核能電廠怎麼發電

核能電廠怎麼發電
國立臺灣大學土木工程研究所鄒謹謙

發電機的工作原理

發電機是把動能或其他形式的能量轉化成電能的裝置，一般是先將各類一次能源（指自然界中存在的天然能源，如化石燃料、核燃料、太陽能、水力等）蘊藏的能量轉換為機械能，然後通過發電機轉換為電能，經輸電、配電網路送往各種用電場合。

發電機是運用「電磁感應」原理將動力所作的功轉換成電能的裝置，通常由線圈與磁鐵構成，利用各種動力（如水力、風力、蒸汽）使線圈在磁鐵的兩極間轉動；當線圈轉動時，線圈內的磁場改變，因此產生感應電流，示意圖如圖1所示。

圖1：發電原理
（圖片來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Alternator_1.svg）

核能發電的原理

核能電廠發電原理和水力、火力發電廠有共通點，就是設法使汽輪機轉動，汽輪機為一個帶有中心軸的扇葉，當流體（例如空氣、水及蒸汽）通過扇葉時會帶動整個中心軸開始轉動，進而帶動發電機切割磁場，將機械能轉變為電能。

核能發電廠所用的動力來源是靠核分裂所釋放出的能量將水煮開。圖2為一沸水式反應爐(Boiling Water Reactor)發電方式示意圖，反應器壓力槽（又稱爐心）中紅色部分代表反應器中的燃料棒，提供核分裂連鎖反應的原料。水在爐心被加熱為蒸汽，經由導管送至汽輪機，進而帶動發電機發電。蒸汽經過海水或其他降溫方式冷卻為水後，再度被注入爐心。

爐心是進行核分裂連鎖反應的地方，核分裂過程所釋放的能量主要來自燃料棒中的鈾-235元素分裂後損失的質量，分裂後的原子總值量較分裂前輕，這些減少的質量就是核能的來源。根據愛因斯坦提出的質能等價公式「E=mc²」(E焦耳，m質量，c:光速 m/s)可以知道，只要損失些微的質量就能釋出極大的能量。

圖2:核能發電示意圖
(圖片來源:http://wais.ee.kuas.edu.tw/energyworld/powerworld/main/chap04-topics/2.topics/88/ylc/%AAm%A4%F4%A6%A1%A4%CF%C0%B3%BE%B9.htm)

何謂核分裂與連鎖反應?

核分裂(Nuclear Fission)在1938年被發現，是指由較重的（原子序數較大的）原子，主要是指鈾或鈽，分裂成較輕的（原子序數較小的）原子的一種核反應或放射性衰變形式。原子彈以及核電廠的能量來源都是核分裂。早期原子彈應用鈽-239為原料製成，而鈾-235裂變在核電廠最常見。

連鎖反應示意圖如圖3所示。鈾-235原子核受到中子撞擊時，容易分裂，並且產生二個以上的中子，這些中子繼續撞擊其他的鈾-235 原子核，造成兩個或以上的周邊核反應被觸動，從而帶動其他核反應以指數形式增長，形成連鎖反應。若聚集在一起的鈾-235原子足夠多，將會瞬間釋放大量的能量。雖然核電廠燃料棒中鈾-235的濃度通常很低，大約在3%到5%，其餘皆為無法產生核分裂的鈾-238，但核電廠仍需要對反應爐中的中子數量加以控制，以防止功率過高造成爐心熔毀的事故。

圖3:核分裂連鎖反應
(圖片來源:http://home.phy.ntnu.edu.tw/~eureka/contents/elementary/chap%207/7-2-1.htm)

以核能做為發電的方法，效率非常高，只要少量的燃料就能生出很大能源，相較於其他傳統常用的發電方式，在碳排放量、水資源問題、燃料匱乏程度等方面具有優勢。雖然核能發電有許多優點，但是也有許多問題需要改進與解決，例如核電廠對附近的生態海域造成影響、核廢料的處理以及核反應爐面對人為疏失與天然災害的安全問題等。臺灣地狹人稠，天然災害的威脅又鉅，對核電的使用當更加謹慎，不可忽視上述問題的影響，才能讓核能發電成為台灣永續發展的正向力量。

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參考資料：
1. 維基中文百科：核分裂（http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%B8%E5%88%86%E8%A3%82）

2.中華民國核能學會(http://www.chns.org/s.php?id=4&id2=27)

3. 能源科技與永續經營(http://www.phys.sinica.edu.tw/~lowtemp/File03.pdf)