后,2017年又实现了电子温度5000万摄氏度、持续时间101秒的稳态长脉冲高约束等离子体运行,再创造世界新纪录。中国科学家们已经在开始讨论;将目标再进一步延长10倍时间,温度在摄氏1亿度。但光是开启机器,每天就需要花费15万美元,这还不包含上百名专家的工资和硬件设备成本。中国在过去10年推动核聚变实验堆(ITER)计划,已投入人民币约40亿元(台币181亿元)。

相较于中国大陆;或亚洲邻近的日、韩,台湾现今尚未有核融合相关的研究计画,核融合反应器工程复杂浩大,需要各领域人才针对细节共同投入研究。

●改进传统核能安全措施

要实现核融合的无限能源目标还很遥远,传统核裂解方式供电;是目前唯一既不会大量排碳;又较廉价的能源来源。因此,改进传统核能安全;仍是世界大多数先进国家必须同步进行的研究计画。中国广西核电厂的安全处理程序,是一个可以参考的范例~

广西核电厂的安全处理程序

广西防城港核电站,华龙一号机是中国自主研发的第三代核电,电厂安全防护体设计,必须能耐受相当于波音747飞机的撞击。机体外采双层安全壳,各为1.2米和1.5米厚度,内壁再加上一层6毫米厚钢板。反应堆中的核燃料棒,都有包殻,以压力容器置于蓝色硼酸水中,硼酸水对于核辐射有很强的吸收和屏蔽作用。(硼酸可吸收中子数量,使核分裂连锁反应停止。)

危机处理必需水源,除了引进海水外,还有备份水源。设计者为反应堆缺省了三重各自独立的保险装置,如果发生水火灾害时,,其中一列发生故障,仍有两列可以立即接应。再考量到预防,万一遭遇三列防护装置都失去电源的状况,又在外围增设了五台柴油发电机。如果五台柴油发电机也故障?安全壳的顶部又加载了3000立方的水箱。再如果所有电源都失去时,水箱仍可因重力作用,继续冷却反应堆。

六种工作人员的身份卡上,都印制了安全操作规程。自主建立的"和睦系统"随时监测核电厂运作情况,为保证安全性和稳定性,须透过上千道测试和鉴定,厂房环境去除静电也是必须的。"和睦系统"有两个关键指标,防止"拒绝操作率"和"误动率"的发生,必须频繁地不断测试,主控室操作员须经过一百多种考试。

●处理核废料的新技术

有些工业和医疗设备都会产生辐射源,在汰换过程就会成为低阶核废料,占全台低阶核废料约10%。即使台湾没有四座核能电厂,仍然会产生出低阶核废料。核电厂产生的高阶核废料也可以透过再处理,成为可供新式反应炉使用的核燃料。旧有核电厂的核燃料棒只使用了5%,还有 90%没有用到,这90% 还可以再提炼再使用,成为下一代核能来源。铀矿用尽后仍可继续以核能发电提供清洁电力,因此核电厂产生的高阶核废料其实仍算是「资产」,而非「垃圾」。

目前核废料提炼的技术已经成熟,而且再提炼的燃料已在世界各地使用,核废料或核燃料仍是很值钱的,但在台湾却被政治化,台湾的再处理技术是因受到阻碍而停止。分离铀与钸做成再生铀,后续可再利用发电,而原有的核废料体积仅剩1/5的玻璃固化废弃物,台电曾在2015年编列112.57亿元预算试办,却遭民进党立委反对而删除预算。

电浆物质团块过滤器是一项创新技术,利用热与电磁场将核废料中最具毒性的放射物质驱逐出来射到玻璃制造机器中,然后,放射性元素物质与熔解的玻璃混合在一起倒入不锈钢制作的桶罐内贮存。玻璃固化深埋可大量减少贮存所需空间。专家指出,国内核能议题背后的症结是「不尊重专业」以及「缺乏科普教育」。

●核电安全的关键处

福岛核电厂的反应炉是第二代产品,而且该厂的内部管理问题很大!1980年代中期,已有人断言,一旦发生事故造成燃料棒过热与熔毁后,日本核电厂使用的"马克1型"反应炉爆炸的机率高达90%,日本方面很自信,始终没有在意。

2011年3月11日,东日本大地震引发大海啸,淹没福岛核电厂发电机室,损毁紧急柴油发电机,使冷却系统停止运作,致反应炉过热。发生事故第一时间,东电公司并未采取紧急措施灌入硼酸水,因为这样会使反应炉全毁,行内人透漏,东电很可能是基于财损考量。

炉心完全熔毁后就无可控制,核电厂的蓄水罐之后又大量泄出放射性污水到海里,至今也只能这样处理,因此福岛核灾仍是"现在进行式"。东电任用许多并无核能知识的一般工人,担任厂区维护工作,更令举世大惊!
福岛核灾已可确定是人祸。

台湾和中国大陆的所有核电厂都是公营,维修和管理工作者都是专业人员。一旦遭遇危急状况,首先考量的当然会是安全;而不是财损。中国大陆的核电厂比日本核电厂严谨甚多,燃料棒以压力容器包壳,泡在硼酸水中,燃料棒一旦过热会先烧毁包壳,硼酸水立刻淹没,就会使核分裂连锁反应停止。核灾在这第一道措施中就已很难发生,后面的三道措施会用到的机率更是微乎其微。

目前全球运转中的435部机组大多数属第二代核反应器,台湾核一、二、三厂六部机组都属于第二代反应器。目前全世界商用核反应堆大多采用的也都是第二代技术,2014年后才有10几家采用第三代技术的新建核电厂出现,台湾的核四在全世界中仍算是较新型的。

●第四代核反应堆研发现况

核反应堆结构从第一代到第三代,均为轻水反应炉,在压力容器中装满水,利用铀发生核裂变,生成的能量产生蒸汽进行发电。

第四代改用钍熔盐反应炉,使用的是在熔盐液体中加入了钍和钸的液体燃料。一旦发生炉心熔毁,熔盐外泄,温度会下降,熔盐自动冷却为固体不会继续流动造成事故范围扩大,而高温反应也会自动停止。第四代反应炉有以下优点,半衰期已从数百万年降至数百年。同样数量的核燃料多产出100至300倍的能量。可利用现有核废料产电。大幅改善运转安全度。

在 ‎2011年福岛核灾后,世界各处第四代核反应堆的研发经费大量受到压缩,仅比尔盖兹的泰拉能源公司没有停下脚步。也只有中国大陆一度停顿核能电厂研发进度后,又决定继续快步赶上。位于中国山东的石岛湾核电厂在这方面最先进,石岛湾核电厂原采用中国自主发明的第四代"高温气冷堆技术",俗称「快堆」的核反应堆。又和比尔盖兹合作,再引进第四代核能发电新技术"行波反应炉"。山东石岛湾核电厂2017年底建成发电后,是世界首座;也是目前唯一的第四代商用核电厂。



●结语

台湾的核工人才不断流失,开发核融合技术要跟上?已经完全落空!

核四建厂三千亿成本会计如果由「资产」转列「资产减损」,台电恐将破产!台湾的离岸风电不仅趸购费率高,而且保证收购20年,总费用江达2兆1000亿,而且这是一种很易受气候影响很不稳定的供电来源。中国大陆是全球太阳能最大市场,占全球比重超过一半,因效益有限,已经在「急踩煞车」。这时台湾却在大力推动太阳能,希望借以取代其它发电。台湾要在2025年达到非核家园的目标,至少需要2万公顷的土地供太阳能发电,农地耕作面积已经很有限,这么多土地要去哪里里找?

台商回流,需要更大量的电力供应,蔡政府的非核家园政策没有一个可行的过渡计画,眼前唯一能再增加供电的方法,就是增加火力发电机组了,全台民众的健康已经赔下去,另方面,平均每个婴儿一出生就已背债104万元,再这样胡搞瞎搞下去,后果很可怕呀!



中国缩磁约束聚变实验装置「科大一环」,简释核融合。


中国核废料处理技术


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回响(5) :
5楼. 玉米苹果
2018/12/15 18:00

   这显系是 "内行人的行话"。拍脸(清醒一下)

   赞同。

是经常阅读得来的常识,非专业论述。 yusheng2018/12/16 18:14回覆
4楼. Catherine L
2018/12/10 09:28
要制造可以承受太阳核心温度10倍的机器怎么可能?  早就熔掉了!
核融合反应炉的隔热方法︰
核融合可达到所谓的一亿度,是指加速粒子使其动能换算成温度超过一亿度,并不是真的把一个物质加热到一亿度。
但炉内的反应堆热度仍极高,是利用甜甜圈型式的电磁场,将电浆封闭在反应炉环状部份的中心,电浆是悬浮在真空中,不让电浆碰触到周围的容器壁 面,可降低热传导作用。反应炉壁面则用镜面耐热金属去除热辐射。并使炉内保持负压状态,避免热能泄出。围绕的线圈维持在零下269度低温。
2016年,中国率先研制成功最核心的核融合材料部件,也就是必须能承受太阳温度的D型环内壁材质。当然,用的是何种材质仍是技术机密,现在还不会公开。这种名为"HT-7U"的内外冷屏是超导磁体的热屏障。 yusheng2018/12/10 15:19回覆
3楼. 方正平
2018/12/07 01:02
硼酸水溶液无色透明,并不是蓝色。反应炉里的水呈现蓝色,是因为一种契忍可夫光的物理现象。
感谢进一步的解疑!盲目反核的人,不如先真正了解核能发电是怎么运作的。 yusheng2018/12/08 18:06回覆
2楼. 安欧门
2018/12/06 10:28

风电、太阳能,科技水平遥远,百分百自欺欺人,根本不敷成本,

(正如同那「高铁」,明明亏死,还要硬骗,可怜全民买单。)

燃煤发电落伍至极,燃油燃气发电重度污染,

台湾本来逃不了核电,封核四大错特错,

两大党一起敲响台湾经济发展丧钟,将来只剩发臭口水。

台湾近四年平均经济成长率5.2%,同期间国民实质经常薪资平均年增率竟是「负0.2%」,亦即,受薪大众的收入其实是在倒退的。
原因在于,自2005年起,政府把在外国设厂的台湾企业营收也列入GDP计算。从这件事就可见,两党都同样在欺骗民众! yusheng2018/12/06 11:46回覆
1楼. *Susan*
2018/12/05 22:37
这...大哥也懂 真是太厉害了!
退休后的主要消遣就是阅读、写作和鬼画胡,多吸收点各类常识,下辈子也许还可用得上。想 yusheng2018/12/06 11:45回覆
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