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核能發電與核廢料處理技術進展：2050淨零碳排的關鍵解方

 

 

圖靈學院編輯部/2024年7月6日/科楠

 

摘要

    本篇文章探討了核能發電和核廢料處理技術的最新進展，並分析其在台灣實現2050年淨零碳排目標中的重要性。首先，文章介紹了台灣目前依賴進口化石燃料的能源政策及其面臨的挑戰，以及非核家園政策帶來的電力供應穩定性和碳排放問題。接著，文章詳細闡述了核能發電的優勢，包括低碳排放、穩定的基載電力、高土地使用效率以及與再生能源的互補性。
在核廢料處理技術部分，文章重點介紹了高耐久性玻璃配方、冷坩堝感應熔化技術和玻璃陶瓷複合材料的最新進展。高耐久性玻璃配方和冷坩堝感應熔化技術的發展顯著提高了核廢料封裝的耐久性和安全性，減少了廢料洩漏風險；玻璃陶瓷複合材料則進一步提升了封裝材料的穩定性和耐久性。
最後，文章強調了核能在過渡期內作為穩定低碳能源的重要性，技術進步為核廢料處理帶來的新希望，以及在推動核能發展的同時必須兼顧環境保護，以實現永續發展的目標。

 

1. 引言

1.1台灣目前的能源政策與挑戰
台灣的能源政策目前主要依賴進口化石燃料，而能源自主性較低。同時，由於環境保護的需求和國際社會對碳排放的關注，台灣面臨著調整能源結構的迫切需求。

 

1.2非核家園政策的爭議
台灣推行非核家園政策，主張在不使用核能的前提下實現能源需求，但這一政策面臨著電力供應穩定性和碳排放增加的雙重挑戰。

 

1.3 2050淨零碳排目標的迫切性
台灣承諾到2050年實現淨零碳排放，這需要大幅度減少化石燃料的使用，並找到穩定且低碳的替代能源。核能作為低碳能源之一，有潛力在這一過程中發揮重要作用。

 

2. 核能發電的優勢

2.1低碳排放
核能發電過程中幾乎不排放二氧化碳，是一種環保友好的能源選擇，對減少溫室氣體排放具有顯著效果。

 

2.2穩定的基載電力
核能可以提供穩定且持續的基載電力，確保電力供應的穩定性，避免因可再生能源波動而造成的供電不穩問題。

 

2.3土地使用效率高
相比風能和太陽能，核能發電所需的土地面積較小，有助於節約土地資源。

 

2.4與再生能源互補的潛力
核能發電與可再生能源可以形成互補，在可再生能源不足時提供穩定電力，提高整體能源系統的可靠性。

 

3.核廢料處理技術的最新進展

 

核廢料處理技術的最新處理的相關技術有非常多研究，本章重點將先針對玻離化技技術做進一步的說明探討其可行性及優點。

 

3.1高耐久性玻璃配方的開發
核廢料玻璃化技術的核心在於開發高耐久性的玻璃配方，這些新型配方能有效提高核廢料封裝的耐久性和安全性，從而減少廢料洩漏的風險。研究顯示，硼矽酸鹽玻璃配方在耐化學腐蝕性和機械強度方面表現優異。以下是詳細說明及可行性評估：

 

3.1.1技術內容
1. 硼矽酸鹽玻璃配方
硼矽酸鹽玻璃配方以其優越的化學耐久性和機械強度被廣泛研究和應用。這種玻璃材料能夠在高輻射和化學腐蝕環境下長期保持其穩定性，對於核廢料的安全封裝至關重要。
2. 耐化學腐蝕性
硼矽酸鹽玻璃中添加了氧化硼（B₂O₃）和二氧化硅（SiO₂），使其在酸性和鹼性環境中具備極高的耐化學腐蝕能力。這樣的特性確保了玻璃在長期封裝核廢料時不會被腐蝕破壞。
3. 機械強度
該配方的機械強度也得到了顯著提升，能夠抵抗外界壓力和應力，防止因物理損壞導致的核廢料洩漏。
4. 熔化與成型技術
冷坩堝感應熔化技術在熔化過程中減少了能量消耗，並提高了玻璃化過程的效率。這項技術通過感應加熱，確保玻璃在較低溫度下均勻熔化，從而提高了生產效率和經濟可行性。

 

3.1.2 可行性評估
1. 安全性與穩定性
硼矽酸鹽玻璃配方在化學和機械穩定性方面的優越表現，使其成為核廢料封裝的理想材料。其高耐久性減少了長期儲存過程中的風險，提高了核廢料處理的安全性。
2. 經濟可行性
冷坩堝感應熔化技術降低了能源消耗和生產成本，提高了整體經濟效益，使得大規模應用更具可行性。
3. 環境影響
玻璃化技術有效封裝核廢料，減少了洩漏風險，對環境保護具有積極意義。此外，硼矽酸鹽玻璃的化學穩定性確保其在地質處置中的長期安全。
4. 技術成熟度
現有研究和應用表明，硼矽酸鹽玻璃配方和冷坩堝感應熔化技術均已具備較高的技術成熟度，可在核廢料處理中實現大規模應用。

 

3.2 冷坩堝感應熔化技術提高效率

 

3.2.1技術內容
1. 冷坩堝感應熔化技術概述
冷坩堝感應熔化技術利用感應加熱原理，在熔化爐內生成高頻磁場，通過電磁感應直接加熱材料，而非傳統的電阻加熱。這種技術能在較低溫度下高效熔化玻璃，提高了整體能效。
2. 技術優勢

• 降低能耗

該技術的感應加熱效率高，熱量集中於待熔化材料，減少了能源浪費，顯著降低了整體能耗。

• 提高熔化效率

冷坩堝感應熔化技術能在較短時間內完成熔化過程，提升了生產效率。此外，感應加熱均勻且可控性強，能確保材料的熔化質量穩定。

• 延長設備壽命

傳統熔化技術通常需要高溫，對爐體和坩堝的損耗較大，而冷坩堝感應熔化技術降低了熔化溫度，減少了設備磨損，延長了爐體和坩堝的使用壽命。

• 減少環境影響

該技術的高效能和低能耗特性，減少了生產過程中的碳排放，有助於環保。此外，由於熔化過程中熱量集中在材料上，減少了高溫對周圍環境的影響。

 

3.2.2可行性評估
1. 經濟可行性
由於冷坩堝感應熔化技術顯著降低了能耗，並提高了熔化效率，整體運行成本較低。其高效能使得初期投資能迅速得到回報，具備良好的經濟可行性。
2. 技術成熟度
該技術已經在多個工業領域中得到應用，並展現了穩定和可靠的性能，技術成熟度高，適合在核廢料玻璃化處理中大規模應用。
3. 適用範圍
冷坩堝感應熔化技術適用於各類玻璃材料的熔化，特別是高耐久性玻璃配方。在核廢料處理中，其高效能和穩定性尤為重要，能有效提升核廢料玻璃化處理的安全性和經濟效益。
4. 環境與社會影響
技術的高效能和低能耗特性，符合可持續發展的要求，減少了生產過程中的碳排放，對環境友好。此外，冷坩堝感應熔化技術的應用，有助於提升核廢料處理技術的公眾接受度，促進社會對核能發電的認可。

 

3.3 玻璃陶瓷複合材料的應用

 

3.3.1技術內容
1. 玻璃陶瓷複合材料概述
玻璃陶瓷複合材料是結合了玻璃和陶瓷特性的材料，具有優異的機械強度、熱穩定性和耐化學腐蝕性。這些特性使其在核廢料封裝中表現出色，提供了更高的安全性和穩定性。
2. 材料結構
玻璃陶瓷複合材料的微觀結構由玻璃基質和嵌入其中的微小陶瓷晶粒組成。這種結構使材料既保留了玻璃的均勻性和加工便利性，又擁有陶瓷的高強度和耐久性。
3. 熔融與成型技術
這些材料通常通過先熔融玻璃基質，然後在控制條件下析出陶瓷晶粒來製備。該過程需要精確控制冷卻速率和熱處理條件，以獲得理想的複合結構。

 

3.3.2可行性評估
1. 安全性與穩定性
玻璃陶瓷複合材料具有優異的耐熱性和耐化學腐蝕性，確保了核廢料在高溫和苛刻環境下的長期穩定封裝，減少了洩漏風險。
2. 經濟可行性
雖然玻璃陶瓷複合材料的製備過程較為複雜，但其高效能和長壽命使得整體成本效益較高。隨著技術的不斷成熟，生產成本有望進一步降低。
3. 技術成熟度
目前，玻璃陶瓷複合材料已在多個高技術領域中得到應用，並展示了可靠的性能。其在核廢料處理中的應用也逐漸被驗證和推廣，技術成熟度較高。
4. 環境與社會影響
這種材料的高效能和穩定性，不僅有助於減少核廢料對環境的長期影響，還能增強公眾對核能安全的信心，促進核能技術的社會接受度。
表:核廢料處理技術比較

 

4.結論

4.1 核能作為過渡期低碳能源的重要性
核能在過渡期內可以作為一種穩定且低碳的能源選擇。相比於傳統的化石燃料，核能發電幾乎不產生二氧化碳排放，這對於減少溫室氣體排放、實現碳排放目標具有重要意義。在再生能源技術和儲能技術尚未完全成熟之前，核能能夠提供穩定的基載電力，彌補可再生能源的間歇性缺陷，確保能源供應的穩定性​​​​。
4.2 技術進步為核廢料處理帶來新希望
核廢料處理技術的不斷進步，為安全、有效的核廢料處理提供了新的解決方案。高耐久性玻璃配方和冷坩堝感應熔化技術的發展顯著提高了核廢料的封裝效果和處理效率，減少了廢料洩漏的風險。玻璃陶瓷複合材料的應用進一步增強了封裝材料的穩定性和耐久性，提升了長期處置的安全性。
4.3 平衡發展與環境保護的必要性
在推動核能發展的同時，必須兼顧環境保護，實現可持續發展的目標。核能發電需要在確保安全的前提下進行，特別是在核廢料處理方面需要不斷改進技術，確保對環境的最小影響。此外，核能發展應該與可再生能源協同進行，共同推動能源結構的綠色轉型，實現經濟發展與環境保護的平衡。​ 

 

引用：
·  Matmatch. (n.d.). Glass-ceramics: Properties, Processing and Applications. Retrieved from matmatch.com
·  Springer. (n.d.). Preparation and characterization of glass–ceramic reinforced alginate scaffolds for bone tissue engineering. Journal of Materials Research. Retrieved from springer.com
·  Frontiers Research Topic. (n.d.). Development of Glass & Glass Ceramics for Engineering Applications. Retrieved from frontiersin.org
·  Oosthoek, S. (2024). The case for storing nuclear waste in glass-ceramic composites. Chemistry for Energy and the Environment. Retrieved from cheminst.ca
·  Forty years of durability assessment of nuclear waste glass by standard methods. Nature. Retrieved from nature.com