2011年4月1日

蘊藏巨大能量的元素—鈾

作者/柯廣裕(任職台電燃料處)

鈾在地球上形成各式各樣的化合物,為許多礦物的構成元素之一,已知的含鈾礦物即超過150種。鈾存在於礦石、土壤以及水中,可藉開採含鈾礦物而提煉獲得。自然界的鈾礦主要含有兩種鈾的同位素,即「鈾– 235」(U235 ,比例約占0.7%)與「鈾–238」(U238 ,比例約占99.3%),其中鈾–235 才能產生分裂反應,而鈾– 238 並不能產生分裂反應。核能發電所使用的鈾–235純度約占3~5%,其餘95~97%的部分一般皆為無法產生核分裂的鈾– 238

因原料鈾含有的鈾– 235 濃度只占0.7%(其餘為鈾– 238),不能直接製成核能電廠發電使用的核燃料,因此必須給予濃縮,提高鈾–235的濃度,才能進一步製成核燃料使用。鈾礦在經過採礦、提煉及化學處理後所製成的原料鈾具黃色外觀,俗稱「黃餅」(yellow cake)。全世界主要蘊藏鈾礦的國家為澳洲、哈薩克、加拿大,以及南非。而世界上原料鈾的主要生產國家為加拿大、澳洲、哈薩克、俄羅斯,以及非洲的尼日(Niger)等。

鈾燃料與核能發電

所謂的核能發電,其原理為利用反應器中的核燃料,當其原子核分裂時所產生的能量將反應器中的水加熱,直接產生蒸汽(沸水式反應器,如核一、二廠),或產生高溫高壓的水,經由熱交換產生蒸汽(壓水式反應器,如核三廠),然後再藉著蒸汽的力量推動氣機,進而轉動發電機而產生電。

鈾是核能發電所需的燃料,它的蘊藏量可滿足能源需求至21 世紀的中期。目前核燃料的來源穩定,台灣本身自產能源不足,新能源亦尚未發展成熟,因而須以能源多元化政策以分散風險,適度發展核能確實能減低能源危機所帶來的衝擊,並且也可減少二氧化碳與溫室氣體的排放。由於高價能源時代的到來,各種燃料價格高漲,再加上環保意識與溫室效應之考量等,未來各種電源之開發,如無其他新興替代能源之開發,因此核能發電被視為是無可取代之選擇,否則對於環境與經濟層面等皆將造成巨大之衝擊。

鈾燃料體積小,發電量大;舉例來說,一顆香煙濾嘴大的鈾燃料便可以提供一家三口一年來所需的電力。因此,核能發電廠每年所需填換的鈾燃料數量非常有限,例如核四廠每年需要的鈾燃料約81 公噸,且運輸便捷、儲存方便。如果以煤替代,則需進口煤約570 萬公噸;若是油替代,則約需380萬公噸,以天然氣替代約需271萬公噸,不僅運儲費事,且在世局動蕩下,更難確保供應穩定。相較之下,核反應所放出的熱量較燃燒化石燃料所放出的能量要高很多,足足相差約百萬倍,所需要的燃料體積比火力電廠少了相當多。

核燃料循環簡介

核燃料不同於傳統化石燃料之處,在於原料鈾不能直接置入原子爐使用,而是需要經過多重前置加工的程序,再經製造成為製成核燃料(fabricated nuclear fuel assembly)才能使用。蘊藏於地底下之鈾礦,經開採、碾磨、萃取精鍊成原料鈾,其化學成分為八氧化三鈾(U3O8),係黃色粉末固體,即黃餅。我國目前運轉中之核能電廠均屬輕水式反應器,採用輕水(light water)作為冷卻劑及緩和劑。其所使用之核燃料,鈾–235須經濃縮程序提高含量到2~5%之間,才能維持長期臨界運轉,因此原料鈾須經過轉化、濃縮,最後製造成燃料元件(fuel assembly)等多重加工服務,才能置放於反應器內使用。【更詳細的內容,請參閱第496期科學月刊】

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