桂冠獎精選
2013年文章
2014年文章-1
2015專題入選文章
2014年文章-2
2015年文章
2016年文章
2017年文章
2018年文章
2019年文章
2020年文章
首頁 > 熱門文章 >
揭開閃電般藍色脈衝的神秘面紗 - 認識研究用反應爐 熱門指數 : 230
作者: hwh
中文名稱: 揭開閃電般藍色脈衝的神秘面紗 - 認識研究用反應爐   | 第二版 | 第一版 |
關鍵字: 核子反應爐,研究用反應爐,反應爐脈衝,Cerenkov 輻射,nuclear reactor,research reactor,reactor pulse

圖一:運轉中的核子研究用反應爐發出藍光。(圖片來源:筆者拍攝)
    首先讓我們看看圖一,水底那或許令人著迷,或許令人毛骨悚然的藍色光芒。這不是核子災難科幻電影中,利用電腦特殊效果合成的畫面,而是運轉中的研究用反應爐發出的藍光。我們要瞭解反應爐的運作原理和藍光的由來,還要操作反應爐使其產生閃電般藍色脈衝,如圖二。但一切得從鈾-235(U-235)的核分裂說起。
 

圖二:研究用反應爐產生的脈衝。每格畫面間隔約0.03秒。(圖片來源:筆者拍攝)
圖三:U-235吸收一個中子後進行核分裂。(圖片來源:筆者繪製)
  核分裂將微小的質量變成能量
  原子核因中子和質子數目的多寡而具有獨特的「核能階」,而核能階之間的變換會釋放γ射線、中子、質子和β粒子等輻射。U-235吸收中子後變成不穩定、核能階處於激發態的U-236。由於質子正電之間的庫倫斥力,U-236最後分裂成兩個放射性核分裂產物,並發射γ射線和2個或3個中子(圖三)。
  U-235分裂過成中有微小的質量消失了,變成核分裂釋放的能量(質能守恆定律),其中大部分轉為分裂產物的動能,一部分給了γ射線(反應爐的藍光得靠它),有些變成中子的動能,有的則儲存於不穩定的分裂產物中。
  放射性核分裂產物會持續進行放射性衰變而釋放β粒子、γ射線(存放用過的燃料棒的池水所發的藍光則靠它)和「反微中子」,直到變成穩定的元素。有的分裂產物半衰期非常長,成了核電廠的燙手山芋(用過的燃料棒成為核廢料)。因「反微中子」不帶電,幾乎不與物質反應,帶走了部分能量,一個核分裂釋放的210 MeV(百萬電子伏特)能量中,約有200 MeV可被轉換成熱能。
  電子伏特(eV)是微觀世界中的能量單位,約等於 1.6×10-19 焦耳。若將200 MeV完全變成電能,為了點亮100瓦的電燈泡,每一秒鐘需有3.1×1012 個U-235進行核分裂,因此反應爐需要很多很多的中子!
圖四:此研究用反應爐主要由許多含鈾-235的燃料棒和六根含硼的控制棒 組成。燃料棒和控制棒的最外層是不銹鋼。(圖片來源:筆者繪製)
  反應爐引發並控制「核分裂連鎖反應」來產生巨大能量
  不帶電的中子可概分為快中子、慢中子與「熱中子」。「熱中子」是指與周圍的原子或分子達成「熱平衡」的中子,造成U-235核分裂的機率大約是快中子的1000倍,然而核分裂產生的卻是快中子,反應爐必須把快中子變成熱中子來引發連鎖反應。
  圖一中的研究用反應爐處於10公尺深的水池底,主要由許多含U-235的燃料棒和六根含硼的控制棒組成,燃料棒和控制棒的最外層是不銹鋼,其簡化的構造如圖四所示。不銹鋼可以防止燃料棒內的放射性核分裂產物外洩,避免汙染池水(環境),而水是很棒的中子減速器,能迅速減慢核分裂釋放的快中子速度,使其變成熱中子,因為水分子(H2O)的氫原子與中子質量相當,能有效轉移中子的動能(動量守恆定律)。
  想像一下我們拿著彈珠(快中子),用力丟向另一顆彈珠(氫原子)、棒球和籃球,經驗告訴我們,另一顆彈珠會被彈得老遠,帶走大部分丟出彈珠的動能,棒球則稍微震動了一下,而藍球似乎不動,還將我們的彈珠彈回。
    核分裂產生的2個或3個快中子射出燃料棒,經池水減速,與周圍的水分子達成熱平衡而變成熱中子。鑽回燃料棒內的熱中子,會引起更多U-235核分裂,引發核分裂連鎖反應,產生數不勝數的中子與核分裂產物。中子經過散射與擴散,佈滿了整個反應爐。因為核分裂產物發射的β粒子只有少部分能逃離燃料棒,所有核分裂產物和大部分β粒子的動能都變成了熱能,使「燃料棒像火棒」一般加熱周圍的水。
  圖一中的漣漪就是流動的池水將核分裂產生的熱帶離燃料棒時造成的。核電廠也是利用那相同的熱來產生水蒸氣,進而帶動渦輪發動機發電,但研究用反應爐處於開放的池水中,無法收集水蒸氣來發電。
  控制棒內的硼-10比U-235更能有效吸收熱中子,因此可快速減少U-235能進行核分裂的數目。調整控制棒在反應爐內的高度可改變核分裂率(核分裂/秒)。核分裂率越高,反應爐運轉功率也越高。
  池水除了能冷卻燃料棒和減緩中子速度, 10公尺厚的水更阻擋了絕大部分的γ射線和中子,是現場工作人員的輻射屏蔽。
  水中直線前進的超光速電子引發藍光
  反應爐中真有超光速電子,但怎麼可能?真空中的光確實跑得最快,以每秒3億公尺(1 c)的速度傳播,但介質中的光速與介質的折射率成反比;真空的折色率是1而水的是1.33,所以水中的光速只剩0.75 c(1/1.33 = 0.75)。當自由電子的能量大於260 keV,速度就會超過光速(0.75 c)。燃料棒射出的γ射線能量有數個MeV,游離水分子時,能傳遞大於260 keV的能量給被撞離的電子,使其成為超光速電子。
  移動中的電子會持續以直線前進,直到有機會將水分子游離,損失部分能量,自己轉個彎散射而去,或直到靠近水分子的氧原子核時,受庫倫力吸引而減速轉彎。自由電子藉著庫倫力,能將附近的水分子極化(迫使水分子的電子雲重新分佈),這被極化的水分子的能量狀態改變會發出連續能量的紫外光和可見光,是反應爐藍光的源頭。
圖五:被超光速電子極化的水分子發出的Cerenkov輻射。(圖片來源:筆者繪製)
    讓我們凍結時間,以慢動作播放超光速電子在水中直線前進的畫面。圖五中電子通過點A、B、C、D和E時的定格畫面可解開藍光的謎題。
  電子往右移動,在通過點A時極化水分子發出的光波(藍色圓圈),以點A為中心隨著時間傳遠。因為電子前進的速度大於光傳播的速度,電子永遠跑在光波的前頭,所以通過點B時新產生的光波(綠色圓圈)在傳開後,會與左方迎面而來的舊光波(藍色圓圈)重疊。這就是電子跑得比光波快的奇妙之處:新產生的光波會與之前產生的舊光波重疊,光的強度因而增強,形成所謂的Cerenkov 輻射(圖五中紅色箭頭),由連續能量的紫外光和可見光組成,且頻率越高,強度越強,所以紫外光最強,而在可見光中,紫光最強,紅光最弱。反應爐發出的藍光便是其光譜中的一部分。
  反應爐的藍光會凸顯而出是因為Cerenkov 輻射中的可見光經過池水彈性散射後造成的。可見光的頻率越高(紫、藍光),被水分子彈性散射(沒損失能量)的機率越大,到達我們眼睛的紫光和藍光因此相對較多,但眼睛對紫光較不敏感,而且原本Cerenkov 輻射中的紫和藍光就比其他顏色的可見光強,所以我們看到了明顯的藍光,跟天空看起來是藍的道理一樣,只是散射的介質不同:一個是水,另一個是空氣、水蒸氣和其他的懸浮物。
圖六:虛擬實境操作研究用反應爐使其產生脈衝(瞬間功率~1500 MW)。(圖片來源:筆者繪製)
  製造人為的藍色閃電
  如果我們能讓反應爐在瞬間產生巨大的能量,我們就能製造閃電。如圖六,把左下角的控制棒拉高一半,接著將四根圍成正方形的控制棒一起緩緩調高,直到微弱的藍光出現。最後,按下如板機般的氣閥開關,使正中央的控制棒就像空氣槍裡的子彈,從反應爐中向上瞬間射出,一道藍色閃電也隨之而生。
  由於控制棒瞬間被彈出反應爐,能被硼-10吸收的熱中子一下子全給了U-235,使核分裂率瞬間增加而產生脈衝。這藍色閃電的瞬間功率約1500 MW,而台灣核電廠每座反應爐的持續運轉功率約1000 MW。
老師文章總評: 修改到第三版,文章已然煥然一新。對於核分裂反應以及藍光的發光機制解說得翔實且清晰,圖片更是精采,解說力高,非常用心。全文以小標題分段,架構清晰。 剩下最後一點美中不足之處是開頭第一句和結尾最後一句。開頭建議以更能引人入勝的提問來引發讀者興趣,結尾建議以一兩句話總結整篇文章。「這藍色閃電的瞬間功率約1500 MW,而台灣核電廠每座反應爐的持續運轉功率約1000 MW」這句話也頗引人遐想,是否表示藍色閃光能有什麼前瞻性的應用?(有的話可以用一兩句話帶到,沒有也無妨)  
建議項目: 接受  
 
線上留言版
1樓
2020/01/30 9:08 AM      HF
留言標題 :這種題目科普喔? 誰家有反應爐?
....若將200 MeV完全變成電能,為了點亮100瓦的電燈泡,每一秒鐘需有3.1×1012 個U-235進行核分裂,因此反應爐需要很多很多的中子!.... 這句中文還真科普。
2樓
2020/01/30 9:08 AM      HF
留言標題 :而水是很棒的中子減速器?
重水!
3樓
2020/01/30 9:08 AM      HF
留言標題 :...核電廠也是利用那相同的熱來產生水蒸氣,進而帶動渦輪發動機發電...
用水做內部循環媒介的核電廠應該不多吧!? 沸點溫度太低,效率太差。
4樓
2020/01/30 9:08 AM      HF
留言標題 :....如果我們能讓反應爐在瞬間產生巨大的能量,我們就能製造閃電....
其實你不但能製造閃電,還能製造核爆。 要製造閃電不需要用這種方法吧!? 把你家的插頭短路就會有閃電。
5樓
2020/01/30 9:08 AM      hwh
留言標題 :@1樓 「留言標題 :這種題目科普喔? 誰家有反應爐?」
@1樓 「留言標題 :這種題目科普喔? 誰家有反應爐?」 Ans: 科學普及(科普)簡單地說就是以淺顯的方式表達艱澀難懂的知識,讓大眾更容易了解妳你所要介紹的無論新舊的知識。科普與「誰家有反應爐」、「誰家有太空梭」、「誰家有輻射偵測器」、、、等等無關。
6樓
2020/01/30 9:08 AM      hwh
留言標題 :@2樓 「留言標題 :而水是很棒的中子減速器?」
@2樓 「留言標題 :而水是很棒的中子減速器?     重水!」 Ans: 水(輕水H2O)的確比重水(D2O)更容易將中子減速:H原子只含一個質子,但D原子卻含有一個質子和一個中子,比H原子重,根據國中時學的「動量守恆定律」,中子與H原子核或D原子核彈性碰撞後會傳遞較多的動能給H原子核。 除了彈性散射,中子也可能被水或重水中吸收,但與水相比,重水較不會吸收中子,因此重水中最後有較多的減慢的中子,這也是為什麼「重水式反應爐」可以用自然鈾當燃料的緣故。
7樓
2020/01/30 9:08 AM      hwh
留言標題 :@3樓 「留言標題 :...核電廠也是利用那相同的熱來產生水蒸氣,進而帶動渦輪發動機發電... 」
@3樓 「留言標題 :『...核電廠也是利用那相同的熱來產生水蒸氣,進而帶動渦輪發動機發電...』用水做內部循環媒介的核電廠應該不多吧!? 沸點溫度太低,效率太差。」
Ans: 全世界目前幾乎所有運轉中的核電廠反應爐是以水循環來冷卻燃料棒(輕水式反應爐);大約1/3是「沸水式反應爐」,2/3是「壓力水式反應爐」。
「沸水式反應爐」直接加熱水,水變成水蒸汽,帶動「蒸汽渦輪發動機」發電。
「壓力水式反應爐」將水加壓產生高溫但不沸騰的水,這高溫的水與低壓水系統進行熱交換,產生水蒸汽,帶動「蒸汽渦輪發動機」發電。
台灣核二屬於「沸水式反應爐」而核三是「壓力水式反應爐」。
8樓
2020/01/30 9:08 AM      hwh
留言標題 :@發言者HF
@發言者HF:
希望你妳有機會讀到我針對你妳的疑問的回文,然後再把正確的知識傳播出去。
Copyright ©2013 財團法人國立自然科學博物館文教基金會 版權所有 │ 地址:40453 台中市北區館前路一號 │ 電話:04-23226940#232 │ 傳真:04-23266824 │ 隱私權宣告
建議使用I.E.6.0或Firefox1.0 以上1024x768 Pixels 解析度瀏覽本網站 | E-mail:foundation@mail.nmns.edu.tw | 瀏覽人數 : 214082