廢料再利用、朝零污染邁進,核能技術改頭換面再出發

作者 | 發布日期 2020 年 03 月 12 日 17:04 | 分類 核能 , 能源科技 Telegram share ! follow us in feedly


能源技術與日俱進,科學家無不希望能研發出效率高、污染低的發電技術,最後商業化為人們帶來乾淨可靠的電力。以核能來說,努力目標也離不開推出核廢料少、安全性更高的設備,就像是可用核廢料來發電的第四代核分裂技術,又或是在地球上打造可媲美太陽的核融合能量場,縱使上述技術距離商業化都還有些距離,但他們前行速度並不慢。

一直以來,核廢料存放、安全性都是核分裂電廠長年不受歡迎的主因,它能帶來龐大穩定的電力,但隨之而來的核廢料輻射將延續好幾萬年,若意外發生,更可能會造成環境與人們都難以負擔的災難,因此核能爭議長久不休。而新型第四代反應爐或許能稍稍緩解紛爭,它在永續性、安全性、可靠性、經濟性、抑制核擴散與物理防護上有大量的改善。

目前加州新創公司 Oklo 則有望在美國愛達荷國家實驗室(Idaho National Laboratory,INL)建立一座新型 1.5MW 小型核反應爐極光(Aroura),可供應 1,000 戶家庭用電,20 年不用換燃料,還目標使用核廢料發電。

Oklo 已獲得場地使用許可,同時 INL 也會開放 Oklo 權限,回收用過核燃料棒為極光反應爐使用,Oklo 共同創辦人兼執行長 Jacob DeWitte 表示,這是展示極光反應爐的好方法,同時更證明先進核反應爐能使用核廢料來發電,也能列入乾淨能源行列。

但是否能使用鈾燃料還須要看後續協議,其中極光核反應爐技術主要基於快中子反應爐(fast reactors),採用預計採用鈾 235 濃度介於 5% 到 20% 的 HALEU(High-Assay Low Enriched Uranium)燃料,其濃度雖然僅略高於普遍核電廠的 3%,但能帶來更大的效益,由於濃度更高,能打造更為小型的核能組件與反應爐,建設成本更低、也更快速,這種核燃料也備受小型模組化反應爐(SMR)愛戴。

INL 核能科學與技術副實驗室主任 John Wagner,採用濃度更高的 U-235 的核燃料,反應爐的運行時間可再拉長,因也能建設在偏鄉地區。

真正實現無污染的核技術

上述是未來第四代核能技術的進展之一,而除了核分裂反應爐,近年核融合技術也大有進展,其中核融合雖然聽起來陌生,但那是太陽產生能量的方法,太陽核心每秒會發生 6.2 億噸氫的核融合反應,為此科學家想在地球打造一顆「人造太陽」,提供人們乾淨無污染的電力。

相較於核分裂發電,核融合該技術是將氫的兩種同位素氘、氚原子結合,形成一個較重的原子核與一個較輕的原子核,而若要進行核融合反應,得將物質的溫度提高使原子核和電子分開,進而形成電漿,最後科學家再利用強大的磁場來控制與封閉電漿。

由於產生的核廢料半衰期極短,低管理成本、核洩漏時總危害較低、最多只有一公里內需要撤退、安全性也更高。

不過核融合技術開發不易,需要將反應爐溫度提高到 1 億 °C 以上,因此打造出耐熱設備、提高電漿溫度與穩定電漿都是目前科學家想要攻克的難題,而現在澳洲科學家則想迴避「高溫」難題,透過兩道雷射光束實現「氫 – 硼核融合技術 HB11 Energy」,完全不會有放射性污染,或許會是最乾淨的核能技術。

澳洲新南威爾士大學的技術主要是用啁啾脈衝放大技術(Chirped Pulse Amplification,CPA)產生兩道超強、超短、皮秒級脈衝雷射,以精確的非線性力產生聚合反應,理論物理學家 Heinrich Hora 表示,氚元素既罕見又昂貴,氘氚核融合反應也會釋放中子、產生放射性廢棄物,而氫硼反應不會產生中子,是相當理想的燃料。

HB11 Energy 反應爐設計並不複雜,首先是一個中央放有 HB11 燃料的中空金屬球,兩道雷射光會從金屬球兩側的小洞射入,一道雷射主要是建立電漿的磁場圍阻場(containment field),另一道雷射則是希望能引起持續不斷地雪崩式聚合鏈反應。

HB11 Energy 反應爐會產生質量大、電荷最高的 α 粒子,可直接產生電流,不用像現在的技術還需要多一個步驟,透過熱交換器或是蒸氣發電機將熱能轉換成電能。

Hora 認為這項技術具有乾淨與絕對安全優勢,建設在人口稠密的都市也沒有問題,更不用擔心會像核分裂技術一樣、發生爐心溶解的慘劇。目前 HB11 Energy 已獲得中國、美國與日本專利,也是 2050 年實現低碳排放的好手。

核能議題不管在國內還是國外,基本上都爭論不斷,雖然具有發電量高又穩定,但高昂興建成本、核廢料存放、維運跟退役事宜,以及意外風險,這些都容易引發政治、社會歧見與紛爭,而核能技術也在多方的爭吵與摩擦中持續進步,未來說不定新型核能技術能不僅能改變世界能源,還可以改變氛圍。

(首圖來源:shutterstock)