什麼是核能？核電的科學
2022 年 11 月 15 日
核能是從原子核釋放能量的一種形式，原子核由質子和中子組成。這種能量來源可以通過兩種方式產生：經由原子核分裂成幾個部分的分裂反應，以及經由兩個原子核融合在一起的融合反應。
當今世界用於核能發電是通過核分裂所產生的，而核融合發電技術正處於研發階段，本文將探討核分裂反應。
什麼是核分裂？
核分裂是一個原子核分裂成兩個或多個較小的原子核，同時釋放出能量的反應。
例如，當鈾-235 的原子核被中子撞擊時，其原子核會分裂成兩個較小的原子核，例如鋇原子核與氪原子核並放出兩個或三個中子。這些額外的中子會撞擊周圍的其他鈾-235 原子，這些原子也會分裂並再產生額外的中子，造成倍增效應，從而在幾分之一秒內產生鏈反應。
每次發生反應時，都會以熱和輻射的形式釋放能量。熱能可以在核電廠中轉化為電能，類似於使用煤、天然氣和石油等化石燃料產生的熱量來發電。
核分裂（圖片來源：A. Vargas/IAEA）
核電廠是如何運作的？
在核電廠內部，由核子反應器及其設備控制鏈反應，最常見的燃料是鈾-235，通過分裂產生熱量。使反應器的冷卻劑（通常是水）產生蒸汽，然後將蒸汽引導至旋轉渦輪機，推動發電機以產生低碳電力。
壓水反應器是世界上最常使用的反應器。（圖片來源：A. Vargas/IAEA）
鈾的開採、濃縮和處置:
鈾是一種可以在世界各地岩石中找到的金屬。鈾有幾種天然存在的同位素，它們是質量和物理性質不同但化學性質相同的元素。鈾有兩種原始同位素：鈾-238 和鈾-235。鈾-238 雖佔世界上鈾的絕大部分，但一般不能產生鏈反應，而鈾-235 則可由分裂產生能量，但只佔世界上鈾含量中的不到 1%。
為了使天然鈾更容易發生分裂，有必要通過稱為鈾濃縮的過程增加樣品中鈾-235 的含量。一旦鈾被濃縮，它可以在核電廠中有效地用作核燃料持續三到五年，之後它仍然具有放射性，必須按照嚴格的指引程序進行處理，以保護人類和環境。用過的核燃料，也稱為乏燃料，仍可回收製成其他類型的核燃料，作為特殊核電廠的新燃料使用。
什麼是核燃料循環？
核燃料循環是一種工業程序，包括在核動力反應器中利用鈾發電的各個步驟。這個循環從鈾礦的開採開始，一直到核廢棄物的處理結束。
核廢棄物:
核電廠的運行會產生具有不同程度放射性的廢棄物，並根據它們的放射性與目的，進行不同方式的管理。
放射性廢棄物管理:
放射性廢棄物只佔所有廢棄物中的一小部分。它是每年數百萬次醫療程序、工業和農業應用使用輻射、以及產生全球約 11% 電力核反應器的副產品。
下一世代的核電廠，也稱為創新型先進反應器，產生的核廢棄物將比今天的反應器少得多。預計它們可能會在2030年之前開始興建。
核電與氣候變化:
核能是一種低碳能源，因為與煤炭、石油或天然氣發電廠不同，核電廠在運轉期間幾乎不產生二氧化碳。核反應器產生了世界上近三分之一的無碳電力，對於實現氣候變化目標至關重要。
國際原子能總署的作用是什麼？
- 國際原子能總署(IAEA)制定並推廣能安全可靠利用核能以保護人類和環境的國際標準和導則。
- IAEA透過提供技術支援與知識管理，以支持世界各地現有的和新的核能計畫。經由里程碑方案，原子能總署向想要開發核電計畫及正在除役的國家，提供技術專業知識和指引。
- 通過其保防與查核活動，IAEA監督核物料與技術，確保沒有轉為非和平用途。
- 由IAEA主導的審查工作小組和諮詢服務，為生產核能生命週期內的必要活動提供指引：從鈾礦開採到核電廠的建設、維護和除役以及核廢棄物的管理。
- 國際原子能總署在哈薩克斯坦管理著低濃縮鈾(LEU)儲備場所，是提供低濃縮鈾給急需用於和平目的國家的最後憑藉。