【核太空時代60年】
#Nuclearforspace #太空時代沒有非核家園
1961年6月29日,John Hopkins大學應用物理實驗室發射了一顆美軍導航衛星 Transit IV-A,身上裝有鈽238放射性同位素熱電機,可產生 2.7 瓦的電力,雖然這樣的電力只能點亮一顆LED燈泡,但Transit IV-A的出現替NASA以核動力執行任務奠定了基礎,也宣告核能技術應用於太空探索的時代正式來臨,60年來, NASA - National Aeronautics and Space Administration 的探測器在核能驅動下,足跡已擴大到整個太陽系。
大家可以透過下方影片回顧這段驚奇之旅
★為什麼是核能
在太空中,能提供長期穩定電力只有兩種實用的方式:來自太陽或核衰變產生的熱能。隨著任務離太陽愈來愈遠,進入木星、土星等昏暗、多塵埃的環境,太陽能供給的電力不穩,如果沒有核能,任務將難以執行。
★早期:放射性同位素動力系統RPS
以鈽238衰變產生的熱能為動力來源,在阿波羅11號登月後,RPS系統替留在月球表面的實驗設備提供動力來源;且自1977年以來,RPS一直替航海者1號與2號、卡西尼—惠更斯號供電,卡西尼的目標是土星及其衛星泰坦。
★現在:火星傳動車身上的核能設備MMRTG
一樣是衰變熱的應用,MMRTG系統功能更多,除了可以長期穩定供電(數十年),衰變產生的熱量還可以來使傳動車的系統維持在正確的工作溫度,幾個月前剛登陸火星的毅力號(perseverance)即配備了它。
★未來:Dragonfly的飛行任務與太空用核分裂反應爐
預計2027年啟程、目標登陸(卡西尼並沒有登陸)土星和泰坦的探測器Dragonfly和火星任務不同,它不是傳動車(rovers),而是飛行器,飛行的耗能極大,飛行器上的電池將由MMRTG系統來充電,並保持機身電子儀器的溫度,因為泰坦表面的溫度極低;此外,NASA也積極與能源部合作開發太空用反應爐Kilopower,將可方便太空人攜帶至月球或火星等地,進行長期的探勘任務
自 1961 年以來,NASA透過美國能源部(DOE)的合作,執行了超過25次攜帶核熱電系統的飛行任務。這也是不知道第幾篇說說能源撰寫關於核能應用於太空的新聞。2021年5月31日台灣正式通過太空發展法,一個選擇拋棄核能的國家如何在充滿核能應用的太空科技當中取得一席之地,我真的非常好奇... 但不管怎樣,未來我們都將可看到更多核能技術應用在太空探索的故事當中。
★NASA 核太空60年報導
https://www.nasa.gov/feature/after-60-years-nuclear-power-for-spaceflight-is-still-tried-and-true
同時也有1部Youtube影片,追蹤數超過27萬的網紅悟訢,也在其Youtube影片中提到,初音ミク:破壞式創新? 悟訢:有浩劫才會有重生。 感謝大家的收看,本系列正式宣告完結。 ~*~*~*~*~*~*~*~*~*~*~ 地圖下載 ep114 Dead End: (請安裝FTB-Direwolf20 1.6.4 v1.0.25) (請安裝 1.6.4 的 JABBA_1.1.4)...
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可能直到現在,還有許多的朋友們,連最最基本的游離輻射和非游離輻射之間的重大差異都分不太清楚。
簡單來說,游離輻射即是一般所謂放射線﹔而非游離輻射即是一般所謂的電磁場電磁波等。
輻射是一種具有能量的波或粒子,如電磁波(如無線電波、微波、可見光、紫外線、X射線、加馬射線等)以及從放射性物質發射出來的微小粒子(如阿伐粒子、貝他粒子、中子等)都稱為輻射。其中能量較低的,如無線電波、微波、可見光、超音波、紫外線,稱為「非游離輻射」;而能量較高的,如X射線與加馬射線,以及粒子輻射則屬於「游離輻射」。
「電磁波」是由電場與磁場交互作用所產生,屬能量的一種。它以波的形式接近光的速度輻射傳遞,自古以來就以各種面向存在於大自然。
電磁波可分為「游離輻射」和「非游離輻射」。游離輻射係指頻率大於3×1015赫(Hz)的電磁波,一般常稱呼為輻射或放射線。最為人所知的游離輻射就是X光,它的頻率比起非游離輻射高的多,其光子能量強到足以藉由打斷細胞內各種分子的原子鍵而產生游離化(ionizing),必須嚴格防護,因此醫院的X光室都有鉛板屏蔽,避免輻射外洩。
而且,電磁波的一個特徵就是,當電源消失之後(例如手機關機、電腦關機、X光設備關機),電磁波也就隨之消失。
非游離輻射係指頻率小於3×1015赫的電磁波,一般俗稱電磁波者皆屬此類。它的能量較微弱,無法打斷原子的鍵結產生游離化(ionizing)。按照頻率/光子能量高到低的順序,非游離輻射的族群可分為紫外線(UV)、可見光、紅外線(IR)、微波(MW)、射頻(RF)、極低頻(ELF)、以及靜電場與靜磁場。另外極低頻由於波長非常長,約5000公里,所以通常稱為電磁場。
此外,非游離輻射係指能量低且與物質作用後,並無法使物質產生游離作用的輻射。它與我們日常生活的關係更密切,舉凡紫外線、太陽的可見光、燈光、紅外線、微波與雷達、電視與F M無線電波、AM無線電波及長波長的交流電波等皆屬非游離輻射。
至於游離輻射(ionizing radiation)是指波長短、頻率高、能量高的射線,游離輻射無色、無味,感覺不到,目前全球醫學界已經公認所有的游離輻射都沒有所謂安全劑量,換言之凡是多暴露一分則會有多一分的危險。
暴露高劑量的游離輻射可能會引起皮膚灼傷、毛髮脫落、噁心、新生兒缺陷、疾病以及死亡。它對健康的影響取決於暴露量多寡、暴露時間長短。暴露於游離輻射會增加罹患癌症的風險。若一個懷孕的婦女暴露於高劑量的游離輻射,可能會導致其新生兒的腦部發育異常。
游離輻射引起癌症依暴露器官的敏感度不同,而發生的傷害輕重不因。一般器官中以乳房、甲狀腺、骨髓及肺臟最為敏感。乳腺癌比白血病高數倍,另外放射氡氣會引起肺癌及甲狀腺受幅射會生上皮細胞癌等。
核反應爐進行核分裂連鎖反應產生熱能帶動蒸汽渦輪發電機組產生電力的過程中,所產生的輻射,以及其運轉過程中所產生的核廢料,絕大部分都屬於放射性的游離輻射的類別。
放射性核種是不穩定的原子,會放出游離輻射並衰變成另一種原子。 隨著越來越多原子衰變了,剩下的放射性核種數量減少,輻射強度也就越來越弱。 放射性核種發出的強度減少到只有剛開始的一半所需要的時間,稱為「半衰期」,每種放射性核種皆有其固定的半衰期,比如說核電反應爐所產生的放射性游離輻射中常見的銫137(Cs-137),他的半衰期為30.17年,也就是每經過30.17年的時間,他的輻射強度會衰減為原先強度的一半,經過6個半衰期約181年之後,銫137的游離輻射強度會衰減為原先的1.5625%的強度,起碼要經過超過10個半衰期也就是301.7年之後,銫137的游離輻射強度才能衰減到原先的萬分之9.765的強度,回到差不多接近於自然環境背景值的程度。但是,特別一提的是,銫-137是人造輻射物質,原本就不該存在於大自然的環境當中。
核子燃料的主要成分,鈾-238(約佔96%),雖然在普通原子爐中幾乎不起核分製反應,但在吸收中子之後卻產生出長壽命(半衰期有的萬年以上)元素,即自然界不存在的「超鈾元素」,如鈽(Pu)、鋂(Am)、鋦(Cm)等人造放射性游離輻射物質。
PS. 此外,常常有特定族群的朋友們喜歡以所謂香蕉中所含的鉀-40元素來試圖混淆社會大眾視聽,所幸在2017年10 月份時,經義美食品輻射檢測研究室實測結果,香蕉所含的鉀-40,55~75%均集中在香蕉皮,「只要民眾勿迷信吃香蕉皮可治失戀」,就可安心大啖美味又健康的香蕉。
首先,鉀在自然界裡有三種同位素:鉀39(穩定的同位素,占93.3%),鉀41(占6.7%),鉀40(具放射性,占0.01%,也就是萬分之一),這三種同位素本來就存在於自然界中。
衛福部食品藥物管理署副署長林金富告訴中央社記者,依現行法令,僅針對食品中的人工核種訂有標準,例如核電廠爆炸、原子彈爆炸產生的銫-134、137或是碘,但鉀-40是天然核種,國際間沒有國家針對鉀-40訂有標準,台灣也是,因此「沒有超標的問題」。
林金富解釋,鉀-40和鉀-39是同位素,同時存在於自然界中,含有輻射的鉀-40以萬分之一的比例存在於鉀-39中,地球地殼裡、大自然、香蕉、人體裡都有此物質,無法以人工方式去除。
由於非放射性的鉀-39、鉀-41和放射性的鉀-40,都是原本就存在自然界中的元素,專家指出,人體內都含有些微天然輻射,且人類在演化中已對自然界中原本就已經存在的天然微量輻射建立生物恆定(homeostasis),會透過體內的代謝機制來自我調節,因此吃香蕉時,不會因為體內增加「鉀-40」含量而損害健康,毋須擔心。
以下是衛生福利部以及原子能委員會針對食品中鉀40的解釋:
“鉀-40係屬於天然放射性物質,於環境中天然存在,與核污染或輻射污染之情形不同。針對該等天然放射性物質,行政院原子能委員會(以下簡稱原能會)歷年均有進行市售各式商品(包括食品)之抽驗,並已於「天然放射性物質管理辦法」中訂有天然放射性物質核種活度濃度基準值,鉀-40之活度濃度基準值為10貝克/克。
至於食品藥物管理署依據食品安全衛生管理法第15條所訂定之「食品中原子塵或放射能污染容許量標準」,係適用於可能有發生核污染或輻射污染時,包括意外或惡意之行動,並就危害監測之指標性核種(碘-131、銫-134及銫-137)優先訂定標準;而來自太空宇宙射線、土壤、岩石、建材、煤灰等環境,以及自環境間接影響到食物中的天然放射性物質,因無法透過後端之食品予以減少或管制,必須透過源頭降低整體環境之游離輻射,始能減少天然食品原料中之背景值,查目前國際間包括Codex、歐盟、美國、紐澳、加拿大等各先進國家,均無針對食鹽或食品特別訂定鉀-40之限量標準。”
但是不可否認的,在醫學界也常會遭遇到的症狀為血液中鉀離子濃度太高或者過低對健康所造成的負面效應。
人體的鉀離子濃度一旦大於5.1 mg/dl,即為「高血鉀症」,此時容易出現肌肉無力、頭暈、感覺異常、麻木、代謝性酸中毒等症狀,如果血鉀濃度升到7 mg/dl時,會造成心律過緩,嚴重甚至會因心室頻脈而猝死,此類患者即使接受電擊也難以回復正常心律,必須緊急施打藥物才能救命。
低血鉀是臨床上常見的電解質異常,鉀離子是細胞內最主要的電解質,血清正常血鉀值介於 3.5至5.5 mEq/L之間,當血鉀值低於3.5 mEq/L即為低血鉀症。鉀離子主要的生理功能是維持細胞膜正常的電位差,藉由細胞間快速的轉移及腎臟調節鉀離子的排泄,來維持鉀離子的恆定。因此鉀離子在神經肌肉功能與心臟傳導節律扮演重要的角色。
輕微的低血鉀 (血鉀值於3.0至3.4 mEq/L)通常沒有顯著症狀。中等程度的低血鉀(血鉀值於2.5至2.9 mEq/L)則會導致疲倦、肌肉無力、酸痛、抽筋、以及便秘。嚴重的低血鉀 (血鉀值低於 2.5 mEq/L) 可能導致麻痺性腸阻塞、急性肢體無力、反射減弱、心律不整,甚至嚴重到呼吸停止。
食物、飲養攝取首重均衡,任何食物過與不及都會對健康造成負面效應。
♡
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【核能相挺NASA火星任務】
#太空時代沒有非核家園 #核能的各種想像
上周起,火星任務三部曲分別由阿聯、中國以及美國等國陸續執行,將發射搭載探測器的火箭至火星。而NASA火星任務中關鍵的探測器,其動力來源由核能提供(放射同位素衰變)。未來若我們想走向太空,核能科技的應用都不會缺席。
▼發射直播這邊看
https://www.youtube.com/watch?v=JIB3JbIIbPU
▋火星計畫背景
今年七月底,阿拉伯聯合大公國、中國與NASA接力開啟火星任務,分別發射火星探測器「希望號」、「天問一號」和「毅力號(Perseverance)」,預計在半年後進入火星軌道或登陸地表。阿聯和中國的火箭已順利升空,壓軸的NASA將在今天發射火箭Atlas五號,預計在明年2月降落Jezero隕石坑,該處保存了火星最完整的古代湖泊與三角洲地貌,毅力號的任務是探勘火星上的微生物,河床或湖底的環境較易找到過去生命現象的沉積物,因此NASA選擇這塊35億年前的湖床做降落點。這次任務對火星古生物的探索,也是替未來人類移居的可能性鋪路。
▋毅力號的核動力系統
毅力號是NASA開發的第四代火星傳動車,身上攜帶七種精密科學工具,包括首次可以採集地表土壤岩石的機械手臂,與一架可在火星稀薄大氣中盤旋的直升機,這些設備的運作與毅力號本身移動、通訊的動力來源,都來自美國能源部設計的核動力系統。
說說能源在不久前也報導過核能在美國太空時代的應用(參見:https://reurl.cc/4RZV4R),毅力號是由美國能源部研發的一組稱為「多任務放射性同位素熱電產生器(Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator )」的動力系統所驅動,#透過鈽238的自然衰變產生的熱能來供電,當系統啟動時約可產生110瓦的功率,同時還能發熱,可在極低溫的火星夜晚與冬季中維持機身溫度,使儀器不會因結凍而故障。
▋核動力在太空中的優勢
由於鈽238的衰變反應可持續很久,即使毅力號的任務設定只有2年,卻能提供機身14年的動力;相對來說,「天問一號」依賴太陽能電板供電,中國只給它設計90天的任務期,且若遇上遮蔽陽光的天氣,車子就會失去動力來源,例如兩年前,NASA靠太陽能驅動的第二代傳動車「發現號(Opportunity)」就因遇上規模巨大且歷時甚長的火星沙塵暴,擋住了日光,使車子沒電而進入休眠狀態至今。NASA自第三代傳動車「好奇號(Curiosity)」開始就不再以太陽能電板供電,改為核動力系統。
▋美國國家隊打造
毅力號的放射性同位素動力系統可說是美國國家隊通力合作的產物,根據美國能源部核能辦公室助卿Dr. Rita Baranwal提及,橡樹嶺國家實驗室提供了二氧化鈽熱燃料和燃料護套(fuel cladding),這種形式的鈽較為安全;Los Alamos國家實驗室負責將上述兩者封裝;愛達荷州國家實驗室則組裝各部件並進行測試。
美國能源部至今已建造近50個放射性同位素動力系統,兩度替NASA的太空任務提供動力來源(2011年的好奇號與今年的毅力號),目前每年約可生產400公克的鈽238,能源部希望在2026年使年產量達1.5Kg,替NASA該年的「蜻蜓任務」的飛行探測器「蜻蜓號」備好燃料,它準備靠著熱核反應在土星第六號衛星(Titan)迷霧般的大氣中盤旋。
▋參考資料:
https://reurl.cc/oLWaxq
https://reurl.cc/ex1K6M
NASA關於毅力號動力系統的資訊:
https://reurl.cc/vDVRme
改圖自NASA/JPL-Caltech提供的照片
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大家好
先更正先前說的
(X) 鈾-235是唯一易裂材料
(O) 鈾-235是自然界唯一易裂材料
易裂材料可以人造,鈽-239便是從鈾-238來的
如同天然美女與醫美美女,都是美女
上一集談鈽是鈾-238吸收中子,經過輻射衰變而來
所以影片略作調整,先把鈽彈相關的背景知識講完
離心機調整到下週,可以先看洗衣機,
原理是一樣的,差別在轉速與抗腐蝕能力不同
所以別買轉速太高的洗衣機,避免黑衣人來關心...
鈽-239也可能吸收中子變成鈽-240
鈽-240脾氣比較差,會自己中猴,精神分裂,釋放中子
這種行為稱為自發性核分裂
這邊簡述鈽彈的研發,剩下的留到核彈原理與曼哈頓計畫再談,讓說書人留點拖台錢
曼哈頓計畫一開始的鈽樣本很少,0.001克(mg)這種量級,屬於微量樣本
所以沒有檢測出顯著的自發性核分裂
但是後來收到的樣本比較多時,慘了,這個效應是微量樣本的5倍
這意味著若要用槍式引爆鈽彈,推進速度不夠快,會提早引爆(fizzle),效率很低
變成花大錢作髒彈(如同神奇的蚊子館一樣)
所以改用爆炸震波,用更快的速度壓縮鈽-239,達到超臨界狀態
自發性核分裂是機率,不同的核種機率不同(影片有實驗數據)
影片內容採用說明物理觀念的方式,放在有核不可系列,作為引用資料
影片連結
https://youtu.be/xuqdfyHLA6g
影片摘要
1. 核分裂的差異
(1) 有核不可第2季談的核分裂屬於中子觸發核分裂,由外部中子觸發,
先與原子核形成不穩定的複合核,並分裂為分裂碎片。
(2) 自發性核分裂無需外來中子,因自身不穩定而分裂,
機制涉及量子力學的穿隧效應。
2. 說明穿隧效應引發的自發性核分裂
3. 自發性核分裂實驗數據(Los Alamos 1950年,以及近代兩種公開數據)
(1) 鈾同位素
(2) 鈽同位素
(4) 質量數242以上的核種
(5) 中子源,Cf-252,中文翻譯為鉲-252或稱锎-252
相關影片
1. 原子核穩定性(Segre Chart)
https://youtu.be/WeZ6iUoMJC4
2. 中子觸發核分裂
https://youtu.be/Jyqt28Zr50k
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