未來的低碳能源變局,盤點第四代核反應爐技術

作者 | 發布日期 2022 年 04 月 19 日 14:13 | 分類 核能 , 能源科技 Telegram share ! follow us in feedly


目前世界上有 440 座核能反應爐,總發電量足以供電全球 10% 的電力,而現在正興建中的反應爐還多達 50 座,除了數量增加,為了提高安全性、降低核能成本,核能技術也持續演進中,未來「第四代核反應爐」是否有機會跨出實驗室並助力低碳供電?

過去的的核電主要以集中式電廠為主,每座反應爐裝置容量動輒 900MW 以上,因此成本高達 150 億美元、可能需要長達 20 年才能完工運轉,過程也需要經過繁複且冗長的行政程序,需不斷測試、修改、重新測試電廠設計與工程,經過嚴格的環安衛規範後,營運商還要負擔廢棄核燃料處理成本。

上述情形不僅可能導致電廠成本超支,自然也會拉長建置時間,如果想要降低成本、縮短建置時間,方法包括標準化設計、蓋更多電廠留下技術和經驗、精簡管理措施,又或是透過解決最大的建築成本,也就是提出新的電廠設計。

第四代電廠設計

如今核工業大廠跟各式新創團隊正在尋找新的核分裂反應爐設計,其中不少廠商已經研究數十年,盼能降低建設和營運成本,還可以提高安全性和效率,同時降低核武風險。

當今核電廠屬於「第三代」,其中第一代核電廠主要是指 1940 年代末期~1960 年代初期原型反應爐、還沒商用的反應爐,第二代就是 1960 年代中期到 1990 年代中期的第一批商用輕水反應爐,第三代反應爐雖然也是輕水反應爐,但採用更可靠的燃料跟反應爐爐芯、被動冷卻系統。

未來的第四代反應爐自然更先進,種類也更加多樣化,透過新的反應爐技術、材料和製造技術,希望能降低成本並提高電廠安全性。

一、小型模組化核能反應爐(SMR)

顧名思義,相較於傳統核反應爐,小型模組化核能反應爐的尺寸跟規模更小,基本上是希望能打造出小於 300MW 的核反應爐,甚至可以跟汽車一樣大規模製造,希望引入工廠製造技術來降低核電成本。

該技術的優點在於,可以將機組拆分成多個部分,在現場一次安裝多個小型反應爐,或是在工廠建置完後直接搬去現場,有利規模量產,又避免過去設置核電廠工程浩大、費時昂貴的老問題。也可以依照客戶需求訂製,對於小型、相對偏遠的社區,能裝置一座小型核反應爐為幾千戶家庭或企業供電,也可以一次設置多個反應爐,為大城市數百萬人供電。

也因為規模不大,也能用在石油探勘、軍事基地等特殊應用,裝置在地底、船上或是海上,結合被動安全系統,不用操作員主動干預或電氣回饋讓反應爐進入安全關閉狀態,也不用大型混凝土結構屏蔽核燃料棒。

二、高溫氣冷反應爐(HTGR)

高溫氣冷反應爐是種石墨慢化反應爐,為最近逐漸成熟的核能技術。傳統核反應爐多採用濃縮鈾或是鈽燃料棒,但高溫氣冷反應爐的燃料是「球狀物」,一顆顆由鈾、碳和氧組成的「卵石」,它們被密封在三層碳或陶瓷材料中,提高耐熱度、中子輻射、腐蝕、氧化,也可避免石墨遇高溫燃燒,內裏則是核燃料與充當緩衝的石墨,最後反爐內就有如球池,塞滿好幾千顆燃料球,不需要控制棒就能產生並維持高溫核反應。

這些卵石燃料也不會在反應爐中熔化,反應爐可以在更高的溫度下運行,卵石也會緩慢地在反應爐中循環,用過卵石會從底部移出,再用新的卵石替換。

三、氣冷式快反應爐(GFR)

氣冷式快反應爐為快中子增殖反應爐(Fast breeder reactor)的其中一種,這類反應爐在運轉同時也可以合成出「核分裂材料」,讓核燃料的製造量大於消耗量,主要以氦氣或二氧化碳等氣體做為冷卻,功率密度比高溫氣冷反應爐還要高。

氣冷式快反應爐透過用快中子,將傳統反應爐的慢中子取而代之,將釷或非裂變鈾同位素轉化為鈽或可裂變鈾同位素,進而產生核燃料。新一代氣冷式快反應爐的燃料核心為陶瓷一碳化鈾(uranium monocarbide),能在高溫下運作,燃料配置也使得每體積燃料的鈾原子密度較高。

四、鈉冷快中子反應爐(SFR)

鈉冷快中子反應爐以液態金屬鈉當作冷卻劑,運轉過程雖然會產生大量的熱能,甚至超過驅動蒸氣發電機所需的熱量,但液態鈉具備優秀的散熱能力,因此在小型反應爐中仍能順利運作,被動式安全機制也能順利運作。

通常美國的鈉冷快中子反應爐燃料是包裹著鈾和鋯的鋼合金,俄羅斯、法國和日本則傾向使用氧化鈾燃料,另外鈉冷快中子反應爐具有封閉的燃料循環,鈾和鈽會做為核分裂反應的一部分,在反應爐內循環再利用,補充一次燃料就能使用數十年。

五、鉛冷式快反應爐(LFR)

鉛冷式快反應爐(LFR)是基於俄羅斯核潛艇開發的反應爐設計,主要使用鉛做為冷卻元件。最新版本使用氮化鈾而不是二氧化鈾,與鈉一樣,鉛做為被動安全系統,如果反應爐開始失控就會自動調節核反應。

六、液態氟化釷反應爐(FHR)

液態氟化釷反應爐(FHR)不是用氦氣來冷卻,而是由氟化鋰和氟化鈹鹽製成的熔融混合物,這些反應爐的功率密度是卵石燃料技術的 10 倍,而與氦氣冷卻的反應爐相比,氟化物鹽使反應爐能夠在更低的溫度下運行。

七、熔鹽燃料反應爐(MSR)

熔鹽燃料反應爐(MSR)的燃料不是棒狀、顆粒或卵石,而是被混合到氟化鹽中,透過流經石墨或類似慢化劑來控制反應。熔鹽燃料反應爐雖然可以在高溫下運作,但會伴隨腐蝕問題,因此目前多傾向低溫版本,不過透過結合冷卻劑和燃料,更容易清除核廢料和補充燃料。

將來的核能技術會何去何從?

目前許多國家與政府紛紛設立淨零碳排目標,希望可以在 2050 年達到碳中和,對此,不少國家對核能寄予厚望,尤其是期許新一代核能技術可以為 2030 年後帶來新機遇,或許上述第四代反應爐有機會上場。

畢竟由它們的設計目的是更便宜和更快地構建,若有機會很可能會很快變得非常普遍,只是路途仍遙遠,比如日本先前努力嘗試的「文殊反應爐」,文殊反應爐也是屬於「增殖反應爐」,日本耗資 85 億美元,但由於出現故障事故、監管違規等爭議,其實沒有獲得多少良好收益,再加上 2011 福島核災後,日本民眾對於核電廠信任度下滑,最終該電廠在 2016 年退役。不過新核電設計基於利基應用也會有新的機遇,目前已經有計劃在月球上建造小型核能反應爐等多樣化設計。

(首圖來源:pixabay