壹、 前言

        中國大陸科技重大項目----華能石島灣高溫氣冷式核電廠示範工程(圖1)受到國際核能發電界高度關注。2014年10月28日，國際高温氣冷堆技術會議在山東榮成開幕(圖2)，來自全球16個國家和地區的400多名專家學者參觀了位於當地的石島灣高温氣冷式核電廠工程。國際高温氣冷堆技術會議是國際上有關高温氣冷堆技數領域最高水平的國際會議，自2002年以來，每兩年舉行一次。此次會議關注的華能石島灣高温氣冷堆核電站示範工程，是世界上首台模組式高温氣冷堆核電廠，2012年12月4日正式獲得中國核安全局頒發的建造許可證；2012年12月21日，示範工程核島底板第一層混凝土澆築完成，工程由中國華能集團公司、中國核工業建設集團公司、清華大學通過“產、學、研”合作，人才、技術、資本和市場相結合的創新機制聯合建設，實現了中國重大高科技創新成果的產業化。據了解，高溫氣冷堆是具備第四代核能技術特徵的先進堆型，具有安全性好、效率高、高溫工藝熱應用等技術優勢，通過多模組形成不同規模的電站，可滿足不同的電力市場需求，同時還可廣泛應用於稠油熱採、石油化工、煤的氣化和液化、核能製氫等領域，產業化前景廣闊。

圖1  石島灣高溫氣冷式核電廠示範工程示意圖

  圖2  世界最高水平高溫氣冷反應器國際研討會在中國山東舉行

        華能石島灣高温氣冷堆核電站示範工程將建成一台20萬千瓦級高温氣冷堆核電機組，目前工程進展順利(圖3)，由於是世界首座，在工程設計、現場施工、設備製造等方面都屬中國首次，參建各方攻堅克難，示範工程完成了中國首次核島底板大體積混凝土冬期施工、中國最大核能級鍛件---反應器壓力容器下筒體鍛件製造、主氦風機國產電磁軸承100小時燕證實驗、蒸汽發生器螺旋盤管試製和套裝等施工和技術難題。工程建設和設備製造等領域的重大突破將為高温氣冷堆技術的安全性驗證和未來商業化推廣打下堅實基礎。高温氣冷堆核電技術具有系統簡單、發電效率高、用途廣泛等特點，在國際上受到廣泛的重視，高温氣冷堆核電站示範工程依靠其固有安全特性和非能動安全措施，可以有效防範多重事故疊加。高温氣冷堆核電站示範工程也有利於中國爭取率先掌握新一代先進核能技術，實現跳躍式發展。世界各核能技術先進強國都在積極開發新一代先進核能發電技術，高温氣冷堆在中國率先實現產業化，對國家能源安全、可持續能源發展戰略提供技術支持，將使中國居於世界領先地位。

圖3  施工中的華能石島灣高温氣冷堆核電站

第四代反應器是未來的核能發電主力，無論是反應器的設計或是鈾燃料的循環都有重大的變革，由美國能源部倡議在2001年成立了第四代反應器國際論壇提出了六種第四代反應器的發展計劃，有兩種是高溫氣冷式反應器，以氦氣冷卻，兩種反應爐以液態金屬冷卻，另兩種分別是水及融鹽反應器。六種反應器中，四種使用快中子，五種為封閉式燃料循環，可將廢料再處理。被國際原子能機構認可的下一代核電技術與目前的核電技術相比概念完全不同，新一代核電技術的研發會增強核能工業的復甦，其發展目標包括降低發電成本、縮短建造工期、確保無爐心安全事故、無需緊急應變計畫、放射性廢棄物產量減少及防範核擴散。超高温氣冷式反應器是第四代反應器其中一種，以石墨作中子緩和器並由氦氣冷卻，其鈾燃料只使用一次如圖1所示，反應器出口温度約1000℃，因此可用於生產氫氣、石化工業熱處理或其它供熱領域，VHTR系統效率高，可為高温能量密集系統提供熱處理也可與發電設備相結合，滿足熱電共生的需要，該系統還可採用鈾/鈽燃料循環減少放射性廢棄物，因此VHTR 提供了一個廣泛熱處理應用空間和高效率發電的選擇方案，同時保留了模組化高温氣冷式反應器的所有安全性能。世界上發展中的超高温氣冷式反應器包括(1)南非的PBMR(2)日本的GT-HTR300(3)中國的HTR-PM(4)南韓的MHDD(5)俄國及美國的GT-MHR(6)美國的NGNP。

貳、核能製氫對未來潔淨能源的意義

 一、氫循環的特性

       目前人類文明所消耗的能源主要是以碳循環的方式進行如圖4所示，綠色植物藉光合作用將太陽能轉換成含有機碳的葡萄糖供其他動植物賴以維生，而同時空氣中的二氧化碳也轉換成碳氫化合物將太陽能轉換成化學能，動植物經由呼吸作用又產生二氧化碳回到大氣中，此謂之碳循環，在遠古時期二氧化碳的消耗量與產生量應可維持平衡，但工業革命後，人類大量使用煤、石油而產生過多的二氧化碳，因而造成溫室效應的問題。隨著化石燃料的日漸枯竭，氫能的使用應運而生，氫能不只是替代石油能源的明日之星，其燃燒及產生過程均與二氧化碳無關自成一循環稱之為氫循環如圖5所示。能源可以分為一次能源及二次能源兩類，一次能源是指以自然形態存在的能源，包括風能、水能、太陽能、地熱能和核能等。二次能源是指由一次能源經過加工轉換以後得到的能源，包括電能、汽油、柴油、氫能等，使用氫能燃料電池的交通工具被認為是最有希望取代以汽油為能源的內燃機交通運輸工具，可說是新的產業革命如圖6所示。

圖4   碳循環

圖5  氫循環

圖6 新產業革命

二、高温氣冷式反應器之延革 

 (一)早期氣冷式反應器 　　

英國在1956年建成功率50MW的Calder Hall氣冷式核電廠，代表氣冷式反應器進入商業化。這種氣冷式反應器採用石墨為緩和劑，CO₂氣体為冷卻劑，金屬天然鈾為燃料，Magnox合金為燃料棒的外殼材料，故此種反應器又稱為Magnox反應器。到70年代初期，英、法、意、日和西班牙相繼建造了36座Magnox反應器，總裝機容量達到8200MW。此種反應器運轉狀況良好，可利用率高，對核能早期商轉幫助很大。

(二) 進步型氣冷式反應器（AGR） 　　

為提高反應器的熱功性能，英國發展了進步型氣冷式反應器，反應器採用石墨作緩和劑，CO₂氣体作冷卻劑，但用不銹鋼代替Magnox合金作為燃料的外殼材料，改進後CO₂的出口温度從400℃提高到670℃。1963年在英國Windscale建造了功率32 MW的原型反應器，運轉的AGR共有14座，總發電功率8890 MW。

(三)高温氣冷式反應器（HTGR） 　　

採用化學惰性和熱功性能良好的氦氣為冷卻劑，以全陶瓷包覆顆粒為燃料元件，用耐高温的石墨為緩和劑及爐心結構，反應器出口氦氣温度達到950℃甚至更高，不僅可用來發電，而且在高温工業熱化學方面也有廣泛的應用前景。

(四)模組式高温氣冷式反應器^﹝9﹞(MHTGR） 　　

模組式高温氣冷式反應器以小型化和有本質安全性為特徵，在技術上保證任何情况下均能安全停機，即使在冷卻劑流失下，爐心餘熱也可依靠自然對流、熱傳導和輻射傳出反應器外，使反應器溫度確保燃料元件的最高温度限制在許可值1600℃以下；而在經濟上，以模組組合、標準化生產、建造時間短、投資風險小等優勢與其他反應器競爭。模組式高温氣冷式反應器或許是目前世界上最安全的一種，有人稱它為傻瓜反應器，意指這種反應器在技術上能够保證在任何情况下都不會發生爐心熔毁、放射性物質外洩及必須採取緊急應變措施的嚴重事故。模組式高温氣冷式反應器之所以能具有本質安全性，是採用了以下特殊設計:

1.採用全陶瓷包覆顆粒燃料元件

 　　模組式高温氣冷式反應器的燃料元件有兩種^﹝10﹞，一種是與壓水式反應器相似的棱柱形(圖9)，另一種是球形(圖10)，使用這兩種元件的高温氣冷式反應器分别稱為稜柱形高温氣冷式反應器和球床式氣冷式反應器。兩種元件雖然形狀不同，但都由瀰散在石墨基体中的包覆顆粒燃料組成。包覆顆粒燃料直徑約0.8～0.9 mm，中心為直径約0.2～0.5 mm的核燃料UO₂核蕊，核蕊外面有2～4層厚度、密度各不相同的熱解碳和碳化矽包覆層，實驗證明在2100℃的高温下，包覆顆粒燃料仍能保持其完整性，這一温度大大超過高温氣冷式反應器在事故情况下的最高温度，換言之，就是此燃料元件在事故發生時不會發生放射性物質外釋影響環境安全的情况。

2.採用全陶瓷爐心結構材料 　

高温氣冷式反應器用石墨作緩和劑，爐心結構由石墨和碳塊組成，不含金屬。石墨和碳的熔點都在3000℃以上，因此，即使發生事故也絕不會發生爐心熔毁的嚴重事故。

3.採用氦氣作冷卻劑

　　氦氣是惰性氣體，不與任何物質起化學反應，與爐心材料相容性好，避免了以水作冷卻劑與緩和劑的腐蝕問題，其出口温度可達950℃甚至更高，顯著提升了效率，並對熱能應用開闢了廣闊的領域。氦氣的中子吸收截面小，很難活化，在正常運轉時輻射很低，工作人員的輻射劑量也低。

4.防止放射性物質外釋的多重屏障

　　模組式高温氣冷式反應器採取了縱深防禦的安全原則，設置了阻止放射性外釋的四道屏障。全陶瓷的包覆顆粒燃料的熱解碳和碳化矽包覆層是第一道屏障；球形燃料元件外層的石墨殼是第二道屏障；由反應器壓力殼、蒸汽產生器壓力殼和連接這兩個壓力殼的熱氣導管壓力殼組成的壓力邊界，是阻止放射性物質外釋的第三道屏障；一次側外由混凝土牆構成的圍阻體是阻止放射性外釋的第四道屏障。

5.自發式的餘熱排出系統

 　 模組式高温氣冷式反應器根據自發式的安全原則設計，在事故停機後，爐心的冷卻不需要餘熱移除系統，燃料元件的餘熱可藉傳導、輻射等自然散熱機制傳出。模組式高温氣冷式反應器直徑較小，平均功率密度也較低，這種自發式餘熱移除系統的設計可保證在冷卻劑完全流失、主傳熱系統功能完全喪失下，保證爐心燃料元件的最高温度不超過1600℃的設計限值，遠低於其包覆顆粒燃料的破損温度2200℃。另外模組式高温氣冷式反應器具有負反應度温度係數，在正常運轉下燃料元件的最高温度距最高容許温度尚有約700℃的餘裕，借助負反應度温度係數可以提供5.6%的反應度補償能力，大於各類正反應度事故引入的最大反應度，因而具有反度度瞬變的固有安全性。冷卻劑的出口温度可高達950℃，由於冷卻劑出口温度高，發電效率大為提高。高温氣冷式反應器考慮兩種熱循環方式：(1)蒸汽循環方式，由氦氣攜出的熱經蒸汽產生器加熱產生530℃的高温蒸汽，推動汽輪機發電，發電效率可達40％左右。(b)氦氣循環方式，由氦氣直接推動汽輪機發電，效率可達50％，同時還可減少環境熱污染。

　　高温氣冷式反應器可以提供900～950℃的高温工業熱源和540℃以下各種參數的工業用蒸汽，具有廣泛應用領域，其安全性是核能界公認的，其經濟性則展現越來越強的競爭力。高温氣冷式反應器的經濟性好除了前面提到的發電效率高、供熱用途廣外，還有系統簡單及可連續裝卸燃料等原因，球床式高温氣冷式反應器好像一個煤球爐子，球形燃料元件好比煤球，元件一個個從爐心頂部加入，自底部卸出。每個卸出的元件都要經過檢測，達到一定燃耗即送入用過燃料罐儲存，未達一定燃耗的元件還要重新放入爐內使用。這種連續裝卸燃料的方式，既可使每個燃料元件都得到充分利用，同時可不停機更換燃料，如此可提高可用率。高温氣冷式反應器可通過標準化生產設備，增加工廠預製量降低現場安裝工作量，縮短建造時間。高温氣冷式反應器可有效利用釷資源，一般情况下，可產生分裂反應的核燃料只有三种元素即²³⁵U、²³⁹Pu和²³³U，²³⁹Pu 和²³³U都是人造元素，因此，自然界中存在的唯一可分裂元素就是²³⁵U。但²³⁵U的含量極少只佔天然鈾的0.7％。釷-232吸收中子後可變為²³³U，高温氣冷式反應器由於本身的結構特點，能够放入較多的釷，具有較高的轉化效率，生產較多的²³³U。90年代後期，美國麻省理工學院從安全性、經濟性、建造工期、效率、壽命、除役費用、廢料處理、投資回收、防止核擴散、政府與公眾的支持等29個方面作綜合評估，結果球床式高温氣冷式反應器獲得第一名，被認為是21世紀美國乃至全世界核電廠最有發展前途的機型。 

(五)石墨球床式反應器

     依據盧銀娟,楊宇,石俠民所寫之“球床模塊式高温氣冷堆的研究及發展現狀”一文及顧忠茂之“氫能利用與核能製氫研究開發綜述”一文可知石墨球床式反應器的優點如下：

1.發電量為165MWe之機組總投資金額約80億台幣，可用壽命60年，建廠成本低廉(西屋預估~1500美元/kWe)。

2.建廠速度快，西屋公司評估僅需2年。

3.無需停機進行燃料更換，容量因數可達95%，人員集體劑量可大幅抑低。(目前規劃每6年停機一次以維護汽機及發電機)

4.無需作反應度控制，利用石墨球物理特性，以溫度進行自我反應度控制。

5.無需緊急冷卻(ECCS)系統、海水冷卻系統及緊急柴油發電系統。

6.採用布雷頓(Brayton)熱功循環，熱效率可達41%。

7.無需興建額外之燃料中期乾式貯存場。 

三、中國大陸高溫氣冷式反應器的發展

    1992年3月，中國大陸批准在清華大學建造10MW高温氣冷式反應器(HTR-10)，1992年3月至1994年12月，相繼完成廠址選擇報告、環境影響報告、可行性研究報告、初步安全分析報告、消防專篇、職業衛生專篇、設計準則和初步設計，至1995年1月完成了工程建設的全部前期工作。1995年6月14日，HTR-10正式動工澆灌第一罐混凝土。1997年底，核島主廠房封頂，1998年底，反應器壓力槽、蒸汽產生器及其圍阻體就位。1999年底，完成反應器爐心安裝及常規島施工。2000年底完成全部系统的安裝調試，實現首次臨界。在建造反應器的同時，建立了燃料裝卸、控制棒傳動、吸收球停堆、熱汽導管、蒸汽產生器兩相流五個實驗平台，並在這些平台上完成了一系列工程實驗研究且掌握了球形燃料元件的生產技術，試生產符合設計要求的燃料元件。HTR-10具有一些重大的技術創新，例如脈衝氣流燃料元件裝卸系統、全數位化控制與保護系统及球形燃料元件的研製等分别是具有世界領先水平和先進水平的成果。HTR-10採用球床式設計，因此關鍵技術之一就是燃料“球”的生產。這些微小的核燃料“球”瀰散在石墨中組成燃料元件。這種元件是保證高溫反應器具有優異安全性的最核心技術。製作“球”（全稱為“包覆顆粒”）要先把核燃料製成直徑0.5公釐的核蕊，再在其外面包上四層包覆層，每層只有幾十微米厚，而且要嚴格控制每層的厚度、密度和各向同心性，最後製成的球形顆粒直徑只有0.9公釐。八千個這樣的小顆粒均勻散佈在直徑5公分的石墨基體裏，再在其外部圍上一層厚5公釐的石墨球殼，才能製成直徑6公分的球形燃料元件。製造工序達36道，半成品、成品檢驗的性能指標34項，包覆顆粒製造不合格率要求小於萬分之一，球製作後如何在反應器不停機及無放射性條件下維護反應器，成為一個重要問題。HTR-10採取了一種新的球形燃料元件輸送形式，利用脈衝氣流讓燃料元件從卸料管中一個一個地排出。就好像用風給一個個“球”向下的外力，使其逐個滾落，不用停止反應器就可以進行維修作業。而為了讓小“球”順利下落，燃料元件裝卸系統研製了十多年，先後建立了頗具規模的冷實驗和熱實驗兩個台架，冷實驗做了十幾萬次，熱實驗又執行了幾萬個球。

          中國大陸的10MWt的HTR-10實驗爐(圖7)是一種高温球床式反應器(PBMR)於2000年啟動，2003年達到滿載功率，爐心中有27000個球狀燃料元件，濃縮度達17%，用於廣泛的研究目的，球床反應器含有成千上萬個網球大小的鈾球，鈾球的外殼有由金剛砂碳化物、陶料和石墨製成的數層保護，二氧化鈾作為燃料被包裹在裏面。這種鈾球就是所謂的“卵石”其散熱效果非常好，鈾燃料根本不可能達到穿透保護層的温度，所以球床反應器無需護套，球床式技術的先進在於其安全性。球燃料體内鈾的温度無法達到熔點或發生爆炸，而冷卻劑使用惰性氣體氦，而不是水(水含有氫及氧，在特定環境下是易燃且易爆的的)。而傳統的輕水式反應器的缺點是數以千計的金屬棒發熱需要良好的冷卻系統防止過熱，同時還需要一個堅固的水泥圍阻體，以防範因過熱而生意外。球床反應器的另一個優點是體積小，建造容易。許多國家對球床式反應器技術很感興趣，因為球床反應器可用來製造氫氣。中國研製的高温氣冷式反應器温度高達700-950oC，採用先進的的氦氣冷卻可直接推動汽機或經蒸汽產生器轉成蒸汽推動，發電效率達45%以上。

圖7   高溫氣冷反應器之安全特質

肆、結論 

     能源的供應關係到國家整體經濟的發展，若不能未雨籌繆，則日後台灣將無便宜的能源可用，經濟發展及民生物資將付出惨痛的代價。由於石油價格的飆漲嚴重影響民生物價及國家的經濟發展，對於無自產能源的我國，必須儘快擺脫對石油的依賴，我國目前科技能力較日本及韓國差，而在迎接氫能源時代的到來準備工作上，我們已較日本、韓國甚至中國大陸落後許多，由於我國沒有核能工業，因此在使用核能大量製造氫氣方面應及早規畫研究採購高溫氣冷式反應器，90年代後期，美國麻省理工學院從安全性、經濟性、建造工期、效率、壽命、除役費用、廢料處理、投資回收、防止核擴散、政府與公眾的支持等29個方面作綜合評估，結果球床氏高温氣冷式反應器獲得第一名，被認為是21世紀美國乃至全世界核電廠最有發展前途的機型，因此其安全性無庸置疑。由於國際能源價格的飆漲，台電公司已呈現嚴重虧損情形，可考慮以核能製造氫氣配合設置全台的加氫站，則可創造新的利基。另外亞洲的鄰國亦大力發展核能擺脫對石油進口的依賴，配合核能科技的更新及更安全的反應器，以第四代反應器及快滋生反應器邁向核融合的發展以徹底解決人類的能源問題，此時政府亦應考慮檢討非核家園的適宜性以免脫離世界主流造成經濟問題。

環顧亞洲的鄰國如韓國及中國大陸為了擺脫對石油的依賴，均大力積極發展核能及氫能，而核能製氫更是既定的能源轉換目標。台灣沒有核能工業又有非核家園的束縛處於很不利的地位，為了台灣的經濟發展及電價穩定，應進行核能製氫關鍵技術的收集外，經濟部應體察世界發展核能及氫能的主流，向民眾宣導核能及氫能的必要性，建議行政院亦應修改非核家園的政策，而氫能的發展應訂定國家政策，配合氫燃料電池的發展發展氫能相關產業，徹底擺脫對石油的依賴。