06/01/2023
新核能爭霸戰爆發!美、英、加、日大舉重啟核電,競相開發小型反應爐,逐鹿第四代核電寶座!
俄羅斯因受歐美制裁而削減供應天然氣,令全球天然氣出現供需失衡,於是本來依賴天然氣的國家重新考慮擁抱核電。新一代核融合技術雖然零污染、零排放,但仍未能走出實驗室。至於既有核分裂技術,現已發展出「第四代核反應爐」,具備低成本、高安全性等優點;如搭配風能、太陽能一起使用,更可組成高度穩定的零碳排電網。因此,第四代核電被視為應對氣候變化與能源危機的新解方,使第四代反應爐開發演變成全球能源技術競賽的新戰場。
核電成太陽能和風能最佳拍檔
氣候危機迫在眉睫,碳中和已成全球共識。太陽能和風能肩負實現零碳排的重任,惟卻受制於天氣和日照風吹的時間,有間歇性供電的問題,所以必需搭配另一個可靠的能源來源,能夠快速填補綠能波動所造成的供電空缺,以維持穩定的電力供應。
東歐國家斯洛文尼亞的核能學會會長托馬斯.扎加爾(Tomaz Zagar)指出,俄烏戰爭前,該國潔淨能源布局有兩種規劃,一是可再生能源搭配天然氣發電,二是可再生能源搭配核能發電。但戰爭爆發後,全球天然氣供應短缺,使核電搭配方案變得比天然氣更加可靠。國際能源署(IEA)更認為,未來20年內核電規模要擴大接近1倍,才能達到全球淨零排放的目標。
2022年7月,歐洲議會通過將核能列為永續性的綠色能源,惟前提是新建的核電廠必需使用最新技術;至於藉著技術改善而延長壽命的既有核電廠,則容許運作到2040年至2045年之間。
各國積極部署第四代核反應爐
2022年8月,美國加州議會通過,將原定於2025年退役、州內僅存的一座核電廠「魔鬼谷核電廠」(Diablo Canyon Nuclear Power Plant),延長運作5年。同年9月,德國也決定,把國內最後3座核電廠的其中2座的運作死線,從原本2022年底延後至2023年4月前都維持待命,以免冬季供電不足。
大宗商品交易商WMC Energy的主管詹德(Per Jander)表示,加州與德國是世上對核能最負面的地方,現在兩地的核能政策均轉向了,對全球市場帶來很大衝擊。此後,各國開始更積極部署核能設施,因應歐洲議會對核能綠電的要求,大多投入開發最新核電技術——第四代核反應爐。
現時全球有440座核能反應堆,大多數屬於第三代核電技術。第一代核反應爐意指1940年代末期至1960年代初期的原型反應堆,當時還未能投入商業營運;第二代是指 1960 年代中期至1990年代中期的首批商用輕水反應堆(Light Water Reactor),利用水作為反應堆的冷卻劑;第三代仍是輕水反應爐,惟使用更可靠的核燃料與反應堆堆芯,以及被動冷卻系統。
SMR小型反應堆成本平完工快
一直以來,核電設施以集中式電廠為主,每座反應爐裝置容量動輒 900兆瓦(MW)以上,造價高達150億美元(約1,170億港元),需時至少20年始能完工運作,以致核電廠成本動輒超支。第四代反應爐的設計構想,正是要解決上述問題。
在第四代核電技術中,目前以基於核動力潛艇的小型模組化反應堆(Small Modular Reactor,SMR)最被看好。有別於集中式核電廠,每座反應堆的發電量至少900兆瓦(Megawatt,MW)以上,SMR則僅為幾十至幾百兆瓦。
傳統大型核電廠(左)的發電量動輒在700兆瓦以上,小型模組化反應爐(中)通常為300兆瓦左右,微型反應爐(右)則頂多有數十兆瓦。(圖片來源:國際原子能總署官網)
SMR的最大優勢在於模組化,反應堆機組能夠分拆成多個組件,可以在工廠大量規模生產,大幅製造成本;然後把組件從工廠運送到工地,直接在現場組裝成小型反應堆,不易發生大型核電廠施工延誤的狀況。
英國重工業集團勞斯萊斯(Rolls-Royce)旗下SMR公司評估,小型模組化反應爐的建造成本約為22億至28億英鎊(約208億至265億港元),傳統核電廠成本則為60至90億美元(約468億至702億港元);SMR建造時間只需5年半左右,比傳統核電廠快2年。
勞斯萊斯每座SMR約可供電470MW,佔地約有10英畝,較傳統核電廠小很多。(圖片來源:勞斯萊斯官網)
SMR體積小可設於地底或海上
它的另一優勢是體積較小。例如日本三菱重工的SMR,機組高度為3公尺,寬度為4公尺,重量在40噸以下。如此小巧的反應堆,佔地面積較小,既可設置於不適合大型核電廠的地方,又可在偏遠地區充當整體電網的輔助角色,供電給農村或工業區。
由於SMR機組較小,所以可適用於石油探勘、太空探索、軍事佈防等特殊用途,還可以設置於地底或是海上。例如俄羅斯建造的羅蒙諾索夫院士浮動核能發電廠(Akademik Lomonosov),便是全球首座海上浮動核電廠,已於2020年5月投入商業營運,設有2座35兆瓦的小型模組化反應爐。
羅蒙諾索夫院士浮動核能發電廠是一艘無自身動力的巨型海上載具,船身長度為144米、寬度為30米,重量達21,500噸。(圖片來源:維基百科)
一般而言,SMR的發電量大概為300MW,僅及傳統核電廠的三分之一,加上其被動冷卻系統純粹靠物理現象運作(如自然循環、自然加壓等),一旦發生緊急事故,可以在無需人員操作或電源要求下自行關閉系統,降低輻射外洩的機會。
聯合國國際原子能總署(IAEA)更指出,小型模組化反應爐對核燃料的需求更少。傳統核電廠每一、兩年便要更換燃料棒,SMR則每3至7年始需要一次,有些小型反應爐的設計甚至可以運轉30年都不用補充燃料。
美國SMR初創公司群雄並起
目前全球各地正在開發中的商用小型模組化反應堆已逾70款,美國、英國、日本、加拿大都有科技企業投入SMR項目。以美國初創公司NuScale Power為例,2022年8月獲美國核能管理委員會(NRC)通過SMR設計認證申請,有望成為首家在美國建造小型模組化核反應爐的廠商,預計其首座核電廠將於2029年開始供電。
NuScale Power預計於2029年在美國愛達荷州西北部營運首座SMR核電廠,每座反應爐的發電量不到 100兆瓦,將按照當地需求合併多座反應爐進行供電。(圖片來源:NuScale Power官網)
NuScale Power的SMR方案名為「VOYGR」,屬於輕水反應堆,每座反應爐高度為20公尺,直徑則為2.7公尺,發電量約77MW。根據該公司估算,在美國國內興建SMR核電廠的成本為每千瓦少於3,000美元(約2.34萬港元),比起大型反應爐的每千瓦5,000美元(約3.9萬港元),幾乎平了一半。
由微軟創辦人比爾.蓋茨(Bill Gates)投資的美國初創泰拉能源(TerraPower),研發中的SMR方案喚作「Natrium」,採用鈉冷快中子反應爐技術,用鈾鋯合金作為燃料,以液態金屬鈉充當冷卻劑。鈉的沸點比水高得多,能夠吸收更多熱能,減輕施加於反應爐上的壓力。
鈉反應爐不需額外電源來驅動降溫系統,故此不會像福島核電廠般因外部電力被切斷,致使反應爐無法降溫而爆炸。泰拉能源擬斥資40億美元(約312億港元),在美國懷俄明州凱默勒市築建世上首座鈉反應堆核電廠,預計於2030年竣工。
另外,韓國SK集團於2022年8月宣布,向泰拉能源投資2.5億美元(約19.5億港元),與蓋茨並列該公司的最大投資者,藉此在韓國本土和東南亞國家推進商用SMR項目。
泰拉能源將會為其SMR小型反應爐加入熔鹽儲能系統,將電容量從345MW提高至500MW。(圖片來源:TerraPower官網)
英加日競相開發小型核反應爐
英國將核能定位為「綠色工業革命」的重要支柱,積極推動國內SMR產業發展。英國政府不但要求核監管機構於2022年3月啟動核電審批程序,更在11月向勞斯萊斯提供5.46億美元(約42.59億港元)融資,以建造英國首座小型模組核反應堆,預計發電量為470MW,希望在2030年代落成並併入電網。
勞斯萊斯下一步計劃是在英國興建和經營10至15座SMR,預估到2050年有望帶來520億英鎊(約4,890億港元)的經濟效益,出口總額可達2,500億英鎊(約2.35兆港元),以及創造40,000個工作機會。
加拿大安大略省電力公司(OPG)於2021年12月宣布,跟日本日立與美國通用電氣的合資公司GE Hitachi Nuclear Energy建立合作夥伴關係。OPG會採用該公司開發的小型模組核反應爐「BWRX-300」,發電量可達到300MW,預計2028年落成第一座反應爐。
日立與通用電氣的合資公司GE Hitachi Nuclear Energy現正開發SMR輕水反應爐「BWRX-300」。(圖片來源:GE Hitachi Nuclear Energy官網)
日本三菱重工埋首開發小型輕水反應爐,基本設計已完成80%,每座反應爐的發電量為300MW。該公司擬將SMR核電廠部分設施修建在地底下,以降低地震或其他天災帶來的損害,目標是2030年代中期完工並開始供電。由此看來,各地科企都在努力讓小型模組化反應爐能在2030年左右投入營運。
SMR反應爐仍有核廢料問題
然而,SMR始終是核反應堆,依然有核廢料問題。美國阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory,ANL)的研究顯示,反應堆產生核廢料的數量,與燃耗效率有關。所謂「燃耗效率」,意指用一定數量燃料能產生多少熱能的比值。
ANL研究人員指出,泰拉能源Natrium反應爐的燃耗效率較輕水反應爐為高,產出的核廢料亦較少。NuScale 的VOYGR反應爐在技術上與現存輕水反應爐沒甚麼不同,故此燃耗效率和核廢料數量跟後者相若。
勞斯萊斯SMR公司估計,假設一座小型反應爐運轉60年,產生的核廢料足以鋪滿整個網球場,厚度更達1公尺。該公司表示,核廢料初期會暫存在核電廠,之後會轉移至英國政府指定的長期存放位置。
易被好戰份子盜用發展核武器
另一個更嚴重的問題,因為SMR體積小巧,所以更容易被恐怖組織或好戰份子盜用,偷運到政治動盪地區,製成核武器。哥倫比亞大學國際公共事務學院教授拉馬納(M. V. Ramana)估計,每座勞斯萊斯小型反應爐的核燃料足以製造10枚核彈。
但無可否認的是,在極端天氣與地緣政治的影響下,如今已沒有一種能源是絕對安全的。例如歐洲在2022年遭受極端熱浪與乾旱侵襲,導致水力發電量大幅降低。更不用說,天然氣因俄烏戰爭而減少供應,讓歐洲一度陷入能源危機。
由是之故,愈來愈多國家視SMR為永續能源的新選擇。美國能源部預估,未來全球對第四代核電技術的需求,包括人力、設備、以及相關產業鏈等,將會形成1兆美元(約7.8兆港元)的龐大市場規模。
美國能源部委託阿貢國家實驗室,針對SMR核廢料進行研究。(圖片來源:阿貢國家實驗室官網)
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