美國能源部資助 X-energy、TerraPower 共 1.6 億美元,發展小型先進模組化核電廠

作者 | 發布日期 2020 年 11 月 02 日 7:45 | 分類 核能 , 科技政策 Telegram share ! follow us in feedly


全球第三代核電廠發展已經走到死胡同,核分裂發電技術要繼續走下去,只能展望第四代的小型模組化核電廠,美國能源部在 2020 年 5 月宣布先進反應爐示範計畫(Advanced Reactor Demonstration Program,ARDP)希望推動小型模組化核電廠的發展,於 2020 年 10 月中宣布選擇兩個研發團隊,分別為 TerraPower、X-energy,各補貼 8,000 萬美元,總共注資 1.6 億美元,希望推進第四代核能的發展。

美國能源部在 2020 年 5 月宣布的先進反應爐示範計畫,總計未來 7 年內將注資 32 億美元給先進核能領域,2020 年剩下 2.3 億美元預算,計劃用來支持額外的核能示範計畫,但 10 月中宣布支持的 TerraPower 、X-energy 兩家公司,能源部認為先進核能技術領先群雄,本身也財務健全,能找到與能源部投注金額相匹配的資金,有能力在 7 年內達成目標。

美國核產業正面臨青黃不接,由於第三代核電廠投資額過高,施工曠日廢時,使得核分裂發電幾乎已經遭判死刑,美國如今面臨大量老舊核電廠本來申請延役卻因為經濟因素提早關廠,新核電廠計畫逐一遭放棄,目前僅存美國南方電力公司 (Southern Company)在喬治亞州的佛格妥核電廠(Plant Vogtle)新建反應爐案,但也嚴重超出工期與預算。

然而美國軍事上有大量核能應用,核工人才不能斷炊,第四代核電廠成為核能產業續命的重要希望。當前第三代核電廠滅亡的主因是大而無當,要籌集太高的資金,工期太長,安全範圍太大所以廠址偏遠,也是工程費用提升的原因之一,這些在在讓投資人興趣缺缺。美國能源部希望若是能小型化,這些根本問題能得到解決,第四代核電廠新創事業能夠在美國盡快站穩腳步,銜接第三代核電廠,以免整個核工上下游產業鏈崩潰,之後還能進一步外銷他國,與中、俄之間保持競爭優勢。

此次得到美國能源部資助的 TerraPower,成立於 2008 年,背後投資人包括微軟創辦人比爾蓋茲,合作夥伴包括傳統核工大廠奇異日立核能(GE-Hitachi Nuclear Energy)、美國最大建築工程公司貝泰(Bechtel),以及美國能源部的橡樹嶺國家實驗室 (Oak Ridge National Laboratory),電力公司方面則與西北能源(Energy Northwes)、杜克能源(Duke Energy)、南方電力(Southern Company)、太平洋電力集團(PacifiCorp)合作。過去也曾在 2016 年取得能源部 4,000 萬美元需匹配資金。

TerraPower 與奇異日立核能合作開發的小型模組化核分裂反應爐名為「鈉」(Natrium)反應爐,結合 TerraPower 原本的鈉冷快中子反應爐(Sodium-cooled Fast Reactor,SFR)搭配熔鹽儲能。因為「鈉」反應爐的熱能輸出,高於發電能力 345 百萬瓦(megawatt )發電容量,多餘的熱能可利用熔鹽儲能儲存起來,當用電尖峰時,以熔鹽的熱能驅動另一組發電渦輪,總計可達 500 百萬瓦的發電容量輸出,藉由這樣的設計,來應對用電需求上下波動的基本問題。

第四代核電廠發展至今並不順利

「鈉」反應爐顧名思義,與過去主流輕水式、重水式反應爐的差異,就在於不是使用水,而是以液態的金屬鈉為冷卻劑,反應堆溫度更高,有更多快中子反應,一旦發生意外事故,反應堆自然冷卻後,無法維持反應溫度,就會自動停止反應,有被動安全效果。

X-energy 則成立於 2009 年,採用球床反應爐(Pebble bed reactor,PBR)設計,球床反應爐的燃料包覆在石墨中製作成圓球形,暱稱為「卵石」,圓球與圓球中間有空間可以通氣,與傳統重水式或 TerraPower 的液態鈉不同,採用惰性氣體或接近惰性氣體為冷卻劑,也就是氣冷式設計。

球床反應爐反應溫度同樣比輕水反應爐的運作溫度更高,反應較有效率,但燃料密度較低,沒有系統機制協助下,產生的熱能少於溢散的熱能,在發生意外停止運作時,會逐漸降溫,不會發生爐心熔毀,也是具有被動性安全設計。球床反應爐的另一個優點是,燃料球不需停機就能依序更換,所以不需要如傳統核反應爐,每幾年就得關閉數週更換燃料棒。

雖然理論上球床反應爐有以上優點,但是過去實際運作,德國第二個測試爐運作 4 年就發生意外停機,之後德國的研究停擺,換中國興致勃勃,但小規模測試後,2012 年開工的 250 百萬瓦發電容量的石島灣核電廠,原本計劃 2017 年完工上線,卻面臨工期一延再延,如今華能集團稱 2021 年計劃進行反應堆首次裝料。

X-energy 的 XE-100 球床反應爐發電容量為 80 百萬瓦,反應爐零部件都將在工廠預先製作,現地組裝,降低設計複雜度同時減低施工成本與縮短工期,也有利於規模量產,可結合 4 個以上單位達到 320 百萬瓦以上發電容量。針對床床反應爐最為人擔憂的燃料球可能破損造成核外洩問題,則開發三層結構的燃料球改善安全性。XE-100 球床反應爐也同樣能以儲熱的方式儲存能源。

X-energy 過去 2016 曾得到 5 年 5,300 萬美元的能源部資金,並與南方電力的核能部門合作,其他合作夥伴包括美國海軍核子潛艇與航空母艦核動力開發商 BWX Technology、國防航太與海事等先進工程解決方案商 Teledyne-Brown Engineering、碳材料大廠西格里集團(SGL Group)、奧勒岡州立大學、愛達荷國家實驗室,以及球床反應爐技術的誕生處:橡樹嶺國家實驗室 。

第四代核電廠發展至今並不順利,2018 年跨原子(Transatomic)宣布停業,其他開發商也至今尚未能有可商用生產的反應爐。2007 年成立的新規模電力( NuScale Power)於 2020 年 9 月取得美國聯邦許可,但其第一個 50 百萬瓦反應爐預計要到 2027 才完工,若沒有工期延長。

在國家戰略需求下,美國能源部對於第四代核電廠的發展越來越積極,大有恨鐵不成鋼的感覺,但是隨著可再生能源的價格仍在持續下降,核能的商用經濟價值也越來越受懷疑,最終恐怕還是只能接受國家補助,侷限於軍事用途。

(首圖來源:pixabay

延伸閱讀: