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【工業】【能源】高溫氣冷堆

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發表 由 lung 周日 2月 21, 2016 9:26 am

【工業】【能源】高溫氣冷堆 9knlfl
50、60和70年代是核能發電的黃金時代,在歐美日等先進工業國家有幾百座第一代和第二代的核電廠建成上線。1979年的Three Mile Island Accident(三哩島事件)和1986年的Chernobyl Accident(車諾比事件)是極重要的轉捩點,此後20年核電工業的增長基本停頓,少數新建成的反應爐只夠替代退役的反應爐;所以總數量停滯在400多座,一直到近十年才因中共的能源政策而重新進入成長期。

我在前文《核動力在軍用與民用之間的差別》曾講過一些核電反應爐的設計和歷史,如果讀者不太熟悉這方面的題材,請先複習那篇文章。我在那裡也提到了高溫氣冷堆(Pebble Bed Reactor),今天主要對它做個簡單的介紹。

首先澄清一下核能發電的代別:最早的設計,不論是壓水式(主環路靠高壓使水完全不能沸騰)還是沸水式(主環路容許水的氣態),都沒有對安全備分做足夠的考慮,所以後來改進之後,就分別稱為第一代(如Chernobyl)和第二代(如日本的福島,所有美國目前在運行的核電廠和台灣的核一、核二、核三)。壓水式和沸水式反應爐最大的危險在於若是冷卻水主環路失靈,那麼即使中子吸收棒被放到“全關”的位置,之前裂變產生的放射性元素仍然會繼續裂變而產生過多的熱量,最終會把整個爐心熔化掉(Reactor Core Meltdown),極高溫的放射性金屬熔漿有可能會燒穿反應爐的水泥地基而滲入地下水層,將大量危險的放射性同位素(一般是像碘131這種短半衰期的裂變產品放射性危害最強,而碘進入人體之後會聚積在甲狀腺,所以上次福島核災後有謠言叫災民多吃碘)釋放到外界,因此這兩類反應爐的安全設備主要專注在保障冷卻水主環路持續流通。第二代的核電廠普遍使用柴油發電機在停機時驅動主泵,確保冷卻水的循環。後來三哩島事件使設計廠商開始認真檢討所有可能出毛病的環節,就有人提出柴油發電機並不是100%的可靠(例如福島在海嘯之後,自然是反應爐和柴油機一起泡湯),於是在1980年代西屋、GE和法國的Areva都開始研究完全不需電力供應的冷卻方法,這就是第三代反應爐。不過要在沒有電力供應的條件下保持無限期的冷卻水循環違反了能量守恆定律,所以先天上就是不可能的。工程上的解決辦法只能把一個大水池建在屋頂,利用重力來推動循環,那麼當這池水用完以後,反應爐仍然會熔毀。目前的設計一般是保障七天左右,在這段時間內,維修人員必須重啟電力供應。這在天災情況下應該是做得到的,在戰爭人禍的情形下就很難說了。

至於所謂的第四代反應爐,則是對所有把壓水/沸水式完全推倒重來的設計的通稱,包括了好幾種截然不同的構想。但是由於傳統的壓水/沸水式在工程投入上有70年的領先,所以這些新設計必須有根本性的優勢,否則不可能有人願意投資幾百億美元來做開發。目前只有兩種設計滿足這樣的要求,分別是高溫氣冷堆和快滋生反應堆(Fast Breeder):前者專注在安全性,保證絕不熔堆,而後者則可以用來做元素嬗變(Elemental Transmutation),最主要是將鈾238變成鈽239。從商業觀點上來看,只有前者有真正實用上的價值;快滋生反應堆生產的鈽剛好是核子武器的最佳原料,只有軍方和日本政府(日本自中曾根康弘首相之後便開始積極囤積鈽239,所用的藉口是把鈽和鈾混合成MOX核能燃料;正因為有這個偷偷摸摸的任務,日本的核能監管單位對電力公司不能做嚴格的審查,最後間接導致福島核災)才會有興趣冒經濟和安全上的風險。

高溫氣冷堆最早是1943年美國的Farrington Daniels在Oak Ridge實驗室所做的一個實驗,不過一直到1960年才在西德由Rudolf Schulten主持,開始實際的工程設計與建設。Schulten的反應爐叫做Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor(Joint Experimental Reactor,聯合實驗反應堆),簡稱AVR,1967年建成並網發電,電功率為15MW。1986年車諾比事件後,西德對核電開始有疑慮,AVR也受到嚴格的監督。1988年發生了一個小事故(燃料球卡在出口),在處理的過程中釋放了很少量的放射性塵埃(燃料球的外殼不夠強,以致破裂),但是當時的民情已經不容許任何放射性災害,於是AVR被關閉,德國政府花了26年來清理現場並檢討整個經驗,到2014年才大功告成,發布了報告。Schulten原本已經準備開建下一代的高溫氣冷堆,叫做HTR-MODUL,其改進的重點是針對AVR的幾次事故(70年代的事故被遮掩到2000年代才發現)重新設計反應室出口和燃料球;新燃料球在1988年正要開始試產,結果全部生產線必須作廢。但是中共有極佳的先見之明,在1970年代末就已經從清華派了學者和學生去參加Schulten的團隊,團隊被解散之後,他們說服中共當局,以極低的價格買下了智慧產權的執照和圖紙(南非也買了執照和圖紙,但是沒有什麼大進展,2010年正式放棄),並且把燃料球生產線帶回清華。1995年中國版的HTR-MODUL(改稱HTR-10)在清華校園開建,2000年建成並網,電功率為10MW。2005年商業版的示範堆在山東石島灣開建,預定2017年完成,雙機並聯,總電功率為200MW(參見前文《中共國營企業的改革》)。

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HTR-10的示意圖,可以看出高溫氣冷堆的結構極其簡單,基本上就是一個大沙漏裡裝了幾十萬個燃料球,既沒有中子減速劑,也沒有中子吸收棒,完全不須在爐心使用機械裝置。這是因為所有的功能都集中到燃料球本身,停機靠的是物理性質而不是工程手段。冷卻環路用的是氦,因為氦的腐蝕性和放射吸收性都是零。既然氦不會吸收放射性,理論上就可以用主環路直接驅動渦輪,從而獲得更高的熱效率。但是在攝氏950度用氦推動的渦輪此前沒有現成的應用,必須從頭開發,而中方的渦輪技術並不太強,所以清華團隊很明智地選擇了使用第二環路來推動蒸汽渦輪的方案,這也避免了燃料球破裂後,放射性塵埃污染渦輪的危險。如此一來,高溫氣冷堆的真正技術難關就完全集中到燃料球本身。

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燃料球是Schulten的發明,不同的高溫氣冷堆視設計功率需求決定放多少個燃料球;一般是幾十萬個。每個燃料球直徑為60mm(比網球略小一點),最外層是5mm厚的強化石墨;中心的餡兒直徑50mm,由八千個燃料粒和石墨混合而成。石墨是很好的中子減速劑和熱導體,並且可以耐熱到攝氏2800度;而高溫氣冷堆受核子物理的天然限制,爐心溫度不可能超過攝氏1600度,一般工作溫度在攝氏950度左右。燃料粒直徑為0.92mm,由四個保護層包裹直徑0.5mm的二氧化鈾燃料而成。石墨和氦都不會吸收放射性,所以燃料球用完後,本身就是圍阻體,可以簡單裝箱掩埋,無需另外的機械或化學處理;不過廢料總體積會增加。

高溫氣冷堆的功率控制和絕不熔堆的保證,來自一個很特別的核子物理性質:裂變產生的快中子(Fast Neutron)和石墨原子核碰撞之後,損失動能,成為慢中子(Thermal Neutron);而其他鈾235原子核吸收慢中子(這就是所謂的連鎖反應,Chain Reaction;鈾238原子核剛好相反,喜歡吸收快中子而不管慢中子;高溫氣冷堆的石墨減速劑比壓水/沸水式用的輕水有效,所以鈾235不須被濃縮到同樣的5%濃度,甚至只有0.7%是鈾235的天然鈾在理論上都可以用)而引發新的裂變的截面積(亦即機率)隨溫度增高而減小,在攝氏1000度以上減小得很快。所以要停機,只須要把主環路的氦氣風扇關掉,讓爐心溫度逐步升高到攝氏1600度,連鎖反應就基本停止了。這時鈾即使熔化,因為它被包在燃料粒裡,也不會洩露。既然關掉主環路裡的氦氣循環是正常運作的一部分,那麼在天災或故障時失去電力供應,也就沒什麼大不了的。

高溫氣冷堆之所以至今沒有普及,主要是經濟上的問題。它雖然結構很簡單,但是在工程設計上遠不如壓水/沸水式成熟,所以第一代的發電站仍然故障不斷,沒有經濟效益。此外它的功率密度很低,反應爐心佔地900立方公尺,比壓水式的30立方公尺(這還是民用反應爐,包括了更換燃料棒的機制;核潛艇用的更小得多)大30倍,功率反而只能做到100MW,而最新的壓水式已經達到1400MW。清華的設計是兩個反應爐共推一個蒸汽輪機,合起來成為一個模組。理論上模組和燃料球都可以大規模生產(清華自己的生產線年產量10萬枚,現在正在包頭市建設年產30萬枚的工廠),長期下來成本有可能壓低到遠比壓水式還低;但是這裡有一個很大的不確定性,也就是高溫氣冷堆核電站是否需要傳統的緊急事故處理設備,例如廠房安全殼。壓水/沸水式因為有爐心熔毀的可能,安裝反應爐的廠房本身也必須是特別設計的氣密安全殼(當然因為冷卻水沸騰時可以產生爆炸性的力量,兩層安全殼仍然不足以保證絕對的安全;而高溫氣冷堆用的氦氣是不會爆炸的)。如果高溫氣冷堆也必須建昂貴的廠房安全殼,那麼因為它的功率密度低,安全殼就必須建得更大,而且必須在氣密的同時提供氣冷,費用反而會更高得多。如果因為高溫氣冷堆的安全性而省略了緊急事故處理設備,那麼它很快就會比傳統的核電廠便宜,甚至可以直接替換掉煤電廠的舊鍋爐,沿用現成的蒸汽渦輪。

所以雖然高溫氣冷堆的安全性已經遠高於傳統式的核電站,它的前途還是決定在這個安全性到底高到哪裡。歷史上AVR的麻煩主要在於燃料球卡在出口,而在處理的過程中有燃料球破裂。原本燃料粒本身已經有四層防護,所以燃料球破裂應該也沒關係;但是年產30萬枚燃料球,每個球有8000個燃料粒,那就是24億顆燃料粒。目前的工藝可以保證99.999%的良率,但是即使再提升一個數量級,也就是達到了99.9999%的良率,仍然會有2400顆破損的燃料粒,當那2400枚含問題燃料粒的燃料球破裂時,就會有可能洩露放射性塵埃。不過一顆燃料粒只含0.7mg的鈾,所以這樣產生的塵埃是相當微不足道的。

在最壞的可能情形下,也就是當外力(例如天災、飛彈攻擊或廠房失火/爆炸)打破反應爐,氦氣外洩,空氣進入反應爐,那麼高溫的石墨會自行點燃,放射性污染就有可能會隨煙塵而散布(不過燃料粒的外層有Silicon Carbide,這種陶瓷材料不但堅硬、耐高溫,而且不易燃)。雖然有電腦模擬,顯示因為燃料球堆積很密,燃燒會有困難,但是這是假設廠房基本完整;如果廠房已經崩塌,氧氣的供應就可能足夠引發大火。當然以這個腳本來判斷安全性是很不公平的,所有其他的核電反應爐設計在同樣情形下,放射性污染都會比高溫氣冷堆高出好幾個數量級;問題在於分析了風險回報之後,是不是可以省略一些緊急事故處理設備(石島灣似乎就省略掉了廠房安全殼,但是因為有傳統的反應堆在隔壁,其他處理緊急事故的軟硬體設備都是現成的;但是高溫氣冷堆的經濟性只有在脫離傳統核電廠之後才能顯示出來)。很不幸的是,一般民眾沒有風険的概念,往往在被傳播媒體有意無意中傷的新科技上,為了極小的風険而因噎廢食;而舊有的工業技術,卻因為有既得利益者(如石油財團)護航,可以每年害死幾萬人而沒有媒體敢討論(如燒煤和燒油的空氣污染,造成每年全球因肺癌死亡的人數,就遠超過人類歷史上因核電意外而死亡的總人數,這還不考慮全球暖化的後果)。所以只有理性的政府才能做出理性的最佳決定,而台灣的民主政體卻是絕對反理性的。

http://newsblog.chinatimes.com/duduong/archive/32995
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發表 由 lung 周日 2月 21, 2016 9:27 am

多謝王先生的科普。我曾經以為快堆也是很好的核能設計,看來並非如此。但是我看新聞上說快堆可以用來做乏燃料處理,這種理由是否恰當?
是的。這事比較復雜一點,所以我沒在正文裏提。

快堆全名是快中子堆,也就是沒有中子減速劑的設計。因為水是中子減速劑之一,所以就不能用;一般快中子堆必須用液態金屬來當冷卻劑,例如鈉或鉛。

快中子容易被鈾238吸收,成為鈽239,這是快中子堆的主用途。但是Trans-Uranium Elements(超鈾,即比鈾還重的元素,都有高度的放射性,極不穩定)也會吸收快中子而裂變成小原子核。這個好處是這樣的:超鈾的半衰期一般在幾個月到幾千年之間,這剛好是最讓人頭疼的範圍;因為半衰期若是很短,放一放就衰退光了,半衰期若是很長,則衰變很慢,放射性就很低,例如天然鈾。所以用過的燃料棒裏最難處理的元素就是超鈾,而理論上快堆可以把它嬗變掉。

當然,在工程上處理高放射性的廢料是非常困難的,所以目前快堆基本上還是為了軍事用途而存在。
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發表 由 lung 周日 2月 21, 2016 9:27 am

聽先生解釋快堆,我有個疑問。快堆不就是希望從鈾 238 變成鈽 239,並將鈽 239 作為核燃料或是核武原料嗎? 但是 "所以用过的燃料棒里最难处理的元素就是超铀,而理论上快堆可以把它嬗變掉。" 這一句話似乎是說快堆又可將超鈾 (鈽 239) 嬗變為低放射性物質,感覺上和快堆的本意有所矛盾?
鈽239再吸收一個中子就成為鈽240,提煉核武器用的鈽最重要的步驟就是要純化鈽239,因為鈽240半衰期很短,會使彈頭自行引爆,那就不太理想了。所以快堆生產鈽的時候,鈾238是放幾天就拿出來的。

快堆處理超鈾廢料則是要幾個月甚至幾年的時間。
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發表 由 lung 周日 2月 21, 2016 9:27 am

一直對核能感興趣,期待人類以後能利用更安全的核燃料。仔細閱讀先生新作,也大致腦補了核安全方面的知識。就個人認知而言,比較傾向於核電和水電,覺得火電汙染太嚴重,不過任何事情都有利弊權衡,是不是可以選擇地廣人稀且地質災害較少之處集中建設不需要第二安全殼的高溫氣冷堆,再將電力輸送到各處?

核能的出現,我覺得除了日本人吃了兩顆小丸子(如果沒這個事件,核武器的影響力應該會大打折扣,因為就普通人來說,無法想象它的後果),一直都在發射架上維護著這個小地球的大致和平。沒有核武器,可能這個世界現在會更亂。而如果技術超級復雜,長期掌握該技術的國家就一兩個,也會是一個很不安全的因素,但是個人比較擔心的又是另一方向,技術不夠復雜,轉而被少數極端分子掌握,成為極危險的因素威脅我們的小地球。
水電有極限,而且會影響魚的生態,不過現實中沒有完全理想的能源,水電、風電和太陽能算是最好的了,只是它們還是太貴。如果高溫氣冷堆的安全性能過關(先在傳統核電廠試用個10-15年),以它來大規模替代煤電鍋爐是最便宜和理想的方法。

“地廣人稀且地質災害較少之處集中建設”核電其實是適合超大型的第三代反應堆的政策。

還好提煉鈽239和鈾235都很困難,連伊朗都搞了近十年了還沒完成。恐怖分子要用核彈還是得靠偷的。
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發表 由 lung 周日 2月 21, 2016 9:29 am

非常感謝解說!我是來自台灣的讀者,以前在天下縱橫談發表過一些文章。

對於高溫氣冷堆,我個人認為這是一個產業的轉捩點。就我所知道的,攝氏900度左右就可以直接用水生產氫氣,這就可能對交通工具的能源使用產生重大影響,特別是石油的使用,當然這也會對國家戰略產生影響。

先生肯定對核技術有相當深入的了解,我的疑問在於:這個高溫氣冷堆的核技術,中國算是獨步全球了,那麼這種發電站的輸出,是不是會變成非常重要的政治決定?因為這牽涉到技術外洩的可能性。

另外,核電本身都會產生核廢料,台灣的核電站裡所堆積的核廢料已經到了快要沒地方放的地步,甚至可能被迫停機。台灣有沒有可能因為這個高溫氣冷堆,以及本身核廢料的問題,使台灣轉變對中國大陸的政治抵抗?

畢竟台灣沒人想要抱著核廢料,而傳統的火力發電,目前外三的技術又領先,台灣繼續燒煤的空污,大概自己也受不了,這可以成為台灣發生骨牌效應,轉變對中國政治敵意態度的一張重要骨牌嗎?

想看看先生的看法!
歡迎你來我的部落格。

我認為氫氣太危險了,不能推廣到消費者級別,請參見前文《永遠的未來技術》。至於在低用電期間生產氫氣,直接儲存在電廠,在尖峰時間再以燃料電池補助發電,我覺得有可行性,但是技術還不成熟。

中共似乎沒有出口的限制,已經準備把高溫氣冷堆推銷給中東。高溫氣冷堆用水比壓水/沸水式少,950度的高溫也適合海水淡化,特別適合中東和北非國家。

台灣沒有真正的荒地,核廢料是個大問題。至於和中方合作,我自己的觀察是台灣選民的智商和五歲小孩差不多,遇到不順意的事只會哭叫打鬧;權衡折中是要有十幾歲的智商的,台灣近25年還沒有做過;至於對外交涉,求同存異,獲取雙贏的共利,這是完全成熟的成年人才做得到的,台灣除了喊喊口號之外,有人真能做到嗎?
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發表 由 lung 周日 2月 21, 2016 9:29 am

王大哥,小弟有幾個不成熟的想法,您看看。
1)既然已知聚變堆產生的是中子,那麽能不能用中子去轟擊某些裂變材料使之能作為流水線式生產裂變原料呢?
2)是否存在僅用2h1(普通氫)就能核聚變的可能,這樣聚變後僅會產生2he4,就沒與中子這樣的麻煩了。
3)記得國際上是有一種能用來產生快,慢中子的機器實驗設備,他們是怎麽控制中子的呢?
4)高溫氣冷堆建成後能不能同時建成海水淡化+氫氣生產工廠在其旁邊這樣一邊生產核電同時也能海水淡化+產生氫氣,這樣會耗掉氣冷堆產生的電能嗎如果不會,這不就是更高效的能量轉化率嗎?
1)中子的來源不是問題。快堆和聚變反應器相比,要便宜、安全、成熟得多。
2)重氫的原子核有多余的中子,提供了額外的吸引力來克服正電之間的排斥力。若是使用普通氫,等離子體的溫度要再高兩個數量級,磁場就關不住它了。參見《永遠的未來技術》。
3)中子的生產,除了裂變和聚變之外,另一個辦法是用高速質子去打原子核,有部分會把中子打出來;這也是唯一能產生定向中子束的方法。中子產生時,都是快中子;要慢中子,可以用減速劑和中子做彈性碰撞,吸收它的動能。
4)這絶對是高溫氣冷堆長期下去的最佳遠景,不過壓水堆也可以做成袖珍型的和它競爭。中共的型號叫ACP-100,參見《核動力在軍用與民用之間的差別》。
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發表 由 lung 周日 2月 21, 2016 9:30 am

樓主經常逛軍網和觀察者,有註意到最近有文章介紹中國常規潛艇在瑞典斯特林熱機功率的基礎上提高了117%,這個文章麽?

整好,您這裏給普及了第三代/第四代 核能。

我尤其註意到,您說 日本無論是第一代第二代的壓水堆,廢水堆 ,都是有搜集 核武器原料鈈239,其實大路上的關心軍事的,心裏都對日本人的那點小心思一清二楚,日本人環顧四周,被中國人,俄國人,美國人,朝鮮人 圍著,都跟他有嫌隙。日本人怕俄國人,所以,擁核是個理由。朝鮮人,中國人跟日本人有不共戴天之仇,所以日本人也有理由擁核,美國人欺負日本人整整70年了,而且還曾經用兩個原子彈炸掉日本人大東亞共榮圈的美夢,實在擁核的不二理由。

所以呢,日本人的最高理想就是擁核,實際上日本人氣最高點論壇2ch,就通過翻譯傳回大陸的文章中, 我就見過幾十篇文章中,日本網民在積極談論日本應該擁核,從 輿論的氣氛和普及率來說,日本人當中有相當一部分是希望擁核的,這個有民意基礎。所以您在文章中說日本人從中曾根康弘時代開始積攢核原料,實際上根據鳳凰衛視的紀錄片,在日本聲明無核三原則的70年代起,日本人就有人後悔這個聲明了。到現在徹底廢掉無核三原則也只是時間。

我想問的是,您有沒有註意到 小堆或者微堆+AIP,高溫氣冷堆+AIP,熱離子堆+AIP,這些名詞?就是用小型核反應堆去驅動AIP熱機,在常規潛艇的身板上達到 無限動力的目標。在2000-3000噸的量級上達到 核潛艇的一些性能?

另外,您能不能介紹一下 核潛艇反應堆
我對核潛艇反應堆沒有專長,所以一直沒有寫專文。我所知道的是潛艇裏寸土寸金,用小堆+AIP不切實際(高溫氣冷堆尤其如此,因為功率密度太低),大概只是軍迷的狂想。如果是用小堆代替AIP,比較有可能。有謠言說共軍在開發袖珍型的核潛艇,準備以量取勝;不過中共對核潛艇的保密級別特別高,我們可能要到十年後才知道真相。

共軍的新一代大功率核潛艇反應堆是2012年開始研發的(有一個官八股說某某元件從2012年開始,後來可信的分析發現那個元件是核潛艇反應堆環路的一部分),應該在2020年左右服役。

觀察網上周有一篇討論AIP功率增加117%的文章,我想是目前最好的分析。不過我現在找不到了,說不定是因為分析得太好,被拿下來了。它的主旨是共軍的AIP技術來自瑞典,而瑞典的AIP有兩個功率(75KW和110KW);依前者(日本的蒼龍級用了四臺)來算,增加117%後是160KW,四臺是640KW,這比世界其他先進柴油潛艇例如德國的214級(240KW)高得多了,將來會有新的戰術可能。不過這比起核潛艇(洛杉磯級是26MW)還差得遠。

日本的右翼人士其實從被轟了之後就想著要鈽,但是是1982年中曾根康弘上臺才正式偷偷摸摸地幹。日本的鈽不是壓水/沸水堆來的(壓水/沸水堆是不能生產鈽239的),而是中曾根康弘任內蓋的一個快堆。1990年代還因處理MOX(就是鈽和鈾的混合燃料)錯誤(居然由手工拿掃把在水桶裏攪拌!連口罩都沒有帶)而有兩個工人死亡。
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發表 由 lung 周日 2月 21, 2016 9:32 am

等了一段時間,似乎沒有核工專業的人來看這篇文章,提醒文中一個錯誤──[鈾235的自發衰變(亦即沒有燃料棒到燃料棒之間的連鎖反應)仍然會產生過多的熱量,最終會把整個爐心熔化掉(Reactor Core Meltdown),]
以上敘述有誤,反應爐的衰變熱主要來自分裂反應後的產物,有的衰變快,有的慢,詳情可再查證。但絕不是U235的自發衰變,U235的半衰期很長的,7.04×10∩8年。
已更正。多謝指教。
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發表 由 lung 周日 2月 21, 2016 9:32 am

先生之言,令愚輩增長見聞、茅塞頓開;惟倒數第二段中倒數第二行之: "當那2400枚問題燃「球」破裂時" 是否為筆誤?
以上下文判之,正確應指燃料「粒」。
抱歉如此吹毛求疵。愚輩以為,以先生高見,專業之文本就解惑教授,豈容錯字筆誤乎?請乞見諒。
不是筆誤,不過寫得不好,容易誤解。已更正。
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