2013年3月3日

核能議題(三)


核分裂產物和放射線

當一個重原子(比方說,鈾或者鈽)分裂時,它會產生兩個較輕的產物。這個分裂的過程也會產生兩個或三個中子,他們會造成其他重原子分裂,過程當中也會產生巨大的能量,原能工程師們就是利用這些能量來產生電能。
(以上看不太懂?讓我們繼續看下去。。。)


http://vm.nthu.edu.tw/science/shows/nue/critical.html
上文所說的核分裂過程如有圖上半部所示。每次分裂後產生的中子都會引發再來而到三次的分裂,而且分綠次數會以指數增加(1->2->4->8->16...),並且每次都放出巨大的能量,總能量釋放將會十分驚人。這種不受控制的核分裂,稱之為超臨界反應,比如,原子彈爆炸。但是核電廠中的反應則是受到控制的,我們稱為臨界反應-利用鎘或硼吸收中子,只讓一個中子繼續引發下一次分裂反應,即可控制每次反應的數目使其保持固定,如右圖下半所示。鎘或硼是控制棒的主要材料。如果它吸收的中子多,使得分裂的次數一代比一代少,則稱為次臨界狀態。核能電廠運轉發電時是保持在臨界反應狀態,停機時則保持在次臨界狀態

每次核分裂之後產生的兩個新的原子,並不會每次都相同。核能科學家可以利用物理模型來預測產生新原子的機率分佈,但必須得靠實驗才能確定它的準確性。

核分裂的產物一開始極端的不穩定並且很快就會衰變(通常經由一個叫做beta衰變的物理過程),經過多次衰變之後它們才會變成相對穩定的粒子而具有較長的半衰期。所有這些衰變都會產生衰變熱-相當巨大的能量。甚至在核分裂反應完全停止之後,核分裂過程中的產物仍然在進行衰變並且維持一段長時間(日本福島核能電廠在地震後立刻就中止了核分裂反應)。衰變熱的能量大到足以鎔毀燃料棒,若燃料棒沒有冷卻的話。在日本的核災當中,核反應從未失控,問題出在將衰變熱冷卻的系統失控了


反應器停機一個月後,反應器衰變熱仍然佔正常運轉功率的千分之一左右。http://vm.nthu.edu.tw/science/shows/nuclear/safety/index1.html

正常情況下核分裂的產物都留在燃料棒之中。爐心中的燃料棒帶有與其所產生能量成正比的核分裂產物。當燃料棒自爐心移除,它先被移到暫存池然後裝以乾桶,被永久儲存,或者重新利用(例如生產用於醫學臨床上的鎝- 99m(technetium-99m))。在日本福島核災中,爐心中的燃料棒(暫存池中的用過燃料棒也有可能),被認為極有可能受到損害。因此,核分裂產物,特別是氣體形式的,外洩了!

部分核分裂產物是氣體性的,它們會在大氣中移動相當長的距離(因此會跨國界汙染),大部份都會留在反應爐四周以及周邊區域(但是當這些核分裂產物進入水域中,或者食物鏈當中,汙染所及範圍就大大增加了)。下表列出以鈾為燃料進行核分裂反應常出現的產物及其半衰期-半衰期指該具有放射性之原子半數衰變為更穩定原子所需要的時間。


                   國家同步輻射研究中心
請注意,並非半衰期越長越危險。部分核分裂產物半衰期很長但放射劑量低,有些半衰期短而放射劑量高。因此它們對人體的傷害應綜合考慮半衰期、放射強度以及人體本身各項因子。(當然,半衰期越長意味著它在自然界中存在的時間也會越長。)
(以上所列的放射性同位素以銫137(Cs-137)危害最大。它會釋放出高強度的加瑪射線,在自然界中的半衰期為30.17年,且易溶於水,因此也容易到處擴散。而在人體中的半衰期為70天。銫137進入動物身體之後很容易就會遍及全身,主要沈積在肌肉中。1972年的動物實驗指出,接受了每公斤44微克(一微克為百萬分之一公克)的狗在十三天之後死亡。)