emc2產(chǎn)業(yè)現(xiàn)況與未來發(fā)展-資料下載頁
2025-01-18 14:31本頁面
【正文】 核燃料循環(huán)之展望 ? 資料來源 : GIF00200 , “ A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems” , December 2023 第四代核能電廠 第四代反應(yīng)器之設(shè)計(jì)目標(biāo) ? 永續(xù)經(jīng)營 – 供應(yīng)永續(xù)穩(wěn)定之潔淨(jìng)能源，系統(tǒng)長期可用率之提升，燃料使用效率高 – 核廢料產(chǎn)生及管理降到最低 ? 安全可靠 – 反應(yīng)器之運(yùn)轉(zhuǎn)非常安全與可靠 – 非常低之爐心熔毀機(jī)率 – 可以省去廠外緊急應(yīng)變計(jì)畫 ? 經(jīng)濟(jì) – 發(fā)電之生命週期成本 (lifecycle cost)較其他能源便宜 – 財(cái)務(wù)風(fēng)隩與其他能源計(jì)畫相當(dāng) ? 核武擴(kuò)散之阻止與保安 – 從根本解決核武材料之?dāng)U散以及針對恐怖活動(dòng)加強(qiáng)保安 第 III+代核能電廠 ? Deployment by 2023 ? Industry involvement ? Improvement over current advanced LWR performance ? Advanced Boiling Water Reactors – ABWRII – ESBWR – SWR1000 – HCBWR ? Modular HighTemperature GasCooled Reactors – GTMHR – PBMR 第 III+代核能電廠 ? Advanced Pressure Tube Reactor – ACR700 ? Advanced Pressurized Water Reactors – AP600 – AP1000 – APR1400 – APWR+ – EPR ? Integral Primary System Reactors – CAREM – IMR – IRIS – SMART 第四代核能電廠 核能與氫能之結(jié)合 ? 氫能的使用有許多優(yōu)點(diǎn)，但最大的問題為如何用潔淨(jìng)無碳的能源生產(chǎn)大量氫氣？ ? 目前產(chǎn)生氫氣的方法，多利用化石資源燃燒的熱量來產(chǎn)氫，在過程會(huì)製造二氧化碳，方法包括： – 電解水 – 高溫分解水蒸氣為氫、氧 – 高溫?zé)崃呀? ? 利用核能將反應(yīng)氣體加熱至高溫以驅(qū)動(dòng)高熱之化學(xué)反應(yīng)，可以產(chǎn)生潔淨(jìng)無碳的氫能源 核能產(chǎn)氫 ? 核能高溫?zé)峄瘜W(xué)產(chǎn)氫基本反應(yīng) 1. 以核能高溫（ 800 1,000℃ ）分解硫酸，產(chǎn)生氧氣、二氧化硫。 ? H2SO4 → H 2O + SO2 + 1/2O2（吸熱） 2. 加入碘與二氧化硫、水反應(yīng)，產(chǎn)生碘化氫。 ? I2 + SO2 + 2H2O → 2HI + H 2SO4 (產(chǎn)熱 ) 3. 將碘化氫的碘和氫分離（ 200 500℃ ），產(chǎn)生氫氣和碘。 ? 2HI → H 2 + I2 ? SO2與 I2都是可以循環(huán)利用的中間產(chǎn)物，不會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生任何負(fù)擔(dān) ? 上述產(chǎn)生氫氣的化學(xué)反應(yīng)須在高溫下進(jìn)行 ，目前之輕水式反應(yīng)器操作溫度約在 280℃ 左右，故無法用來生產(chǎn)氫氣 核能產(chǎn)氫 核融合之現(xiàn)況與展望 氘（ deuterium）與氚（ tritium）的核融合反應(yīng)。氘和氚發(fā)生核融合後，2個(gè)原子核結(jié)合成一個(gè) (a粒子 )，並放出一個(gè) 。產(chǎn)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(xiàn)況與展望 ? 取之不盡的能源 – 核融合的燃料 (氘和氚 )很容易取得；據(jù)估計(jì)，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。 ? 核融合不會(huì)產(chǎn)生任何放射性廢料，沒有廢料難解的技術(shù)與政治問題。 ? 只要減少電漿密度或氘氚供給，核融合反應(yīng)可以隨時(shí)終止，其控制性比現(xiàn)行核分裂反應(yīng)器要容易。 核融合之現(xiàn)況與展望 ? 核融合反應(yīng)裝置的物理考量 – 要讓核子與核子能夠很「靠近」才可能有核融合反應(yīng)發(fā)生 – 核子 (氘核子及氚核子 )皆帶正電，會(huì)互相排斥，故必須外加相當(dāng)?shù)哪芰恳云瞥龓靷愲娢徽媳? – 核融合之研究重點(diǎn)在於將氘核子及氚核子電漿侷限於一個(gè)與外界隔離的空間，使其相互碰撞 ? 目前可望達(dá)成熱控核融合發(fā)電目標(biāo)的兩種方式： – 磁場控制核融合 – 雷射核融合 核融合之現(xiàn)況與展望 Tokamak磁場控制核融合 ? 磁場控制核融合以托克馬克 (tokamak)的磁約束裝置較為先進(jìn)。 ? 托克馬克為蘇聯(lián)科學(xué)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(gè)「托克馬克」裝置 (一個(gè)形如甜甜圈 (donut)的環(huán)形容器 ) – 以強(qiáng)大的磁場約束電漿粒子的運(yùn)動(dòng)。 – 在此裝置中，於甜甜圈的環(huán)行管外加上電流線圈 (toroidal field coil)，並通過強(qiáng)大電流以產(chǎn)生水平面 (toroidal)方向的磁場 – 帶電粒子沿著水平面磁場方向做迴旋運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生水平面電漿電流，水平面電漿電流進(jìn)而造成垂直面 (poloidal)上之感應(yīng)磁場 – 總磁場為此兩種磁場的疊加，其磁力線以螺旋方式環(huán)繞裝置內(nèi)部 – 電漿粒子會(huì)沿磁力線快速地做螺旋式環(huán)繞運(yùn)動(dòng)，所以電漿就這樣被約束在這種環(huán)形的容器中 核融合之現(xiàn)況與展望 Tokamak磁場控制核融合 ? 托克馬克磁約束裝置中的電漿，磁場和產(chǎn)生磁場的電流線圈；水平方向(toroidal)磁場及垂直方向 (poloidal)磁場結(jié)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(xiàn)況與展望 關(guān)鍵參數(shù) ? β值： β = 2P/ B2 ( P為電漿壓力， B2/2為磁場壓力，B為磁場強(qiáng)度 )，它代表在一定磁場強(qiáng)度下可束縛的電漿多寡。 – 一般而言，磁控核融合裝置的設(shè)計(jì)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 – 由於電漿中有許多不穩(wěn)定性與一些仍未釐清的物理機(jī)制，目前托克馬克實(shí)驗(yàn)裝置能得到的 β大多在 3%以下 – 一個(gè)具有經(jīng)濟(jì)效益的反應(yīng)器其 β值需要 5 %以上。 ? 束縛時(shí)間 τE ： – 能量束縛時(shí)間從數(shù)微 (百萬分之一 )秒延長至一秒，其運(yùn)作時(shí)間仍未能維持超過一分鐘的脈衝長度 核融合之現(xiàn)況與展望 關(guān)鍵參數(shù) ? 以高能 α粒子來維持核融合運(yùn)作所需要的條件 ： – nTτE 5 1021 (m3keVs)，這關(guān)係也被稱為 ” Modern version of Lawson’ s criterion” ，其中 n為粒子密度， T為正離子溫度 ， τE為 束縛時(shí)間 – 過去四十年中， nTτE值從 21017增加到 1021 (m3skeV) ，仍需要提升五倍 過去四十年在托克馬克電漿實(shí)驗(yàn)研究中，所產(chǎn)生電漿的 nTτE 及反應(yīng)器中心正離子溫度 (T)的進(jìn)展。 (此圖來源為 Princeton Plasma Physics Laboratory。 ) 「國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)爐（ ITER）」計(jì)畫 ? 「 國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)爐（ International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER）」計(jì)畫是繼國際空間站、伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)等之後另一超大型國際科技合作專案計(jì)劃。其意義不亞于人類基因工程計(jì)劃和國際航空站。 ? ITER將成為世界第一個(gè)產(chǎn)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 ? ITER在拉丁語是“道路”的意思，合作建設(shè) ITER的七方(歐盟、日本、美國、俄國、韓國、中國及印度 )協(xié)議，這條開發(fā)核融合的道路，將建在法國卡達(dá)拉舍 (Cadarache) ? 2023年為實(shí)際建造 ITER的開始 ? 至少還需要經(jīng)過 50年，才能把熱核融合技術(shù)商業(yè)化，實(shí)現(xiàn)成本效益 演講完畢，謝謝觀看！
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