目前世界上有 440 座核能反應(yīng)堆，總發(fā)電量足以供電全球 10% 的電力，而現(xiàn)在正興建中的反應(yīng)堆還多達(dá) 50 座，除了數(shù)量增加，為了提高安全性、降低核能成本，核能技術(shù)也持續(xù)演進(jìn)中，未來(lái)「第四代核反應(yīng)堆」是否有機(jī)會(huì)跨出實(shí)驗(yàn)室并助力低碳供電?
過(guò)去的的核電主要以集中式電廠為主，每座反應(yīng)堆裝置容量動(dòng)輒 900MW 以上，因此成本高達(dá) 150 億美元、可能需要長(zhǎng)達(dá) 20 年才能完工運(yùn)轉(zhuǎn)，過(guò)程也需要經(jīng)過(guò)繁復(fù)且冗長(zhǎng)的行政程序，需不斷測(cè)試、修改、重新測(cè)試電廠設(shè)計(jì)與工程，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的環(huán)安衛(wèi)規(guī)范后，營(yíng)運(yùn)商還要負(fù)擔(dān)廢棄核燃料處理成本。
上述情形不僅可能導(dǎo)致電廠成本超支，自然也會(huì)拉長(zhǎng)建置時(shí)間，如果想要降低成本、縮短建置時(shí)間，方法包括標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、蓋更多電廠留下技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)、精簡(jiǎn)管理措施，又或是透過(guò)解決最大的建筑成本，也就是提出新的電廠設(shè)計(jì)。
第四代電廠設(shè)計(jì)
如今核工業(yè)大廠跟各式新創(chuàng)團(tuán)隊(duì)正在尋找新的核分裂反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，其中不少?gòu)S商已經(jīng)研究數(shù)十年，盼能降低建設(shè)和營(yíng)運(yùn)成本，還可以提高安全性和效率，同時(shí)降低核武風(fēng)險(xiǎn)。
當(dāng)今核電廠屬于「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(yīng)堆、還沒(méi)商用的反應(yīng)堆，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(yīng)堆，第三代反應(yīng)堆雖然也是輕水反應(yīng)堆，但采用更可靠的燃料跟反應(yīng)堆爐芯、被動(dòng)冷卻系統(tǒng)。
未來(lái)的第四代反應(yīng)堆自然更先進(jìn)，種類也更加多樣化，透過(guò)新的反應(yīng)堆技術(shù)、材料和制造技術(shù)，希望能降低成本并提高電廠安全性。
一、小型模塊化核能反應(yīng)堆(SMR)
顧名思義，相較于傳統(tǒng)核反應(yīng)堆，小型模塊化核能反應(yīng)堆的尺寸跟規(guī)模更小，基本上是希望能打造出小于 300MW 的核反應(yīng)堆，甚至可以跟汽車一樣大規(guī)模制造，希望引入工廠制造技術(shù)來(lái)降低核電成本。
該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，可以將機(jī)組拆分成多個(gè)部分，在現(xiàn)場(chǎng)一次安裝多個(gè)小型反應(yīng)堆，或是在工廠建置完后直接搬去現(xiàn)場(chǎng)，有利規(guī)模量產(chǎn)，又避免過(guò)去設(shè)置核電廠工程浩大、費(fèi)時(shí)昂貴的老問(wèn)題。也可以依照客戶需求訂制，對(duì)于小型、相對(duì)偏遠(yuǎn)的社區(qū)，能裝置一座小型核反應(yīng)堆為幾千戶家庭或企業(yè)供電，也可以一次設(shè)置多個(gè)反應(yīng)堆，為大城市數(shù)百萬(wàn)人供電。
也因?yàn)橐?guī)模不大，也能用在石油探勘、軍事基地等特殊應(yīng)用，裝置在地底、船上或是海上，結(jié)合被動(dòng)安全系統(tǒng)，不用操作員主動(dòng)干預(yù)或電氣反饋?zhàn)尫磻?yīng)堆進(jìn)入安全關(guān)閉狀態(tài)，也不用大型混凝土結(jié)構(gòu)屏蔽核燃料棒。
二、高溫氣冷反應(yīng)堆(HTGR)
高溫氣冷反應(yīng)堆是種石墨慢化反應(yīng)堆，為最近逐漸成熟的核能技術(shù)。傳統(tǒng)核反應(yīng)堆多采用濃縮鈾或是鈽燃料棒，但高溫氣冷反應(yīng)堆的燃料是「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(nèi)里則是核燃料與充當(dāng)緩沖的石墨，最后反爐內(nèi)就有如球池，塞滿好幾千顆燃料球，不需要控制棒就能產(chǎn)生并維持高溫核反應(yīng)。
這些卵石燃料也不會(huì)在反應(yīng)堆中熔化，反應(yīng)堆可以在更高的溫度下運(yùn)行，卵石也會(huì)緩慢地在反應(yīng)堆中循環(huán)，用過(guò)卵石會(huì)從底部移出，再用新的卵石替換。
三、氣冷式快反應(yīng)堆(GFR)
氣冷式快反應(yīng)堆為快中子增殖反應(yīng)堆(Fast breeder reactor)的其中一種，這類反應(yīng)堆在運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)也可以合成出「核分裂材料」，讓核燃料的制造量大于消耗量，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(yīng)堆還要高。
氣冷式快反應(yīng)堆透過(guò)用快中子，將傳統(tǒng)反應(yīng)堆的慢中子取而代之，將釷或非裂變鈾同位素轉(zhuǎn)化為鈽或可裂變鈾同位素，進(jìn)而產(chǎn)生核燃料。新一代氣冷式快反應(yīng)堆的燃料核心為陶瓷一碳化鈾(uranium monocarbide)，能在高溫下運(yùn)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(yīng)堆(SFR)
鈉冷快中子反應(yīng)堆以液態(tài)金屬鈉當(dāng)作冷卻劑，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程雖然會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，甚至超過(guò)驅(qū)動(dòng)蒸氣發(fā)電機(jī)所需的熱量，但液態(tài)鈉具備優(yōu)秀的散熱能力，因此在小型反應(yīng)堆中仍能順利運(yùn)作，被動(dòng)式安全機(jī)制也能順利運(yùn)作。
通常美國(guó)的鈉冷快中子反應(yīng)堆燃料是包裹著鈾和鋯的鋼合金，俄羅斯、法國(guó)和日本則傾向使用氧化鈾燃料，另外鈉冷快中子反應(yīng)堆具有封閉的燃料循環(huán)，鈾和鈽會(huì)做為核分裂反應(yīng)的一部分，在反應(yīng)堆內(nèi)循環(huán)再利用，補(bǔ)充一次燃料就能使用數(shù)十年。
五、鉛冷式快反應(yīng)堆(LFR)
鉛冷式快反應(yīng)堆(LFR)是基于俄羅斯核潛艇開(kāi)發(fā)的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，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(dòng)安全系統(tǒng)，如果反應(yīng)堆開(kāi)始失控就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)核反應(yīng)。
六、液態(tài)氟化釷反應(yīng)堆(FHR)
液態(tài)氟化釷反應(yīng)堆(FHR)不是用氦氣來(lái)冷卻，而是由氟化鋰和氟化鈹鹽制成的熔融混合物，這些反應(yīng)堆的功率密度是卵石燃料技術(shù)的 10 倍，而與氦氣冷卻的反應(yīng)堆相比，氟化物鹽使反應(yīng)堆能夠在更低的溫度下運(yùn)行。
七、熔鹽燃料反應(yīng)堆(MSR)
熔鹽燃料反應(yīng)堆(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(guò)流經(jīng)石墨或類似慢化劑來(lái)控制反應(yīng)。熔鹽燃料反應(yīng)堆雖然可以在高溫下運(yùn)作，但會(huì)伴隨腐蝕問(wèn)題，因此目前多傾向低溫版本，不過(guò)透過(guò)結(jié)合冷卻劑和燃料，更容易清除核廢料和補(bǔ)充燃料。
將來(lái)的核能技術(shù)會(huì)何去何從?
目前許多國(guó)家與政府紛紛設(shè)立凈零碳排目標(biāo)，希望可以在 2050 年達(dá)到碳中和，對(duì)此，不少國(guó)家對(duì)核能寄予厚望，尤其是期許新一代核能技術(shù)可以為 2030 年后帶來(lái)新機(jī)遇，或許上述第四代反應(yīng)堆有機(jī)會(huì)上場(chǎng)。
畢竟由它們的設(shè)計(jì)目的是更便宜和更快地構(gòu)建，若有機(jī)會(huì)很可能會(huì)很快變得非常普遍，只是路途仍遙遠(yuǎn)，比如日本先前努力嘗試的「文殊反應(yīng)堆」，文殊反應(yīng)堆也是屬于「增殖反應(yīng)堆」，日本耗資 85 億美元，但由于出現(xiàn)故障事故、監(jiān)管違規(guī)等爭(zhēng)議，其實(shí)沒(méi)有獲得多少良好收益，再加上 2011 福島核災(zāi)后，日本民眾對(duì)于核電廠信任度下滑，最終該電廠在 2016 年退役。不過(guò)新核電設(shè)計(jì)基于利基應(yīng)用也會(huì)有新的機(jī)遇，目前已經(jīng)有計(jì)劃在月球上建造小型核能反應(yīng)堆等多樣化設(shè)計(jì)。
