1 / 31

Nuclear fusion 核融合

節能減碳講義. Nuclear fusion 核融合. 製作：吳鴻忠 指導：黃文良. Nuclear fusion 核融合、核聚變. Abstract. 人類的資源是有限的，且受到環境與經濟的條 件限制，以長期性來考量，未來能源的選擇： 再生能源 ：太陽輻射能、風能、水力能、生 質能 ‧‧‧ 等等再生能源的方式。 核融合能 ：宇宙終極能源，是太陽產生能源 的方式，不會排放溫室效應氣體， 且輻射廢料非常少。. Introduction.

tamarr
Download Presentation

Nuclear fusion 核融合

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 節能減碳講義 Nuclear fusion 核融合 製作：吳鴻忠 指導：黃文良

  2. Nuclear fusion 核融合、核聚變

  3. Abstract • 人類的資源是有限的，且受到環境與經濟的條 件限制，以長期性來考量，未來能源的選擇： • 再生能源：太陽輻射能、風能、水力能、生 質能‧‧‧等等再生能源的方式。 • 核融合能：宇宙終極能源，是太陽產生能源 的方式，不會排放溫室效應氣體， 且輻射廢料非常少。

  4. Introduction 核能（Nuclear energy)： • Nuclear fission Energy(核分裂能)　：係重元素（如鈾、鈽等）分裂所釋放出之能量 • Nuclear fusion Energy(核融合能）：為輕元素（如氘、氚等）結合成重元素（如氦　　等）所釋放出之能量。　

  5. Introduction • 使用核能發電(Nuclear fission 核分裂能)的優點： • 與石化燃料比較，核能比較不會造成空氣、環境污染。 • 減少依賴化石燃料。 • 不需要空氣中的氧來幫助燃燒，不會產生溫室效應的氣體(二氧化碳)。 • 只需少量的原料，即可產生巨大的能量。 • 單位成本比較低（約為火力發電三分之一）。 • 鈾礦蘊藏量長期使用 

  6. Introduction • 使用核能發電(Nuclear fission 核分裂能)的缺點： • 雖不會造成空氣、環境污染，但會造成周圍的海域生態破壞。 • 會產生放射性核廢料，核廢料的輻射仍對人體有害，故存放不易，估計需埋放百年以上。 • 造廠之費用頗高，動則好幾千億元 • 核子武器所造成的傷害。

  7. Nuclear Fission conception Nuclear fission (核分裂) 235U-核分裂反應之一：能量不滅 愛因斯坦的質能互換 E= mc2 235U-核分裂反應之二：連鎖反應 核分裂應用之一：核能電廠 核分裂應用之二：核子武器 Content

  8. Nuclear Fusion conception Nuclear fusion (核融合、核聚變) Deuterium (氘) & Tritium(氚) 太陽上的融合反應 Conditions for Fusion 核融合應用---熱核彈、氫彈 Content

  9. 一個鈾235(235U)原子核受中子撞擊後，會分裂成兩個大小相差不多的原子核，且同時產生 2~3個中子。 1.Nuclear fission (核分裂)

  10. 2. 235U-核分裂反應之一 • 能量不滅-原子核分裂時，釋放出巨大能量，能量源自核分裂後總能量小於分裂前的總質量，減少的質量轉化為能量。

  11. 一公克質量的減少可產生能量為9*1013焦耳，相當於燃燒三百萬公斤煤所放出來的熱，也相當於二千五百萬度的電能=三千五百用戶一年內的電力需求。一公克質量的減少可產生能量為9*1013焦耳，相當於燃燒三百萬公斤煤所放出來的熱，也相當於二千五百萬度的電能=三千五百用戶一年內的電力需求。 3.愛因斯坦的質能互換 E= mc2 • 一個鈾235(235U)原子核分裂反應所釋放出的能量為3.2*10-11焦耳。一莫耳的鈾原子(6*1023個鈾原子共235公克)都分裂時，可得1.93*1013焦耳能量=四、五千噸黃色炸藥爆炸的威力

  12. 4.235U-核分裂反應之二 • 第一梯次分裂出的2~3個中子再撞擊其他鈾原子核，引發第二次核分裂，便可產生更多的中子，又利用這些中子再引發另一梯次更多的核分裂，這一系列連續性反應稱為連鎖反應。

  13. 5.核分裂應用之一 • 核能電廠 臺灣核二廠 臺灣核一廠 臺灣核三廠

  14. 6.核分裂應用之二 • 核子武器：原子彈

  15. 氫的同位素氘(D)和氚(T)結合成重元素(如氦4He等)，即將較小的原子結合變成較大的原子，稱之。氫的同位素氘(D)和氚(T)結合成重元素(如氦4He等)，即將較小的原子結合變成較大的原子，稱之。 1.Nuclear fusion (核融合、核聚變) D+T n+4He+17.6 MeV 反應釋出的能量以 MeV表示，即百萬電子伏特

  16. 亦稱重氫(heavy hydrogen)，為氫的同位素(isotope)，原子量約為2，氘核由 1個質子(proton)和 1個中子(neutron)構成。氘可以從一般的水中取得，大約6500個氫原子可以得到一個氘的同位素。 將1公克的氘(自8加侖的水中取得)，若完全進行核融合反應，將可釋出相當於2500加侖汽油所提供的能量。 將一座具有奧林匹克規模的游泳池中所有氘經核融合反應，將可供應給100,000人的城市一年的用電量。 2-1. Deuterium (2H,氘)

  17. 為氫的同位素(isotope)，原子量約為3，氚核由 1個質子(proton)和 2個中子(neutron)構成。氚具有放射性，半衰期為12.32年。 氚可藉由核反應器取得： 地球上的鋰(6Li)的儲存量比氘少很多，不過目前以保存足夠的量供D-T核融合技術使用。 2-2. Tritium (3H,氚) n+6Li 4He+T+4.8 MeV 反應釋出的能量以 MeV表示，即百萬電子伏特

  18. 最好的核融合反應例子發生在太陽上，其能量輸出來自於每秒 400萬公噸的物質轉換(核子『燃燒』)成能量所產生。 3.太陽上的融合反應 太陽及日光層觀測衛星(SOHO)以紫外線所取得之巨大太陽閃燄的影像

  19. 3.太陽上的融合反應 SOHO用望遠鏡以遠紫外線取得之太陽日冕影像 太陽及日光層觀測衛星(SOHO)

  20. 需要非常高的溫度(約5千萬至1億℃)，如此原子核動能才能克服電荷間的排斥力。(排斥力大小遵守庫倫定律)在高溫下氣體將分解成自由電子和正原子核，具有相同數目的正和負電荷的離子化氣體，稱為電漿(plasma)，太陽就是其中一例，日光燈泡中的氣體也是。需要非常高的溫度(約5千萬至1億℃)，如此原子核動能才能克服電荷間的排斥力。(排斥力大小遵守庫倫定律)在高溫下氣體將分解成自由電子和正原子核，具有相同數目的正和負電荷的離子化氣體，稱為電漿(plasma)，太陽就是其中一例，日光燈泡中的氣體也是。 電漿很難加以約束。當氣體溫度增高時，它的體積與壓力(或兩者)必定會增加，所以氣體必須被約束在固定體積以拉近原子核距離以發生融合 自核融合釋出足夠的能量必須是高密度，需要大量的原子核來進行反應。 核融合釋出的能量必須能夠被轉換成有用的形式(例如電) 4.Conditions for Fusion

  21. 有二個重要的參數決定核融合反應是否能產生正的淨能輸出：有二個重要的參數決定核融合反應是否能產生正的淨能輸出： 勞生準則(Lawson criterion)：即描述電漿約束的量，當電漿的密度(每cm3的粒子數目)和約束時間(每秒)相乘超過1014 s/cm3 才會融合釋出能量。 電漿的溫度：必須超過1億℃，才開始點火(ignition)，即獲得核融合溫度後，它即能自立維持(self-sustaining)反應，而不需額外燃料能源加熱，熱量來自α粒子的碰撞(4He)及電漿中其它粒子。 4.Conditions for Fusion

  22. 目前已有約束電漿的方法，但不能使用有形的的盒子當做容器，因為加熱後得電漿會因碰撞容器璧而損失能量，在太陽上因有引力自然產生約束，所以並無這問題，目前有兩種約束的方法：目前已有約束電漿的方法，但不能使用有形的的盒子當做容器，因為加熱後得電漿會因碰撞容器璧而損失能量，在太陽上因有引力自然產生約束，所以並無這問題，目前有兩種約束的方法： 磁約束(Magnetic confinement)融合反應：即托卡馬(Tokamak)。 4.Conditions for Fusion 一種環狀大電流的捏縮電漿體實驗裝置,研究受控熱核反應的裝置

  23. 4.Conditions for Fusion Tokamak 融合反應器內部構造

  24. Tokamak Fusion Test Reactor Tokamak 融合反應器，1989年 Tokamak 融合反應器內部構造

  25. 慣性約束(interial confinement)：當溫度上升時氣體會膨脹，然而若加熱夠快的話，核融合會在粒子移動分開前就發生。燃燒利用本身質量的慣性在很短的時間就會被約束住，此時可利用強烈的雷射光束來完成加熱動作，稱之為『雷射感應核融合』 雷射感應融合(Laser-induced Fusion)

  26. 5.核融合反應--熱核彈、氫彈

  27. 宇宙終極能源 -- 核融合 Conclusion 核融合與核分裂反應均有質量欠缺現象，依E=mc2前者為後者放出能量約多出三至四倍 核 融 合 反 應 核 分 裂 反 應

  28. ITER﹝國際熱核實驗反應器﹞ • 日本、美國、俄羅斯、 歐盟 等國目前正合作設計一種名為ITER」國際熱核聚變實驗爐﹞的裝置，以發展更廉潔、更乾 淨且安全的核融合能源。 • ITER將於2040年，在法國南 部的普羅旺斯的卡達拉希建造一座示範發電廠，此一計 劃旨在推廣核融合，逐步淘 汰造成汙染的化石燃料 ITER﹝國際熱核實驗反應器﹞

  29. 謝謝指教

  30. 製作：吳鴻忠 • 指導：黃文良　教授 • 圖片來源： • Wiki百科–Nuclear fusion • http://vm.nthu.edu.tw/ • http://hepmail.phys.sinica.edu.tw/ • http://tw.search.yahoo.com/ • 牛頓 201 期 2000年2月號 • Energy:Its Use and the Environment 3/e、4/e • 背景音樂： • Standing In The Wind (風中的你)/溫金龍二胡演奏

More Related