高溫氣冷式反應堆的核電願景

一、人類必須使用核能                                                                                                                                                                                                   

    為了延續人類文明，我們不能放棄任何能源，所謂再生能源仍是源自太陽，若太陽熄滅即無此能源，由於化石燃料在地球上蘊藏量有限，若不使用核能則石油、天然氣及煤碳很快用完，我們的子孫將恢復石器時代的生活，核能的應用是符合歷史的演進潮流和脈動，而核能最可貴的是其科技仍在發展中，具有樂觀解決人類能源問題的願景。目前我們使用的核能是利用鈾的核分裂反應，人類正在研發與太陽發出能量相同原理的核融合反應，若能成功則可有取之不盡，用之不竭的能源。目前核能電廠大部分是以熱中子引發鈾-235核分裂而產生能量，由於地球上的鈾礦資源有限，核能工業先進國家則進一步研究發展出可以較經濟利用鈾燃料的快中子滋生式反應器，可將熱中子反應器無法利用的鈾-238，利用快中子撞擊轉化為鈽-239，繼續作為核燃料。「滋生」是指轉化出來的燃料鈽-239，比消耗掉的鈾-235還要多。核融合反應器是利用較輕的原子核，在極高溫度之下產生核融合反應而放出大量的能量。核融合反應器可利用取之不盡之海水提煉出燃料氘及氚，且無放射性廢料產生，是最理想的能源。故世界核能工業發展的主流為第一步發展核分裂反應器，第二步發展快滋生反應器，第三步發展核融合反應器。而所謂第四代的反應器即是由傳統核分裂反應器轉至快滋生反應器過渡期間發展的反應器。透過國際合作研發的第四代核能發電，將更耐久、更安全、更經濟。

二、第四代反應堆的發展

   1999年6月美國能源部首次提出第四代核能發電的概念，把上世紀5~60年代建設的核能電廠稱為第1代核電，7~80年代建設的商用核能電廠稱為第2代核電，90年代開發的先進反應器稱為第3代核電，而對第4代核電的要求則為有更高的經濟性、加強安全性、減少廢棄物產量並提高防止核擴散能力，第四代核能發電國際論壇成員包括美國、加拿大、法國、英國、日本、南韓、巴西、阿根廷、南非、瑞士，加上後來加入的俄羅斯及中國共十二國，各國專家從一百多種核能發電技術觀念中，挑選出六種有效、經濟、安全的核電發展系統，準備集合各國專家的研發力量，透過資訊技術合作交流，共同發展新一代的核能發電系統。2002年9月20日在日本東京召開的第四代反應器國際研討會上公布了6種第四代反應器的設計:

(1)氣冷式快滋生反應器(GFR)

GFR是一種快中子能譜的氦冷卻反應器，具有封閉燃料循環特徵，使用氦作為冷卻劑，所以出口温度很高如此就可高效率地發電、生產氫氣或利用熱能中子能。

(2)鉛冷卻快滋生反應器(LFR)

LFR 系統也使用快中子能譜，其冷卻液體為鉛或鉛/鉍共融液，採用能有效利用可分裂及可增殖材料的封閉鈾燃料循環。此系統具有完整的錒系元素的封閉燃料循環，該循環可採區域式或集中式燃料循環設施。

(3)熔鹽式反應器MSR

MSR反應器採用超熱中子能譜及全部錒系元素再循環燃料循環，在一個混合的熔鹽燃料循環中產生分裂核能。

(4)液態金屬鈉冷卻反應器SFR

SFR反應器使用快中子能譜，以鈉作為冷卻劑可有效管理錒系元素和轉换能增殖的鈾，其燃料循環為封閉式循環。

(5)超臨界水冷式反應器SCWR

SCWR是在水的熱力學臨界點(374℃,22.1MPa,或705℉,3208psia)以上運轉的高温高壓水冷式反應器如圖二十所示。超臨界水冷卻劑使其熱效率比目前輕水式反應器高出1/3，同时也簡化了其他BOP設備。由於冷卻劑在反應器中不發生相改變，且能直接與能源轉化設備耦合，所以核電廠BOP設備可大為簡化。參考系統發電容量為1700MWe且在25MPa壓力下運轉，反應器出口温度為510℃並有可能提高到550℃，燃料採用氧化鈾燃料，同時與那些簡化的沸水反應器相似，SCWR也納入了被動式安全性觀念，SCWR 主要是為高效率發電而設計，在反應器設計的兩個選擇方案中提供了一種管理錒系元素的方案，SCWR 可使用熱或快中子能譜，因此該系統提供了兩種燃料循環選擇，第一種是具有熱中子能譜反應器的開放循環，第二種是具有快中子能譜反應器的封閉式循環，由中心先進水處理系統支援全部錒系元素再循環。

(6)超高温氣冷式反應器VHTR

VHTR 是一個由石墨緩和中子及由氦冷卻的反應器，其鈾燃料只使用一次。其反應器出口温度為1000℃，因此可以用於生產氫氣、石化工業熱處理或其它供熱領域，參考工廠功率為600MWt，熱處理在與爐心連接的中間熱交換器中進行。反應器爐心可以為稜柱形類似正在日本運轉的高温工程試驗反應器HTTR，或者是球床形的類似在中國進行的高温氣冷式反應器HTR-10。反應器的所有安全性能。

     所謂的第四代反應器是被國際原子能機構認可的‘下一代’核電技術。新一代核電技術的研發成功會大大增加世界核能工業的復甦，某些先決條件須先達成，一是發電成本可和本地區其他能源競爭；二是投資成本約1000美元/千瓦，建造期間少於3年；三是不發生爐心嚴重損傷事故，不發生需要廠外緊急應變措施的事故；四是採用高燃耗的燃料，產生最少的放射性廢棄物；五是可以杜絕商業核燃料循環產生的核擴散疑慮。由美國提出的六個第四代核反應器與當代核電技術不論是第二代還是第三代都没有任何關聯。換句話說各國不論其以往有無核能工業，都可一起發展第四代反應器，這也是我國迎頭趕上世界核能主流的一個契機。

三、高溫氣冷堆的願景

     高溫氣冷堆具有本質安全、模塊化設計與建造和多用途等特性，被認為是最有前途的第四代反應堆堆型。高溫氣冷堆可以替代除役的燃煤火力電廠，在核安全要求日益提升的背景下，球床模塊式高溫氣冷堆的技術優勢正逐步顯現，高溫氣冷堆憑藉自身安全特性，與環境具有較好的相容性。在我國眾多中小火電廠關停、退役的背景下，可成為緩解環境保護、節能減排與經濟發展、社會穩定之間矛盾的重要手段。高溫氣冷堆是中國大陸具有完全自主知識產權的先進核能技術，高溫氣冷堆技術的核心特徵就是固有安全性，即在任何情況下都沒有發生堆芯融化的可能和大量放射性物質的釋放，不會對公眾和環境造成重大影響；同時出口溫度高可用於海水淡化。透過清華大學10MW高溫氣冷實驗堆（HTR-10）的建設和運行，中國大陸掌握了自主發展高溫氣冷堆的技術。以HTR-10為基礎，山東省石島灣20萬千瓦級高溫氣冷堆核電站示範工程（HTR-PM）正積極建設中。

            高溫氣冷堆替代火電，緊跟國家的能源產業政策，是一種創新思考觀念，是核能利用體系內的重大創新。高溫氣冷堆替代火電特別是在原址替代火電方面具有眾多優勢：可利用原廠址一些共有設施，有利於火電廠址資源綜合利用，從能源轉換角度，核電廠“燃燒”的是鈾，火電廠燃燒的是化石燃料。核能作為高效、安全、清潔的低碳能源，已成為節能減排、保護環境的有效途徑之一。高溫氣冷堆替代火電廠址需研究選址、設計、建造、運行、審批等各方面，核電廠與火電廠之差異，由於高溫氣冷堆先天不會產生爐心熔毀非常安全。因此即是魚替代火力電廠。