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title: Nuclear Technology Introduction 跨入核能的一步

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Author: Rubia
Date: 2023/07/30

># **Abstract 概述**

**如果是教授審閱，建議直接轉往後面的 未來展望（HackMD convert to PDF）**

核能是個很特別的一門學問，大多數人不太喜歡，但也不可否認它是一門對於國家的能源、安全與民生、醫療具有相當重要性的棟樑，這篇文章我將簡略的介紹核能是什麼，以及它為何重要。

本篇多數資料來源將會附在最下方，我另有本文的英文版本與關於二硼化鈾的探討的類論文報告(以LaTex寫成，包括本篇介紹也都是主要為了11月的拾穗計畫使用)

也在此特別感謝國立清華大學 原科中心的李進得博士與蔣安忠博士; and UTSA Professor Elizabeth, thanks for you all answer and help，與你們幾位的討論成功地幫助我完成這篇文章，讓我能夠將核能知識推廣給更多人知道。

本篇作者為高中生，更專業性物理理論比如Compton Scattering、Photoelectric、Pair Production等等，因此會用較易懂方式講述。

># **What is Nuclear? 核能在做什麼？有沒有空？可以來拯救？**

核能簡而說之，就是我們去運用「原子核中所蘊含的能量」來去推動我們的各項發展。

那既然是從「原子核」中的能量而來，原子核那麼小，那這股能量究竟有多大呢？我們不妨來算算看！

原子核的能量主要是由結合能(Binding energy)所提供，
結合能所放出能量可以透過 愛因斯坦(Einstein) 所推導出的質能互換公式來計算，
所以我們先計算出 1個[amu(原子質量單位，目前以C-12為基準，1amu也就是C-12質量的1/12重)](https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E5%8E%9F%E5%AD%90%E8%B4%A8%E9%87%8F%E5%8D%95%E4%BD%8D)會有多少公斤重($E=mc^2$使用kg為單位)：

$1 \ amu = \frac{1g}{6.023 \times 10^{23}} \times 10^{-3} = 1.6603022 \times 10^{-27} kg$

再根據質能互換公式$E=mc^2$，計算出當一個amu的質量完全轉換成能量時，所放出的能量：

$E=mc^2 = 1.6603022 \times 10^{-27} \times (2.99 792 458 \times 10^{8})^2$ = $1.4922052 \times 10^{-10} J$

對於核物理(Particle Physics)而言，常用的能量單位為百萬電子伏特，我們轉換一下：

$1eV \ = 1.6021766 \times 10^{-19} J$
$1MeV \ = 1.6021766 \times 10^{-13} J$
則$1 \ amu$ 的質量會被完全轉換為$\frac{1.4922052 \times 10^{-10}}{1.6021766 \times 10^{-13}} \ MeV \approx 931.3612494MeV$ 的能量，得到每1 amu質量的物體都會被轉變為 931.3612494 百萬電子伏特的能量。

由此我們進行近一步的計算：

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而目前世界上主流的反應爐，是使用輕水同時作為緩速劑與冷卻劑(Moderator & Coolant)的熱中子反應爐(Thermal Neutron Reactor)

在反應爐中，當鈾235吸收一個熱中子，會有約82%的機會產生裂變反應、剩餘經過Gamma decay(伽馬衰變，是唯一一個反應前後物質不會太影響的核衰變方式)後轉變為長壽命的放射性核廢料的鈾236。

而反應爐中熱中子進行裂變反應(82%)的化學式為以下表：
$U^{235}_{92} + n^1_0 \rightarrow Ba^{141}_{56} + Kr^{92}_{36} + 3\ n^1_0$

各元素數值以下為表。

$U^{235}_{92} = 235.043929\ amu$
$n^1_0 = 1.008664\ amu$
$Ba^{141}_{56} = 140.914411\ amu$
$Kr^{92}_{36} = 91.926156\ amu$

因要計算反應前後的結合能變化，所以以反應物相加減去生成物，則數字帶入後：

$(235.043929 + 1.008664) - (140.914411 + 91.926156 + (3 \times 1.008664))=0.186034\ amu$

$0.186034amu \times 931.3612494MeV = 173.264858671MeV$
每次的裂變反應都會釋放$173.264858671MeV$的能量。

這是很大的一股能量，光是一次反應就能造成如此反應，以鏈式反應著稱的核分裂與核融合，更是能透過本代(Generation)所生產的去讓其他的鈾235或可裂變燃料(Fertile material)產生裂變，發生更多的能量。

為了方便比較，讓我們把單位換回焦耳，設鈾235消耗掉1公斤後產生的能量作為參考，去比對與其他燃料產能做對比。

$1mole = 6.023\times10^{23}$個原子，則$1kg$的$U^{235}_{92} = \frac{1000}{235}\times6.023\times10^{23}=2.562\times10^{24}$個U235原子

$173.264858671MeV = 2.77600896100713 \times 10^{11}J$
則假設一公斤的鈾能夠完全地反應，總釋放能量應為
$2.562 \times 10^{24} \times 7.112135 = 7.112135 \times 10^{13}J$

[而根據經濟部的資料](https://www.esist.org.tw/Content/uploads/能源產品單位熱值表.pdf)，一公斤煤炭所能釋放的能量僅有5890大卡（約24643760焦耳 = $2.464 \times 10^7$焦耳

相除後，兩者幾乎相差2886418.42倍，也就是需要總計2886噸重的煤炭，才能與鈾一公斤產生的能量相當，這是非常可怕的數目，也難怪核能會成為能源的首選。

（BTW, 這樣的比較方式實際上相當的不準確，僅能大約估算我們能量的釋放程度，在清大李敏老師的核工原理中有詳盡以微分方程推導如何去算去一組燃料棒的反應度，並回推出反應後產生多少質量）

其餘內容我會在《我們仍未知道那天所看見的核廢料的潛力與解決方法》一章中在詳細介紹，現在我們得知了核燃料的能耐後，再來介紹一下反應爐的類型。

># **Type of Reactors 絕核絕爐**

># **The Nuclear Waste 我們仍未知道那天所看見的核廢料的潛在**

在用盡乏核燃料當中，鈽239、鈽240約佔1%，鈾235從5%變到剩下0.6%，剩餘部份幾乎都會是鈾238與一些長壽命的放射性核廢料，