【李敏觀點】新世代核能電廠

圖片來源:Flickr


先看看全球核能發電的現況:2019年全世界有447部機組在33個國家運轉,總表置容量為39,744.5萬瓩,2020年總發電量為25,835.5億度。全世界有51部機組興建中,總裝置容量為5,376萬瓩。運轉中機組有103部已運轉超過40年,美國已有兩座核電廠4部機組拿到80年的運轉執照。目前興建中的核能機組:中國14部、印度6部、韓國4部、俄羅斯與土耳其各3部,美、英、日、阿拉伯聯合大公國、烏克蘭、孟加拉各2部。

是否該使用核能或者增加核電的比例,確實是一個見仁見智的議題。依各國的天然環境、自然資源、地緣政治,與政治現實會有不同的結論,各國的核能政策會有很大的差異是可以預期的。核能的使用是一個高度政治化的議題,興建核能電廠需要長時間尋求共識,規劃期冗長,即使有完善的規劃,並不見得能夠順利地興建;即使開工,還有可能因為政府的更迭而停工。目前的核電廠都是大型機組,功率介於100~140萬瓩,投資額度極高,施工期長,有可能無法在規劃投資額度與期程下順利商轉,投資者承擔非常大資本的風險。百萬瓩級的機組,機組龐大而複雜,有很多工作要在場址完成。施工經驗不足、在地包商與反應器供應間對合約的爭執、施工過程品質保證與品質管理的執行缺失、法規管制單位對法規的解釋,都有可能影響工程進度,進度的延遲會增加大的利息負擔,造成電廠投資額度的失控。

過去十餘年有不少成功的核電廠興建案例,但是也有數個讓人膽戰心驚的個案。以法國設計的歐洲壓水式反應器為例,建在中國台山的機組於200910月開始施工,於201812月商轉,單機投資額度為40億歐元(52.5億美元);但是於200712月開始在法國建的同型機組,截至目前為止尚未商轉,投資額度由33億歐元膨脹至124億歐元;芬蘭的同型機組於20058月開始施工,同樣的也未商轉,投資額度由37億膨脹到80億歐元。美國西屋公司最新型壓水式反應器的頭兩個計畫是中國三門與海陽,分別於200910月與9月施工,也分別於201812月與10月商轉。同型電廠(雙機組)在美國喬治亞州於2013年動工,原先以為有中國建廠的經驗,電廠在20162017年即可商轉,但目前已延遲至2022年與2023年,投資額度由2012年預估的140億美元膨脹為260億美元。韓國在興建核能電廠的工時掌控上也非常成功,在自己國家建的耗時10年;在阿拉伯聯合大公國的電廠,第一部機耗時99個月。如上所述,足夠的建廠經歷是核能電廠興建是否順利最重要的因素,很多國家不願意冒風險投資核能電廠。

面對這個問題,核能界發展小型模組化反應器已有很長的一段時間,有些設計已經開始興建。開宗明義,小型模組化反應器功率低 (2~30萬瓩)、體積小、重量輕,可以在工廠製造組裝,運到核電廠場址與發電設備進行組合即可發電,能夠避免施工經驗不足、品質保證與品質控制執行缺失、法規遵守爭議等造成工期的延誤。電廠興建多個小型模組化反應器機組,同樣可以大量供電。小型模組化反應器的單位成本可能較傳統大型核電廠為高,但總投資額較少,由於工期可以掌控,機組可以在預定的時間供電,投資的風險也大幅降低。

小型模組化反應器必須滿足所謂的自守安全,也就是不靠複雜的工程系統,僅靠自然定律就可以防止爐心熔毀事故的發生。換言之,小型模組化反應器更安全。同時機組要具負載追隨的能力,可以隨著電網再生能源的供電情況,調整發電量。換句話說,它可以靈活的與再生能源分工。小型模組化反應器通常也可以長期的不換燃料,大幅減少用過核燃料(核廢料)的產量。有些設計可以在燃料無法臨界時,將反應器拆下運走。核能界也在發展功率低於2萬瓩的微型反應器,可以放在貨櫃車裡移動,那裡需要緊急供電,貨櫃車開到那裡,美國軍方目前在設計此類型反應器。這類型反應器也可用於太空。

小型模組化反應器的設計有上百種,可以說的上是百花齊放。首先誘發核分裂的中子能量可以是快中子或熱中子,快中子反應器可以更有效的使用核燃料。燃料可以選鈾或釷;燃料的型態可以是棒狀、球型、或液態熔鹽;冷卻劑可以選熔鹽、氦、水、液態鈉、或液態鉛;若是熱中子反應器,中子減速材料可以是石墨、重水、普通水;發電方式可以採用氣渦輪機或蒸汽渦輪機。有些設計著重於將核能做更廣泛的使用,例如核能產氫、供熱,海水淡化等。

世界各核能大國幾乎都有自己的設計,有些已經建造完成。英國的UKSMR是小型的傳統壓水式反應器,由著名的汽車製造商勞斯萊斯設計,英國已發布新聞要開始興建,該公司是英國核子潛艇反應器的製造商;美國能源部撥專款補助與建小型模組化反應器,其中包括NuScale,也類似壓水式反應器,目前已與羅馬尼亞與加拿大談合作開發;中國的玲瓏一號,今年714日在海南昌江核電廠正式施工,有人說認為這是在為核子動力航空母艦鋪路;中國還有其他的設計,包括使用釷的熔鹽反應器,產氫的高溫氣冷反應器等,社群媒體上也看到過中國網民對設計的吹噓。比爾蓋茲創立的公司設計的Natrium,是使用納為冷卻劑的快中子反應器,利用熔鹽來儲熱達到負載追隨的功能。

核能發電燃料體積小、重量輕,運輸貯存方便;即使不添加燃料,亦可長期運轉;核能發電燃料鈾的採購成本占總發電成本比例低,發電成本穩定,核電廠一旦興建完成,其發電成本較不易受到國際能源價格波動的影響,核能發電不靠燃燒產生能量,故發電時不會造成空汙與排放二氧化碳,核能發電對環境的衝擊從總量來看確實是最小的,但由於部分民眾以及環團,出於對於輻射的莫名恐懼,並不認同核能發電是綠能或潔淨能源,但科學證明核能發電是唯一能調控的無碳能源,無庸置疑。這次能源風暴,化石燃料的短缺與價格飆升的震撼,勢必對各國的能源政策有重大的衝擊。蓄勢待發的小型模組化反應器,將躍上開往2050碳中和的列車。