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核能电厂怎幺发电

2020-07-18

发电机的工作原理

发电机是把动能或其他形式的能量转化成电能的装置,一般是先将各类一次能源(指自然界中存在的天然能源,如化石燃料、核燃料、太阳能、水力等)蕴藏的能量转换为机械能,然后通过发电机转换为电能,经输电、配电网路送往各种用电场合。

发电机是运用「电磁感应」原理将动力所作的功转换成电能的装置,通常由线圈与磁铁构成,利用各种动力(如水力、风力、蒸汽)使线圈在磁铁的两极间转动;当线圈转动时,线圈内的磁场改变,因此产生感应电流,示意图如图1所示。

核能电厂怎幺发电

图1:发电原理
(图片来源

核能发电的原理

核能电厂发电原理和水力、火力发电厂有共通点,就是设法使汽轮机转动,汽轮机为一个带有中心轴的扇叶,当流体(例如空气、水及蒸汽)通过扇叶时会带动整个中心轴开始转动,进而带动发电机切割磁场,将机械能转变为电能。

核能发电厂所用的动力来源是靠核分裂所释放出的能量将水煮开。图2为一沸水式反应炉(Boiling Water Reactor)发电方式示意图,反应器压力槽(又称炉心)中红色部分代表反应器中的燃料棒,提供核分裂连锁反应的原料。水在炉心被加热为蒸汽,经由导管送至汽轮机,进而带动发电机发电。蒸汽经过海水或其他降温方式冷却为水后,再度被注入炉心。

炉心是进行核分裂连锁反应的地方,核分裂过程所释放的能量主要来自燃料棒中的铀-235元素分裂后损失的质量,分裂后的原子总值量较分裂前轻,这些减少的质量就是核能的来源。根据爱因斯坦提出的质能等价公式「E=mc²」(E焦耳,m质量,c:光速 m/s)可以知道,只要损失些微的质量就能释出极大的能量。

核能电厂怎幺发电

图2:核能发电示意图
(图片来源

何谓核分裂与连锁反应?

核分裂(Nuclear Fission)在1938年被发现,是指由较重的(原子序数较大的)原子,主要是指铀或钸,分裂成较轻的(原子序数较小的)原子的一种核反应或放射性衰变形式。原子弹以及核电厂的能量来源都是核分裂。早期原子弹应用钸-239为原料製成,而铀-235裂变在核电厂最常见。

连锁反应示意图如图3所示。铀-235原子核受到中子撞击时,容易分裂,并且产生二个以上的中子,这些中子继续撞击其他的铀-235 原子核,造成两个或以上的周边核反应被触动,从而带动其他核反应以指数形式增长,形成连锁反应。若聚集在一起的铀-235原子足够多,将会瞬间释放大量的能量。虽然核电厂燃料棒中铀-235的浓度通常很低,大约在3%到5%,其余皆为无法产生核分裂的铀-238,但核电厂仍需要对反应炉中的中子数量加以控制,以防止功率过高造成炉心熔毁的事故。

核能电厂怎幺发电

图3:核分裂连锁反应
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以核能做为发电的方法,效率非常高,只要少量的燃料就能生出很大能源,相较于其他传统常用的发电方式,在碳排放量、水资源问题、燃料匮乏程度等方面具有优势。虽然核能发电有许多优点,但是也有许多问题需要改进与解决,例如核电厂对附近的生态海域造成影响、核废料的处理以及核反应炉面对人为疏失与天然灾害的安全问题等。台湾地狭人稠,天然灾害的威胁又鉅,对核电的使用当更加谨慎,不可忽视上述问题的影响,才能让核能发电成为台湾永续发展的正向力量。

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参考资料:
1. 维基中文百科:核分裂(http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%B8%E5%88%86%E8%A3%82)

2.中华民国核能学会(http://www.chns.org/s.php?id=4&id2=27)

3. 能源科技与永续经营(http://www.phys.sinica.edu.tw/~lowtemp/File03.pdf)

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