核能發電的原理

設計者：陳緯庭

核能發電的原理

核能

核能是原子核結構發生變化時放出的能量。它可經由核裂變或核聚變釋放出來。在核裂變時，較重的原子核例如鈾和鈈的原子核分裂；而在核聚變時，較輕的原子核例如氘和氚的原子核聚合。這兩種過程中都會放出大量高度集中的能量，稱為核能。

1905年，愛因斯坦發現物質和能量其實是同一樣東西，因此物質可以轉換成能量，其轉換比例可由方程描述（其中E=能量，m=質量，c=光速常量）。當鈾原子核分裂成一些較細的原子核和粒子時，最終形成的原子核和粒子的總質量，比未分裂前的鈾原子核的質量小。換句話說，有部份質量轉換成能量，並以熱能的形式釋放出來，這便是核裂變。反之，當幾個較輕的原子結合，合成原子的結合能大於原本所有原子結合能之和，這便是核聚變放出能量的來源。

由於科學家仍未能有效控制核聚變過程，現時所有核電廠都經由核裂變發電。例如大亞灣核電廠就是透過鈾原子核的分裂來發電。

核聚變

核聚變能釋放巨大的能量。在太陽的中心，能量也是由核聚變產生的。在太陽裏，每秒鐘發生個聚變，使五百萬噸的質量轉變為能量！雖然這質量看起來很大，但與太陽整體的質量相比，實在是微乎其微。就是這種核反應產生的能量，維持太陽發光數十億年。

鈾的裂變

鈾的原子核是由中子和 92個質子組成，而中子的數目可以不同。例如鈾-235 的原子核有 143 個中子和92 個質子，總共有 235 個核子。鈾-238 的原子核就有 146 個中子和92個質子，總共有 238 個核子。

鈾-235 較易產生核裂變。在天然的礦物鈾中，鈾-235 的含量只有 0.7 %。核電站所用的二氧化鈾是經過濃縮的，一般含有 3-4 % 的鈾-235。當鈾-235 的原子核被一顆中子碰撞時，原子核便會分裂成兩顆較輕的原子核，同時釋放出能量，以及兩個或三個中子。

在核電站中，鈾裂變時放射出的中子會引發其他鈾原子核的裂變，這個過程不斷重複，在反應堆中產生了一個鏈式反應，不斷地產生能量，如下圖所示。

若核裂變不受控制地不斷倍增，釋放的能量便會非常快速地增加到危險的水平。原子彈的設計，便是利用高濃度的鈾-235，容許其進行不受控制的鏈式反應，引致巨大的爆發。然而，在核電站中鈾-235 的濃度永不足以產生這樣的爆發，而且鏈式反應被非常小心地控制著，以確保能量產生的穩定性。

要控制鏈式反應的能量釋放，可在反應堆內插入能吸收中子的控制棒，把過多的中子吸收。這可以確保中子的數目不會過多而使反應的速率過高。當控制棒插入反應堆中較深處時，維持鏈式反應的中子就會減少，反應堆輸出的功率便會下降。拉出一些控制棒，便可使輸出功率上升。

核電廠的運作

現在使用最普遍的民用核電站大都是壓水反應堆核電站，大亞灣核電廠便是其中的例子。它的運作原理是：用鈾製成的核燃料在反應堆內進行核裂變，產生巨大的能量，反應堆內的迴路裝置利用水把能量傳輸到鍋爐，然後產生蒸氣。蒸氣通過另一個迴路進入渦輪機，驅動發電機組發電。核電站一般分為兩部分：利用原子核裂變生產蒸氣的核島（包括反應堆裝置和一迴路系統）和利用蒸氣發電的常規島（包括渦輪發電機系統）。