BK18.net

一個100坪的密閉房間，放置1000度電產生的廢棄物
（長寬=18公尺　高度3.6公尺，容積=1166立方公尺）

A.放置3.15克高階核廢料，距離5公尺 3.425 uSv/h 生存率很高
B.放置199.4立方公尺天然氣，濃度=17%會窒息死亡。
C.放置193.4立方公尺二氧化碳，濃度=16%會窒息死亡。

只有選擇 A.高階核廢料的房間，可以存活。

相較於天然氣和二氧化碳，高階核廢料的危險程度並不會更高
要求以高標準來封存高階核廢料，是一個令人困惑的現象。

＝＝＝＝＝＝＝＝
　
核能發電每生產1000度
　
需要：鈾燃料3.15公克，體積0.165立方公分。
產生：高階核廢料3.15公克，體積0.165立方公分。
　
近似於台灣的1圓硬幣，重量是3.8公克，體積0.424立方公分。 　
輻射計量在250mSv以上，可能發生短期的血球變化（淋巴球、白血球減少）
　
無屏蔽的情況
距離 1公尺的輻射劑量率 = 85.64 uSv/h
以85.64uSv/h累積到250mSv，需要2919小時 => 121天 => 4個月
　
距離 5公尺的輻射劑量率 = 3.425 uSv/h　（飛機在10000公尺高度時的宇宙射線 = 6 uSv/h）
以3.425uSv/h累積到250mSv，需要72992小時 => 3041天 => 8.45年
　
燃氣發電每生產1000度
　
需要：天然氣143公斤，體積是199.4立方公尺
產生：二氧化碳383公斤，體積是193.43立方公尺
（其餘NOx與SOx可過濾清除，因此假設它們趨近於零）
　
一個標準籃球場是 28 x 15 = 420 平方公尺
193.43立方公尺，相當於在半個籃球場填滿1公尺的高度
　
天然氣的爆炸極限下限為5%，上限為15%，高濃度天然氣會導致窒息死亡
二氧化碳正常濃度是0.04%，超過1%會感到不適，超過10%可能神智不清與窒息死亡
　 　
＝＝＝＝＝＝＝＝
　
10年前就有人計算過【核廢料vs天然氣】但只有計算重量，沒有計算輻射對人體的傷害，因為燃氣複循環的效能提升，汙染程度也更低，所以重新計算這個題目：
　 　
在何博士的日常豆知識是以燃煤發電做計算
燃煤發電的二氧化碳，約等於核廢料的 61萬/1.8 = 33.8萬倍
　
而本篇文章是以燃氣發電做計算
燃氣發電的二氧化碳，約等於核廢料的 383公斤/3.15公克 = 12.1萬倍
　
參考TRANSFORMERS MAGAZINE Volume 9 燃煤的CO2排放接近然氣的兩倍 　
雖然引用數據、機組、計算方式不同，但結論都在相似的範圍內
　
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
　
　　以下是詳細的計算過程
　
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
　　
1000度電 = 1000千瓦小時 = 36億焦耳 = 8.6億卡
　
每度電5元計算，需要繳交5000元電費。
　 　
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
　
《核能發電》

根據《美國可持續中心》資料，一個 1 吉瓦（one-gigawatt）的核電站供電一年，可能需要開採 20,000-400,000 公噸礦石，將其加工成 27.6 公噸鈾燃料，並處理 27.6 公噸高放射性乏燃料。

Powering a one-gigawatt nuclear plant for a year can require mining 20,000-400,000 mt of ore, processing it into 27.6 mt of uranium fuel, and disposing of 27.6 mt of highly radioactive spent fuel
　
https://css.umich.edu/publications/fact ... -factsheet 　
我們要將公噸換算為公斤，GW換算為MW，年換算為小時。
1 GW = 1000 MW，1公噸= 1000公噸，1年=8760小時
因此只需將數值 ÷ 1000 × 1000[/color] ÷ 8760

開採礦石(最小值) = 20,000 ÷ 8760 = 2.28公斤
開採礦石(最大值) = 400,000 ÷ 8760 = 45.66公斤
鈾燃料 = 27.6 ÷ 8760 = 3.15公克
鈾的密度是19.1克/立方公分
　
1000度電產生的高階核廢料是3.15公克，體積0.165立方公分。
　
近似於台灣的1圓硬幣，重量是3.8公克，體積0.424立方公分。 　　
每1公克高階核廢料1秒鐘會衰變約10億次（1 GBq）能量約200keV
計算它的吸收劑量，就能知道對人體的傷害程度
　 核廢料能譜，其中511KeV的高峰，是電子互毀（Annihilation）產生
　 公式來源：
https://www.nuclear-power.com/nuclear-e ... lent-dose/
　
低能量輻射容易被水吸收，高能輻射容易穿透，所以有低能量輻射反而增加吸收劑量的現象
查表取得水對輻射的質量吸收係數ut/p（mass energy-absorption coefficient）：
https://physics.nist.gov/PhysRefData/Xr ... water.html
　
將此公式做成表格。
衰變次數 1 GBq（每秒10^9次衰變），距離10 cm處，對水的吸收劑量 gray/hour
　
1 GBq , 10 KeV（μt/ρ = 4.944）= > 22.66 mGy/h
1 GBq , 20 KeV（μt/ρ = 0.5503）= > 5.044 mGy/h
1 GBq , 50 KeV（μt/ρ = 0.04223）= > 0.9678 mGy/h
1 GBq , 100 KeV（μt/ρ = 0.02546）= > 1.167 mGy/h
1 GBq , 200 KeV（μt/ρ = 0.02967）= > 2.719 mGy/h
1 GBq , 500 KeV（μt/ρ = 0.03299）= > 7.560 mGy/h
1 GBq , 1 MeV（μt/ρ = 0.03103）= > 14.22 mGy/h
1 GBq , 2 MeV（μt/ρ = 0.02608）= > 23.90 mGy/h
1 GBq , 5 MeV（μt/ρ = 0.01915）= > 43.88 mGy/h
　
在這裡用200KeV做計算
3.15 GBq在200KeV的劑量是 2.719 * 3.15 = 8.564 mGy/h
　
帶入原公式驗算
k = 5.76 x 10 -7　（常數，用來從每秒衰變換算為每小時的格雷數 gray/hour）
S = 3.15 x 10^9　（3.15克核廢料的每秒衰變次數）
E = 0.2 MeV　　 （能量 = 200KeV）
μt/ρ = 0.02967 （能量 = 200KeV 的水吸收劑量，可在 NIST 獲得）
μ = 0 　　　　　（無屏蔽）
D = 0　　　　　（無屏蔽）
r = 10 cm

((5.76*10^-7)*(3.15*10^9)*0.2*0.02967*e^0)/(4pi*10^2) 驗算結果 => 8.564 mGy/h
　
將 gray 乘以組織加權因素就能換算為 Sv，用來估計人體傷害
假設為全身暴露，直接乘以1，得到 8.564mSv/h 輻射劑量
　
＝＝＝＝＝＝＝＝
　
輻射隨著距離，以平方反比衰減，所以我們能延伸計算

在無屏蔽的情況

距離 10 cm = 8.564 mSv/h
距離 20 cm = 2.141 mSv/h
距離 50 cm = 342.5 uSv/h
距離 1公尺 = 85.64 uSv/h　（長期接受 125 uSv/h 以上劑量，將有可觀測的傷害，白血球減少）
距離 2公尺 = 21.41 uSv/h
距離 5公尺 = 3.425 uSv/h　（飛機在10000公尺高度時的宇宙射線 = 6 uSv/h）
距離 10公尺 = 0.8564 uSv/h
距離 20公尺 = 0.2141 uSv/h
距離 50公尺 = 0.08564 uSv/h　（台北車站的背景輻射 = 0.05 uSv/h）

把3.15公克的高階核廢料丟在家裡
只要距離超過5公尺，承受的輻射劑量大約等於搭乘飛機
　 　
如果考慮有屏蔽的情況
　
所以查表得知在200KeV的情況，每2.5公分的水泥牆，會讓輻射劑量減半
如果材質是鉛板，僅需0.5公厘就會減半劑量。
　
對於能量200KeV的輻射，通過1公分厚的鉛板（20個半值層）會將劑量降低到百萬分之一（1024 ^ 2）
　
距離 10 cm + 1公分鉛板 = 0.085 uSv/h　（台北車站的背景輻射 = 0.05 uSv/h）
　
在1公分鉛板的保護下，可以安全的與3.15克高階核廢料共存
　
即使沒有任何保護措施
只要距離大於5公尺，不會有明顯可見的傷害
　
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
　
《燃氣發電》
　
天然氣是一種主要由甲烷（CH4）和少量乙烷、丙烷等烷烴組成的氣體混合物。當天然氣被用作燃料時，它與空氣中的氧氣（O2）進行反應，產生二氧化碳（CO2）和水蒸氣（H2O）的燃燒反應如下：

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O + 熱能

根據分子質量，1mol的CH4重16克、2mol的O2重64克、1mol的CO2重44克、2mol的H2O重36克。

燃燒1公斤的天然氣，需要氧氣4公斤

產生2.75公斤二氧化碳，2.25公斤的水

各種潔淨技術可減少NOx與SOx但是無法減少CO2排放

參考我國國家溫室氣體排放清冊報告 　
空氣中的氮氣與氧氣，會在高溫下作用(＞1300℃)生成氮氧化物，其成分主要是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)

N2 + O2 → 2 NO
2 NO + O2 → 2 NO2

當燃料中存在硫（S）或硫化氫（H2S）時，在燃燒過程中會與氧氣反應形成二氧化硫，反應式如下：

S + O2 → SO2
2 H2S + 3 O2 → 2 SO2 + 2 H2O

SO2通常會進一步氧化，產生硫酸（H2SO4），這個過程通常需要催化劑，如二氧化氮（NO2）

SO2 + NO2 + H2O → H2SO4 + NO
　 　
成績最好的是通霄電廠
淨熱耗率(Kcal/kWh) = 1,795 Kcal
淨熱效率(%) = 47.92 %　（驗算：每度電須 860 Kcal / 效率 47.92% = 1794.6 Kcal）
燃耗率(m3/kWh) = 0.1994 m3　（反推：天然氣熱值 1,795 Kcal / 0.1994 m3 = 9002 Kcal / m3）
溫室氣體每度電排放量(kgCO2e/kWh) = 0.383 kgCO2e
　
天然氣密度為0.7174Kg/m3
1000度電需要約143公斤的天然氣，體積是199.4立方公尺

根據化學反應式CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O得知
每燃燒1公斤的天然氣，產生2.75公斤二氧化碳
燃燒143公斤天然氣，產生393公斤二氧化碳

根據台電的資料，二氧化碳是383公斤（誤差2.55%）
1000度電產生383公斤的CO2，體積是193.43立方公尺
　
在-163度，天然氣會液化，體積縮小到1/600，從199.4立方公尺縮小到0.33立方公尺
在-78度，二氧化碳會成為固體，體積縮小到1/750，從193.43立方公尺縮小到0.25立方公尺
　
以下計算143公斤天然氣的TNT爆炸當量
α爆炸係數（1.8）、A是LNG蒸氣雲TNT當量係數（4%）、Wf參與爆炸LNG的總質量、Qf物質的燃燒熱（甲烷為50.01MJ/Kg）、Qtnt為TNT爆炸熱指（取4.52MJ/Kg）

Wtnt=1.8X4%X143X50.01/4.52=113.91Kg TNT

美軍使用的Mk 2 手榴彈，裝藥量是52克TNT
蘇聯使用的 RG-42手榴彈，裝藥量是120克TNT
　
143公斤天然氣約等於 949 枚 RG-42手榴彈

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

相較於天然氣和二氧化碳，高階核廢料的危險程度並不會更高
要求以高標準來封存高階核廢料，是一個令人困惑的現象。

＝＝＝＝＝＝＝＝

參考資料：

《3分鐘快速理解：輻射基礎知識》

《風力、太陽能與儲能設施的困境》

【核廢料vs天然氣】到底誰比較危險？

乾式儲存：高級核廢料儲存的務實選擇

【計算】衰變次數Bq換算為Gy/h吸收劑量率的數學公式與換算表