第二章 研究背景與簡介
2.3 核能發電簡介
2.3.1 核能發電原理
自十八世紀發明發電原理之後，科學家們便積極尋找推動導線旋轉 之動力，來發展持久且大量的發電方式造福人類。核能發電之原理與水 力、火力發電廠相似，核能發電為利用鈾燃料進行核分裂連鎖反應所產 生的熱，將水加熱成高溫高壓的蒸汽，以推動渦輪機來帶動發電機發 電。核能發電所使用之 235U 純度僅約佔 3 %－4 %，其餘皆為無法產生 核分裂之 238U。核分裂可分為重原子核自動起分裂，為兩個分裂碎片
（Fission Fragment）之自發核分裂（Spontaneous Fission）及原子核受 中子或質子等衝擊而起分裂之誘發核分裂（Induced Fission）兩大類。
目前，所稱「原子能發電」或「核能發電」係指利用重原子核燃料 ( 即 233U、235U 及 239Pu )，於核反應器( Nuclear Reactor )內分裂達鏈鎖 反 應 時 所 產 生 之 熱 能 ， 再 藉 此 熱 能 或 直 接 產 生 蒸 氣 或 導 至 熱 交 換 器 ( Heat Exchanger )產生蒸氣，用以推動汽輪發電機之一種過程，使熱能 轉變為電能。
1n + 235U → 236U* （2-5）
圖 2-6 中子誘發 235U 核分裂之過程
圖 2-6 為中子誘發 235U 核分裂之過程，熱中子（Thermal Neutron）
與 235U 反應生成過渡態之 236U*中，有6
7之機率會進行核分裂，另外，1 7 之機率會放出γ射線回到基態。分裂成兩個中等體積之裂變產物，包含
28Ni 到 65Tb 之間之各種可能同位素，原子量分佈於 72 到 162 之間多種 元素之同位素原子核，並放出 2~3 個新中子，此新生之中子經緩和劑
（Moderator）減速後，又可引起其他 U 原子核之分裂，這樣連續不斷 反應，稱為核分裂鏈反應（Nuclear Fission Chain Reaction），簡稱鏈反 應（Chain Reaction），亦有人稱為鏈鎖反應，如圖 2-7 所示。當帶有過 多中子之產物，則以β衰變再回到基態，因此，於整個核分裂過程之中，
會釋放出許多輻射線。平均來說，一個 235U 與一個熱中子反應，將分 裂為兩個核碎片、2.42 個中子與 200 MeV（MeV=百萬電子伏特）之能 量。相對於火力發電，核能發電極為經濟，一克碳燃燒約生成十仟卡
（kcal）之熱能，一個鈾分裂後產生之能量為一克碳之兩百萬倍，因此，
核能發電不會產生溫室廢氣，而發電效率上遠遠優於火力發電，為一個 值得發展之電力來源。
235 1 141 92 1
92 U+0n→56 Ba+36Kr+30n （2-6）
圖 2-7 鏈鎖反應
核能發電廠的原子爐為人工控制下的核反應器，核分裂之鏈反應於 其中有限制地進行，構成核反應器不單要有核燃料，還需以下六個部 分，其裝置如圖 2-8 所示[2,58,61,63]：
（1）中子源（Neutron Source）：鋦 (Curium,96Cm)能夠自發核分裂 產生中子之外，以鈾 (Uranium,92U)或鈽(Plutonium,94Pu)為核燃料之核 反應器，不能單獨引起核分裂之反應，需由中子源提供第一個中子與
235U 產生核反應，經核分裂後才能產生更多中子。而中子源通常由α或 γ放射體與輕原子核組成。
圖 2-8 沸水式反應器[2]
（2）核燃料（Nuclear Fuel）：天然鈾之235U 含量僅有 0.7 %，另外 99.3 % 為不具分裂性的238U，因此，核反應器所使用之核燃料235U，需事先將濃度提 高至 3 %或 20 %，即為一般核反應器所使用核燃料之濃縮鈾（Enriched Uranium）。濃縮鈾有固態、液態、熔鹽態或氧化態等形式存在，如圖 2-9 燃料 丸及核反應器示意圖，亦有以濃縮鈾與鋁合金構成核心，周圍再以石墨所製成 之反射體（Reflector）包圍，來防止中子散失。
圖2-9 燃料丸及核反應器之核心示意圖[2]
（3）緩和劑：又稱為減速劑。核分裂所生成的中子能量為 200 MeV 快中 子，與235U 反應之截面積很小，不易與鈾核起核分裂反應。因此，
於核反應器中添加中子緩和劑，使高能量的快中子能降低至能量僅有0.025 eV 熱中子，來增加核分裂反應之機率。常用的中子緩和劑有水、重水、石墨、石 蠟、氮氣、氦氣或二氧化碳，其中以重水為最佳緩和劑。
（4）控制棒（Control Rod）：或稱為控制板（Control Plate）。硼（B）、銪
（Eu）、釤（Sm）、鉿（Hf）及鎘（Cd）等極佳之控制棒為原料，將其本身或 與鋼製成合金，以棒狀或板狀插入核反應器核心來控制核燃料的核分裂反應。
（5）冷卻劑（Coolant）：降低核心部分之溫度，可將核反應所生成之熱能 移至反應器外。常見材料包含水、重水、氦氣、鈉鉀合金與二氧化碳，其中最 經濟的冷卻劑為水。
（6）圍阻體（Shielding Barrier）：亦有稱為屏蔽體。水為一種經濟又方便 之圍阻體，另外，亦可使用石蠟、鉛塊或混凝土牆，來防止輻射外洩。
核分裂所生成之熱能，將水達350 ℃高壓水蒸汽而帶動蒸汽渦輪機來轉動 發電機發電，經冷卻之後可循環使用。