中國核電領先美國15年

摘要

      依據資訊科技與創新基金會 （ITIF）報告，中國計劃在 2020 年至 2035 年期間建造 150 座核電機組，目前有 27 座正在建設中，中國每個核電機組建設時間約為5~ 7 年遠快於歐美西方國家。中國已經開始運行世界上第一個第四代核反應堆，中國在開發小型模組化反應堆（SMR）方面處於領先地位。雖然許多第四代核電技術已廣為人知，但中國卻能最先製造出來。在核融合技術研發方面，美國和中國不分秋色，但中國大規模建設裂變式核電機組的能力使其在核融合建設具有優勢。從 2008 年到 2023 年，中國在所有核能專利中的份額從 1.3% 增加到 13.4%，在核融合專利申請數量方面處於領先地位。中國正在迅速發展核工業，正在建造的核反應堆有 27座，運轉中的有 57座。中國預計每年將建造 6 到 8 座新的核電機組，到 2030 年，中國的核電產量將超過美國。

一、中國核電技術領先美國 10 到 15 年 

      中國目前主要建設「第三代」核電機組，技術源自美法二國，共有五種，分別為美國的AP1000、法國的EPR、俄羅斯的VVER，以及中國自己的華龍一號和國和一號。華龍一號是中核公司的ACP1000和中廣核公司的ACPR1000兩種技術的融合；國和一號則是在消化、吸收、全面掌握AP1000的基礎上，開發出的功率更大的核電機組技術。華龍一號是在法國二代堆M310基礎上改進而來設計較繁雜，而國和一號則是基於美國西屋純三代堆AP1000的功率放大版本。隨著時間推移，中國迅速布署越來越現代化的核電機組產生了規模經濟和邊做邊學的效果，使中國核工業在增量創新中獲得優勢。而核融合是人造太陽可永遠解決人類能源問題。2024 年 1 月，中國發起一個新的國家工業聯合體，由中國核工業集團公司 （CNNC） 牽頭，由 25 個組織組成，旨在促進核融合技術的發展和進步。中國和美國在核融合技術發展上勢均力敵，一旦核融合反應堆在技術上可行，中國可能會在快速擴大核融合反應堆規模。美國擁有 94 個運轉中核電機組，核能發電量佔全球核電產量的三分之一。然而，美國在過去十年中只興建了兩個新的核反應堆，最新的一個是喬治亞州的 Vogtle 4 號機組。如果美國要再次成為核反應器產業的領導者，將需要政府配套措施並在聯邦研發和監管機構配備足夠的人員來支持新反應器類型的創新。正如美國的許多行業如消費性電子、半導體、太陽能電池板、電信設備、工具機，以及現在的核電都被中國的低成本所擊敗。 

      美國的大部分核電廠建於 1970 年代和 1980 年代初，幾乎所有設施都在 1990 年之前啟動。到 1990 年代，西屋公司和奇異公司成為美國領先的商用核電廠供應商。西屋公司設計的AP1000於 2004 年成為第一個獲得美國核管會批准的第三代反應器。截至 2024 年 5 月，美國仍是核能發電量最多的全球領導者。美國的 94 座核電站佔全球核電產量的 31%，佔美國總發電量的五分之一和清潔能源產量的一半。但美國在過去十年中都是靠延役核電站，新核電機組只完成兩座。相比之下，中國有57 個運轉中的核電機組，另外27 個正在建設中，預計到2030 年，將超過美國成為世界核能發電容量最大的國家。中國長期以來一直將核反應堆技術作為重要戰略考量，隨著「十四五」（2021-2025 年）規劃，中國計畫要在15 年內建造150 個新核電機組，以實現2035 年達到200GW核電生產目標。核電建設對於實現中國國家主席習近平到本世紀中葉實現中國經濟碳中和的目標承諾至關重要。年產200GW核電將減少 15 億噸的碳排放，比英、法、德及西班牙的碳排放量總和還要多。自2022 年以來，中國又完成了5 座核電機組，完工時間從近5 年到7 年多不等。

二、中國核能工業的創新能力

中國建造的石島灣高溫氣冷式核電站是世界上第一個上線的第四代核電機組。該設施擁有兩個高溫氦氣冷卻模組化卵石床 （HTR-PM） 反應堆，每個反應堆可產生 250 MW 的功率，以及一台裝置容量為 200 MW 的蒸汽發生器。中核集團聲稱，這座耗資 160 億美元的設施（於 2012 年開工）使用的材料中有 93.4% 來自國內。 第四代反應器具有被動冷卻系統（這意味著它們不需要依賴外電冷卻），使用氦氣冷卻，;可在比大多數其他反應器更高的溫度下運行。 中國也主導了世界上第一個多用途 SMR 玲瓏一號示範項目。其組件的特點是系統和組件可以在工廠組裝並作為一個單元運輸到安裝地點。玲瓏一號由多用途壓水堆 （ACP100） 組成，其設計是「中核集團經過 10 多年的自主研發後開發的」。中核集團認為玲瓏一號的設計和建造具有革命性和開創性。通過標準化設計、單組件生產和批量生產，縮短了建設週期並降低了成本。玲瓏一號是第一台獲得國際原子能總署 （IAEA） 核准的小型反應器。當玲瓏一號投入使用時（計畫於 2025 年底）預計每年將產生 10 億千瓦時的電力，足以為超過 525,000 戶家庭提供服務。另外，中國科學院上海應用物理研究所已獲得釷熔鹽反應堆的運轉許可證，該反應堆於2018年 9月在甘肅省武威市開工建設，反應堆轉化率約為 0.1。使用含 99.95% Li-7 的富鋰鈹氟化物覆蓋層，燃料為UF4。依據自然雜誌報導，中國的釷基熔鹽堆使用氟化鹽。當加熱到 450°C 左右時，它們會熔化成無色透明液體。這種鹽相當於反應堆堆芯的冷卻劑。此外，熔鹽反應堆也使用液態鹽作為燃料的基質，例如直接溶解在堆芯中的釷，而不是固體燃料棒。熔鹽反應堆具有非常高的操作安全性。燃料溶解在液體中，這些反應堆在比傳統核反應堆更低的壓力下運行。釷熔鹽反應堆的冷卻劑是複合型氟化鹽，不像鈾反應堆或輕水反應堆那樣，需要使用大量的冷卻水，所以它不需要像傳統核電站那樣需建在江河湖海邊，內陸地區、沙漠、山區、乾旱及高原地區都可以興建。中國即將建造世界上第一座釷基熔鹽堆核商用核電站，標誌著中國核電領域的重大突破。這座核電站熱功率為60兆瓦，將於2025年動工。

2021 年 12 月，中國成為第三個開發浮動核反應器的國家，即 ACPR50S，該反應器可承受萬年一遇的天氣災難。這座 60 MW 的浮動反應器正在建造中，為中國東海岸渤海附近的石油鑽井平台和島嶼供電。中國也正在建造快中子反應器，福建霞浦的鈉冷快堆也屬於第四代反反應堆，其設計目的是生產比它們消耗的鈾和鈽更多的鈽，也被稱為快中子增殖反應器 （FBR）。中核集團於 2023 年將一台 600 MW 的FBR併網，預計在 2026 年推出第二台。中國也在考慮是否在未來幾年建造 1,000 MW 的商用FBR。值得注意的是，FBR反應器代表著一種軍民兩用技術：分析家預計，中國建造的每個FBR反應器每年可生產多達200 公斤的武器級鈽，足夠製造50 枚核彈頭。核融合(核聚變)是一勞永逸解決人類能源的方法，理論上核融合技術將能夠從一克燃料（氚或氘，它們是氫的同種型，理論上可以輕鬆地從海水中獲得）產生相當於八噸石油產生的能量。中國設定了到 2035 年建造第一個工業原型聚變反應器的目標，稱之為“人造太陽”，核融合已成為中國的優先事項。2024 年 1 月 9 日，中國政府發起由中核集團牽頭的新國家工業聯合體，旨在推動核融合技術的發展和進步。該聯盟將包括 25 家主要為國有的公司、4 所大學和 1 家私人公司，該計畫的大部分技術知識來自中核集團下屬的西南物理研究所和中科院下屬的等離子體物理研究所的研究。 迄今為止，中國聚變研究主要地點一直設在合肥物質科學研究所的等離子體物理研究所，科學家們在那裡操作著價值 9 億美元的實驗先進超導托卡馬克 （EAST）。2021 年，EAST 創下多項世界紀錄，包括保持 1.2 億攝氏度的等離子溫度 101 秒和 1.6 億攝氏度的等離子溫度 20 秒。繼 EAST 之後，中國於 2017 年開始了中國聚變工程試驗堆 （CFETR） 的工程設計，這是一種磁約束聚變裝置。

三、中國4400 億美元的核電建設有助於達成碳中和目標      

      中國計劃在未來 15 年內至少建造 150 座新反應堆，比世界其他國家過去 35 年建造的還要多，這項工程將耗資高達 4400 億美元。中國到2060年要實現碳中和目標。中國表示，核電計劃每年可減少約 15 億噸碳排放，超過英國、西班牙、法國和德國排放量的總和。中國的最終計劃是到 2060 年用清潔能源取代幾乎所有的 2,990 台燃煤發電機組。彭博新能源財經和世界核協會估計，中國可以每千瓦 2,500 至 3,000 美元的成本建造核電站，約為美國和法國近期項目成本的三分之一。中國已核准且興建中的機組數量顯著領先全球，中國在第三代和四代核電上已經穩居世界先進水平，其安全性相比過去曾發生事故的國外機組早已大幅提升。中國的核電發展從世界邊緣到世界中心的歷程中，展現別國難以複製的獨特優勢。國際原子能總署 （IAEA） 連續第四年上調了對核電擴建的年度預測，在高情境中，預計到 2050 年，世界核電容量將增加2.5 倍，其中包括小型模組化反應器（SMR）的重大貢獻。在去年於杜拜舉行的聯合國氣候變遷大會 （COP28） 上，核電首次被納入盤點，呼籲加快部署包括核能在內的低排放技術，以幫助實現深度和快速的脫碳。原子能總署的新預測反映了人們越來越認識到核電是一種清潔和安全的能源供應，以及人們對針對電力和非電力應用以實現氣候目標和促進永續發展的小型模組化反應器的興趣日益濃厚，原子能機構總幹事格羅西在維也納舉行的國際原子能總署第68屆大會的開幕詞中宣布了新的預測。截至 2023 年底，有 413 個核電反應器投入運行，全球容量為 371.5 GW。在原子能總署新展望的高情境下，預計到 2050 年核能發電能力將增加到 950 吉瓦。在這種情況下，2050 年的全球產能將略高於 2023 年的 2.5 倍。

       澳洲戰略政策研究所證實，中國已成為核能科學出版品的世界領導者。 2023 年，中國出版物在該領域所有科學出版物中的加權份額為 20%。同樣，中國出版物在引用次數最多的期刊中佔所有出版物的加權份額約為 27%。專利合作條約 （PCT） 框架允許創新者提交「國際」專利申請，從 2008 年到 2023 年，中國實體的 PCT 核專利授權數量從 5 項提高到 83 項。核融合代表了未來幾年中美之間技術、科學和商業競爭將更激烈的領域。中美科技競爭愈來愈激烈，除了在太空科技領域，中國將超越美國外，在核能發電領域，顯然中國也領先美國。