美國首個第四代核反應器在橡樹嶺動工

一、美國首個第四代核反應器在橡樹嶺破土動工

   台灣的反核知識還停留在第二代或第三代核反應器，殊不知核能已進入第四代反應器。這是一個更加先進和多樣化的設計，旨在通過採用新的核反應堆技術，以及新材料和新的製造技術，使核電站不僅成本更低，而且本質上更加安全，廢料更少。基本上，這些第四代反應堆的特點是其冷卻劑，可以是水、氦、液態金屬或熔鹽。它們還根據其在中子譜中的運行位置進行區分。也就是說，是在熱中子譜還是在快中子譜中。在後者中，導致裂變的中子是由核反應產生的，沒有被減緩，因此反應堆在非常高的中子能量下運行，而在前者中，反應堆使用慢化劑來減緩反應，這發生在較低的中子能量下。依據媒體報導，美國凱羅斯電力公司在橡樹嶺破土動工建造美國有史以來第一個第四代反應堆，也是50 年來第一個非輕水反應器。儘管美國是民用核能領域的先驅國家之一，但它已遠遠落後於中國後來居上的核能科技。造成這種情況的原因有政治原因及經濟原因，但在維持減少碳排放的動力正促使核反應器以更先進的形式捲土重來。2024 年7 月17 日，凱羅斯電力公司開始在田納西州橡樹嶺建造其赫內斯低功率示範反應器。它的功能是開發Kairos 的熔融氟化鹽冷卻卵石床反應堆，這是一種固有的安全設計，能夠在發生事故時自行關閉並保持反應堆堆芯安全冷卻。此外，該公司正在橡樹嶺建造第二座核電廠，名為ETU 3.0，本質上是赫爾墨斯核電廠的非核版本。這個試驗台將使工程師們能夠在不擔心輻射的情況下研究運作中的機器，並讓他們找到使核電廠的建造和運作更加經濟的方法。據該公司稱，在橡樹嶺的建設只是該項目的一半。反應器本身採用模組化設計，這些模組將在新墨西哥州阿爾伯克基的一家工廠建造和測試，然後運往田納西州。 

   赫爾墨斯反應器是一種卵石床反應器，核燃料被包裹在由濃縮鈾、碳和陶瓷層組成的球形顆粒中。這些稱為TRISO顆粒的大小與撞球差不多，這些顆粒被製成鵝卵石大小的圓形大鵝卵石。這些鵝卵石被放置在一個反應堆堆芯中。新燃料放在頂部，擠在一起的鵝卵石開始並維持反應，乏燃料則收集在容器底部。在中國的同類反應器使用氦氣冷卻，而赫爾墨斯反應器則使用在反應器中循環的熔融氟化鹽冷卻。這些鹽將熱量帶到一個熱交換器，從而將反應器堆芯的溫度保持在585 °C。二級鹽循環與蒸汽發生器相連，蒸汽發生器又帶動渦輪機運轉。如果反應爐的電力因任何原因中斷，燃料卵石會根據物理定律自動調節核反應。隨著反應器升溫，可用於維持反應的中子減少，反應也隨之減弱。幾個小時內，反應爐就會達到穩定狀態。同時，熔鹽通過自然循環流動，冷卻堆芯。即使反應爐溫度驟升，燃料卵石也非常堅固，在任何預計情況下都不會降解。所有這一切都發生在普通海平面壓力下，因此不需要特殊的安全殼結構或壓力容器。反應器也是由316 不銹鋼製成，具有很強的耐鹽腐蝕性。赫耳墨斯核電站預計將於2027 年竣工，儘管比爾蓋茨正在懷俄明州開發自己的反應堆項目，但他仍在等待政府的批准，然後才能建造核電站，而Kairos 已經獲得了政府的批准。 

二、全球首座第四代核電廠－高溫氣冷堆在山東榮成正式商轉 

   2023年12月6日，中國大陸具有完全智慧財產權的山東榮成石島灣高溫氣冷堆核電廠商業示範工程在完成168小時連續運轉考驗後，正式投入商轉，標誌著中國在第四代核電技術研發和應用領域達到世界領先水準。山東榮成石島灣高溫氣冷堆示範工程是中國科技重大專案的標誌性成果，於2012年12月正式動工，由中國華能、清華大學、中核集團共同興建。2021年12月，此示範工程首次併網發電。該工程集結設計研發、製造、營運等產業鏈上下游500餘家單位，先後攻克多項關鍵技術，設備國產化率達93.4%。中國掌握了高溫氣冷堆設計、製造、建設、調試、運維技術，中國華能和清華大學共同研發了高溫氣冷堆特有的調試運行六大關鍵核心技術，培養了一批具備高溫氣冷堆建設與維運管理經驗的高素質專業人才隊伍，形成了一套可複製、可推廣的標準化管理體系，並建立起以專利、技術標準、軟體著作權為核心的自主智慧財產權體系。高溫氣冷器是國際公認的第四代核電技術，是世界核電未來發展的重要方向，具有“固有安全性”，即在喪失所有冷卻能力情況下，不採取任何干預措施，反應器都能保持安全狀態，不會出現核心熔毀和放射性物質外洩。高溫氣冷堆所具有的固有安全性、發電效率高、應用領域廣等優良性能，使其在發電、熱電冷聯產及高溫供熱應用等領域商業化應用前景廣闊。 

    依據POWER網站報導，位於山東省榮成石島灣基地的200兆瓦高溫模組化球床（HTR-PM）示範計畫的兩台機組中的首台機組在失冷試驗中成功實現了本質安全。北京清華大學核子與新能源技術研究所（INET）的研究人員表示，這些測試首次證明了商業規模的高溫反應器（HTR）無需主動干預即可消除衰變熱的能力。此次確認對於備受關注的高溫氣冷堆（HTGR）示範計畫而言意義重大，該計畫於 2023 年 12 月 6 日開始商業運作。衰變熱是核裂變反應器堆芯熔化的主要原因，可以通過熱傳導、輻射和自然對流自然消散到環境中，而無需採用應急堆芯冷卻系統。HTR-PM 由兩台驅動共用蒸汽渦輪機的 200 MWth 氦冷反應器組成。每個模組均包含一個球床反應器堆芯，該堆芯使用石墨作為慢化劑和結構材料，並多次穿過堆芯燃料燃耗，回收率為燃耗的15 倍。作為一項關鍵的安全功能，HTR-PM 的燃料元件在球形或棱柱形基質中嵌入了 12,000 個三結構各向同性 (TRISO)塗層顆粒，每個TRISO 顆粒都是透過在氧化鈾內塗上熱碳和碳化矽層而製成的。研究人員稱這些功能能夠防止裂變產物洩漏，而不會超過經過驗證的燃料溫度限制。HTR-PM 設計允許功率密度約為 3.2 MW/立方米，約為商用壓水器 (PWR) 的1/30，保證衰變熱可以通過熱傳輸有效去除。 

三、第四代反應器安全性高 

   2023 年中期，在中國山東石島灣高溫氣冷器示範場對兩台反應器（每台運行功率為 200 MWth）進行了失冷試驗，證實反應器可以自然冷卻，驗證商業規模的高溫反應器的固有安全性。失冷試驗驗證了 HTR-PM 核電廠的固有安全性。2023年8月在中國高溫氣冷堆-粉末冶金示範項目1號機組和2023年9月對2號機組進行的安全試驗首次顯示了商業規模高溫氣冷堆的固有安全性。研究人員表示：“在整個測試過程中，反應器模組自然冷卻，沒有緊急堆芯冷卻系統或任何電力驅動的冷卻系統。”這些發現是高溫氣冷器技術的重大飛躍，並表明其比傳統使用的輕水反應器設計具有潛在優勢，後者需要專用的安全系統。儘管高溫氣冷堆已經發展了半個多世紀，但鑑於其在工業應用中的靈活性，人們對先進核技術的熱情一直在升溫。特別是，它們能夠為從氫氣製造到化學製造等多種製程提供高溫熱量，這使得它們成為尋求脫碳和提高能源效率的行業的有吸引力的選擇。除了中國的高溫氣冷堆示範之外，商業高溫氣冷堆企業也由美國 X-energy 和 Ultra Safe Nuclear公司牽頭，X-energy 正在德克薩斯州與陶氏化學公司和美國能源部一起牽頭進行320 兆瓦Xe-100 示範，Ultra Safe Nuclear Corp. 正在開發一種5 MWe微型模組化反應器 (MMR)，預計第一個反應器將於2027 年在加拿大安大略省Chalk River 實驗室開始運行。然而，高溫氣冷器技術持續應對市場挑戰，包括經濟不確定性和新興的高含量低濃縮鈾 (HALEU) 供應鏈。中國研究人員指出，HTR-PM 的發電成本比商業壓水堆發電廠高出約 20%。儘管如此，研究人員指出了設計的優勢，包括模組化、可擴展性和應用靈活性。他們指出，經濟可以「透過規劃熱電聯產以及進一步透過反應器模組的大規模生產來管理」。 

   高溫氣冷堆具有本質安全、模塊化設計建造和多用途等特性，中國發展高溫氣冷堆核電站的戰略意義包刮(1)爭取率先掌握四代核電技術，領先世界水平(2)加快核電設備國產化(3)奠定核能製氫技術，配合未來氫經濟時代的到來。(4)拓展國內外核電市場(5)建立產學研究與實用結合，(6)加強國家能源安全。在中國“863”國家計劃支持下，清華大學10兆瓦高溫氣冷實驗堆(HTR－10)於1995年6月14日正式動工，2000年12月順利建成並達到臨界，2003年1月7日並網發電，成為世界第一座投入運行的模塊式球床高溫氣冷實驗堆。通過高溫氣冷實驗堆(HTR－10)的設計、建造、臨界運行和並網發電，中國掌握了高溫氣冷堆燃料元件製造、燃料元件裝卸系統和數字化控制保護系統等核心技術，同時形成了這種新型反應堆研發、設計、加工、建造的技術集成系統，並累積了許多寶貴經驗。高溫氣冷堆有六大優點(1)讓中國擁有自主先進核電知識產權。(2)具有本質安全性和非能動安全性，即使喪失爐心冷卻系統也能安全停機。(3) 採用球形燃料元件，不用大修停機更換鈾燃料，機組可用率高。(4)系統簡單，發電效率可達40%以上。(5) 堆芯出口氦氣溫度可達700-950攝氏度，除發電，還可廣泛應用於製氫等領域。(6)模塊化設計，節省工期成本的優點。高溫氣冷堆採用包覆顆粒燃料（TRISO）構成的“全陶瓷型”球形燃料元件，它具有在不高於1620℃的高溫下阻留放射性裂變產物釋放的能力。採用單區球床堆芯設計，球形燃料元件自上向下流動。堆芯設計保證在任何運行工況和事故情況下，燃料元件最高溫度不超過其安全限值1620℃。反應堆堆芯周圍全部由石墨和碳磚材料構成，該區域內沒有金屬部件，使堆芯結構部件能承受高溫。反應堆堆芯和蒸汽發生器分別設置在兩個殼體內，並由熱氣導管殼體相連接，構成一迴路壓力邊界。三個殼體組成的壓力邊界均通以冷氦氣進行冷卻，使殼體不承受高溫。反應堆壓力容器、蒸汽發生器殼體和連接二者的熱氣導管殼體，均包容在混凝土結構的一迴路艙室內，一迴路艙室具有“包容性”功能，是阻止放射性釋放的第三道安全屏障。