低碳能源或变局,盘点第四代核反应堆技术

2022-04-22 11:35  来源:科技日报    四代核电  SMR  钠冷堆  钍基熔盐堆  高温气冷堆  熔盐堆

目前世界上有 440 座核能反应堆,总发电量足以供电全球 10% 的电力,而现在正兴建中的反应堆还多达 50 座,除了数量增加,为了提高安全性、降低核能成本,核能技术也持续演进中,未来「第四代核反应堆」是否有机会跨出实验室并助力低碳供电?


目前世界上有 440 座核能反应堆,总发电量足以供电全球 10% 的电力,而现在正兴建中的反应堆还多达 50 座,除了数量增加,为了提高安全性、降低核能成本,核能技术也持续演进中,未来「第四代核反应堆」是否有机会跨出实验室并助力低碳供电?

过去的的核电主要以集中式电厂为主,每座反应堆装置容量动辄 900MW 以上,因此成本高达 150 亿美元、可能需要长达 20 年才能完工运转,过程也需要经过繁复且冗长的行政程序,需不断测试、修改、重新测试电厂设计与工程,经过严格的环安卫规范后,营运商还要负担废弃核燃料处理成本。

上述情形不仅可能导致电厂成本超支,自然也会拉长建置时间,如果想要降低成本、缩短建置时间,方法包括标准化设计、盖更多电厂留下技术和经验、精简管理措施,又或是透过解决最大的建筑成本,也就是提出新的电厂设计。

第四代电厂设计

如今核工业大厂跟各式新创团队正在寻找新的核分裂反应堆设计,其中不少厂商已经研究数十年,盼能降低建设和营运成本,还可以提高安全性和效率,同时降低核武风险。

当今核电厂属于「第三代」,其中第一代核电厂主要是指 1940 年代末期~1960 年代初期原型反应堆、还没商用的反应堆,第二代就是 1960 年代中期到 1990 年代中期的第一批商用轻水反应堆,第三代反应堆虽然也是轻水反应堆,但采用更可靠的燃料跟反应堆炉芯、被动冷却系统。

未来的第四代反应堆自然更先进,种类也更加多样化,透过新的反应堆技术、材料和制造技术,希望能降低成本并提高电厂安全性。

一、小型模块化核能反应堆(SMR)

顾名思义,相较于传统核反应堆,小型模块化核能反应堆的尺寸跟规模更小,基本上是希望能打造出小于 300MW 的核反应堆,甚至可以跟汽车一样大规模制造,希望引入工厂制造技术来降低核电成本。

该技术的优点在于,可以将机组拆分成多个部分,在现场一次安装多个小型反应堆,或是在工厂建置完后直接搬去现场,有利规模量产,又避免过去设置核电厂工程浩大、费时昂贵的老问题。也可以依照客户需求订制,对于小型、相对偏远的社区,能装置一座小型核反应堆为几千户家庭或企业供电,也可以一次设置多个反应堆,为大城市数百万人供电。

也因为规模不大,也能用在石油探勘、军事基地等特殊应用,装置在地底、船上或是海上,结合被动安全系统,不用操作员主动干预或电气反馈让反应堆进入安全关闭状态,也不用大型混凝土结构屏蔽核燃料棒。

二、高温气冷反应堆(HTGR)

高温气冷反应堆是种石墨慢化反应堆,为最近逐渐成熟的核能技术。传统核反应堆多采用浓缩铀或是钸燃料棒,但高温气冷反应堆的燃料是「球状物」,一颗颗由铀、碳和氧组成的「卵石」,它们被密封在三层碳或陶瓷材料中,提高耐热度、中子辐射、腐蚀、氧化,也可避免石墨遇高温燃烧,内里则是核燃料与充当缓冲的石墨,最后反炉内就有如球池,塞满好几千颗燃料球,不需要控制棒就能产生并维持高温核反应。

这些卵石燃料也不会在反应堆中熔化,反应堆可以在更高的温度下运行,卵石也会缓慢地在反应堆中循环,用过卵石会从底部移出,再用新的卵石替换。

三、气冷式快反应堆(GFR)

气冷式快反应堆为快中子增殖反应堆(Fast breeder reactor)的其中一种,这类反应堆在运转同时也可以合成出「核分裂材料」,让核燃料的制造量大于消耗量,主要以氦气或二氧化碳等气体做为冷却,功率密度比高温气冷反应堆还要高。

气冷式快反应堆透过用快中子,将传统反应堆的慢中子取而代之,将钍或非裂变铀同位素转化为钸或可裂变铀同位素,进而产生核燃料。新一代气冷式快反应堆的燃料核心为陶瓷一碳化铀(uranium monocarbide),能在高温下运作,燃料配置也使得每体积燃料的铀原子密度较高。

四、钠冷快中子反应堆(SFR)

钠冷快中子反应堆以液态金属钠当作冷却剂,运转过程虽然会产生大量的热能,甚至超过驱动蒸气发电机所需的热量,但液态钠具备优秀的散热能力,因此在小型反应堆中仍能顺利运作,被动式安全机制也能顺利运作。

通常美国的钠冷快中子反应堆燃料是包裹着铀和锆的钢合金,俄罗斯、法国和日本则倾向使用氧化铀燃料,另外钠冷快中子反应堆具有封闭的燃料循环,铀和钸会做为核分裂反应的一部分,在反应堆内循环再利用,补充一次燃料就能使用数十年。

五、铅冷式快反应堆(LFR)

铅冷式快反应堆(LFR)是基于俄罗斯核潜艇开发的反应堆设计,主要使用铅做为冷却元件。最新版本使用氮化铀而不是二氧化铀,与钠一样,铅做为被动安全系统,如果反应堆开始失控就会自动调节核反应。

六、液态氟化钍反应堆(FHR)

液态氟化钍反应堆(FHR)不是用氦气来冷却,而是由氟化锂和氟化铍盐制成的熔融混合物,这些反应堆的功率密度是卵石燃料技术的 10 倍,而与氦气冷却的反应堆相比,氟化物盐使反应堆能够在更低的温度下运行。

七、熔盐燃料反应堆(MSR)

熔盐燃料反应堆(MSR)的燃料不是棒状、颗粒或卵石,而是被混合到氟化盐中,透过流经石墨或类似慢化剂来控制反应。熔盐燃料反应堆虽然可以在高温下运作,但会伴随腐蚀问题,因此目前多倾向低温版本,不过透过结合冷却剂和燃料,更容易清除核废料和补充燃料。

将来的核能技术会何去何从?

目前许多国家与政府纷纷设立净零碳排目标,希望可以在 2050 年达到碳中和,对此,不少国家对核能寄予厚望,尤其是期许新一代核能技术可以为 2030 年后带来新机遇,或许上述第四代反应堆有机会上场。

毕竟由它们的设计目的是更便宜和更快地构建,若有机会很可能会很快变得非常普遍,只是路途仍遥远,比如日本先前努力尝试的「文殊反应堆」,文殊反应堆也是属于「增殖反应堆」,日本耗资 85 亿美元,但由于出现故障事故、监管违规等争议,其实没有获得多少良好收益,再加上 2011 福岛核灾后,日本民众对于核电厂信任度下滑,最终该电厂在 2016 年退役。不过新核电设计基于利基应用也会有新的机遇,目前已经有计划在月球上建造小型核能反应堆等多样化设计。(完)



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