小型核反應堆與微型核反應堆是未來核能發展新方向

一、小型核反應堆與微型核反應堆 

    小型堆是指功率大約處於10MW到300MW之間的核分裂反應堆，具有安全性、機動性、模塊化、彈性化及經濟性等優點。小型模塊化堆有兩大特點，一是小型，一是模塊化。小型核反應堆的環境影響遠小於大型堆，從而提供了選址和安全上的便利。模塊化是把一個大型的電站分散成若干個小型的模塊，每個模塊都包括一個反應堆堆芯，有些設備也可公用，這樣的優勢在於供應可觀發電量的同時，大大提升了堆芯的安全性。另外，分散成若干模塊也更有利於功率調節，小型核電站以成品模塊形式在大型機器製造廠量產可縮短工期及減少難度。小型核電站具有高機動性，因此能成為風能和太陽能等可再生能源的良好補充。能與綠能互補在夜間和無風時獲取電力，由此出現一個潛在的巨大市場——供機動靈活的小型核電站專用。一般而言小型模塊核電站的建設成本較低，且由於功率密度的下降，反應堆的安全性自然提高。小堆設計可建成半地下或者全地下，不但簡化了防擴散屏障的結構，也提高了反應堆抵抗地震海嘯導彈以及飛機墜落等事故的能力。小型核反應堆可提供船舶動力、海水淡化、偏遠海島電力甚至太空火箭核動力，核能科技涵蓋許多機械、電子及材料科技，台灣的廢核是很愚蠢的行為，自己斬斷高科技的吸收及發展，而美國老大哥不但讓核電廠延役至80年，太空總署還在研發核動力火箭，核動力火箭可大幅縮短地球至火星所需的時間，美國甚至全人類想移民外太空必須借助核能。另外，美國的所有航空母艦及潛艇都是核動力，最近美國國防部還在為軍事基地用電研發小型核反應堆，為甚麼崇拜美國的台灣不學老大哥發展核能的前瞻性眼光呢? 

    微型堆是緊湊型反應器比小型堆還小，這些緊湊型反應堆小到可以用卡車運輸，可以幫助解決許多領域的能源挑戰，從偏遠的商業或住宅區到軍事基地。美國正在開發一些微反應器設計，它們可能會在未來十年內推出。微型堆不是由它們的燃料形式或冷卻劑來定義的，它們具有三個主要特徵：(1)工廠製造：微型堆的所有組件都將在工廠完全組裝並運往現場。這消除了與大規模建設相關的困難，降低了資本成本，並有助於使反應堆快速啟動和運行。(2)可運輸：較小的單元設計將使微反應器非常便於運輸。這將使供應商可以輕鬆地通過卡車、運輸船、飛機或軌道車運輸整個反應堆。(3)可自我調整：簡單且反應迅速的設計概念將允許微型堆進行自調整。它們不需要大量的專業操作員，並且將利用被動安全系統來防止任何過熱或反應堆熔毀的可能性。微型堆的設計各不相同，但大多數都能夠產生 1-20 MW的熱能，這些熱能可以直接用作熱量或轉化為電能。它們可用於產生清潔可靠的電力，用於商業用途或非電力應用，如區域供熱、海水淡化和氫燃料生產。微型堆可與可再生能源無縫結合，可用於應急救援缺電，幫助恢復受自然災害襲擊地區的電力，具有長的核心壽命，可在不更換鈾燃料的情況下連續運轉10 年。大多數設計將需要具有更高濃度鈾 235 的燃料，而這些燃料目前尚未在當今的反應堆中使用，儘管有些可能會受益於使用高溫緩和材料，這種材料可以在保持較小的系統尺寸的同時降低燃料濃縮要求。美國能源部支持各種先進的反應堆設計，包括氣體、液態金屬、熔鹽和熱管冷卻概念。美國微反應器開發商目前專注於氣體和熱管冷卻設計，最早可能在 2020 年代中期首次亮相。 

二、微型堆可用於缺電救援 

    美國能源部(DOE)公布未來十年值得關注的5種先進核反應堆中有三種是小型堆，二種是微型堆。

(一)Hermes小型核反應堆

    Hermes小型試驗核反應堆是商用KP-FHR(美國Kairos Power公司的氟鹽冷卻高溫核反應堆)的縮小版，是一種新型的先進核反應堆，採用卵石狀三結構各向同性顆粒燃料(TRISO)與低壓氟化物鹽冷卻劑相結合，能有效地從燃料中傳遞熱量，產生電力。電力商用設計為140兆瓦，能在比大多數先進反應堆更低的溫度下運行，並可實時進行燃料加註，提供高可用性。該反應堆預計將於2026年投入運營，並將在田納西州橡樹嶺進行演示驗證。

(二)eVinci微型核反應堆

    eVinci是一種可移動式微型核反應堆，在30天內即可安裝到現場。該反應堆採用三結構各向同性顆粒燃料(TRISO)和專用的熱管設計，電力為15MW，可在電網或偏遠地區彈性運行。美國西屋電氣公司將主導eVinci微型核反應堆的研發，並與美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、愛達荷國家實驗室和美國德克薩斯A&M大學合作，為該反應堆熱管和減速劑測試並製造部件，以開發一個小型示範裝置。預計將在2024年之前演示驗證原型，計劃在21世紀20年代中後期實現全面部署。

(三)BWXT先進核反應堆(BANR)

   BWXT先進核反應堆是一種移動式微型核反應堆，其設計重點是使用三結構各向同性顆粒燃料(TRISO)實現高濃縮鈾，並使用碳化矽(SiC)基質改進堆芯設計。該反應堆在離網條件下和偏遠地區可以適用，可產生50MW的熱能，預計於21世紀30年代初期部署。

(四)SMR-160小型模塊化核反應堆

    SMR-160是一種輕水冷卻小型模塊化核反應堆。電力設計為160MW，可在其二次側使用風冷冷凝器，因此可以部署在世界上最乾旱的地區。美國Holtec政府服務公司將獲得資金用於該反應堆的早期設計、工程和許可工作。

(五)熔融氯化物反應堆實驗(MCRE)

    熔融氯化物反應堆實驗(MCRE)是基於美國泰拉能源公司的熔融氯化物快速反應堆(MCFR)技術的基礎上建立並運行的小型反應堆實驗，將是全球首個快譜鹽反應堆。MCRE可以在商用電網上使用，並可靈活使用多種燃料，甚至是其他反應堆使用過的核燃料。MCRE將為示範反應堆的設計、許可和運行提供信息，預計將在未來五年內投入運行。美國南方服務公司將主導該項目的設計、建造和運行，並與美國泰拉能源公司、英國CORE-POWER、法國歐安諾公司和美國電力研究所(EPRI)以及其他私營公司、實驗室和大學合作。 

   微型核反應堆可在能源短缺的地方部署，德克薩斯大學阿靈頓分校和德克薩斯農工大學的研究人員獲得了美國核管會贈款，用於對微型核反應堆的液態金屬熱管(LMHP) 進行實驗和模擬。2021 年2 月，一場大規模冬季風暴襲擊了德克薩斯州，導致數百萬人失去電力和熱量，此時用微型堆發電應急極佳。另外，美國的Oklo微型核反應堆也可利用核廢料運轉。根據美國CNBC的報導，Oklo 是一家 22 人的初創公司，正在努力製造微型核反應堆，為工業場所、大公司、大學校園和偏遠地區提供動力。這家 22 人的矽谷初創公司計劃建造微型核反應堆，由傳統核反應堆的廢料提供動力，並安裝在美觀的 A 型框架結構中。核電智庫核創新聯盟經理亞歷克斯稱微反應器是一項創新，以前比爾蓋茨的TerraPower公司已經在推銷小型反應堆，但Oklo反應堆比TerraPower反應堆還要小得多。TerraPower 的主要核反應堆 Natrium 將擁有 345 MWe的電力，但第一座名為 Aurora 的 Oklo 反應堆的容量預計僅有 1.5 MWe，使其成為真正的微型反應堆。微反應器的定義是功率小於10MWe。Oklo公司計劃擁有和運營這些微型反應堆，客戶可能包括公用事業公司、工業場所、大公司以及大學校園。由於體積小，微型反應器的建造速度比傳統反應器快，保守估計建造發電站的時間不到一年。俄羅斯國家原子能公司(Rosatom)計劃2024年底完成Shelf M微型堆(10 MWe)技術設計。該微型堆項目是Rosatom小型堆開發計劃的“關鍵方向”之一。 

三、國際小型核反應堆發展情形

    美國的NuScale。多模塊小型堆輕水冷卻反應堆，設計目標是替代老舊火電廠，減少二氧化碳排放，並可按照需求靈活增加功率模塊。2020年完成了DCA的審查，2022年將獲得設計認證批准並開始建設。俄羅斯海上浮動核電站“羅蒙諾索夫院士號”是商用海上浮動核電站，搭載兩台壓水堆KIT-40S反應堆，用於為邊遠地區提供電力和熱能。2019年12月19日並網發電，停靠於俄遠東區楚科奇海岸附近的佩維克港。韓國的SMART是壓水反應堆，用於發電和海水淡化。從技術基礎及成熟度來看，採用輕水堆(包括陸上和海上)技術，仍是目前小堆技術發展的主流，熱電聯供是其主要運行模式。而高溫堆有採用棱柱狀堆芯，也有採用球床堆芯。除了電力生產，一些SMR設計也被用於其他用途如製氫， SMR中的高溫氣冷堆（HTGR）以及超高溫反應堆(VHTR)尤其適合用於製氫，其冷卻劑出口溫度達到750-1000℃，非常有利於大規模製氫。因此，SMR將會與多種可再生能源在製氫行業產生競爭，並有助於減少對化石燃料電站制氫的需求。由中國大陸中核集團開發的海南昌江多用途模塊化小型堆科技示範工程玲龍一號(ACP100)正在積極推進當中，該堆型功率為125MWe，建設工期58個月，可作發電、熱電聯供等。俄羅斯《消息報》網站稱，大型核電機組的銷售額存在大幅下滑的風險，中小型核電站或將成為未來市場主角。縮小規模不僅有助於能買得起，同時也可改變公眾對核電的態度。小型核電站開始成為整個核電工業的救命稻草，美國初創公司NuScale已經拿到了在愛達荷州建造擁有12個反應堆模塊核電站的項目，政府準備其中買下其中的兩個機組。小型核電站具有高機動性，因此能成為風能和太陽能等可再生能源的良好補充。在傳統能源解決方案的框架內，在無法建設大型核電站的地方，小型核電站也得到了新的用武之地。  當前，減少碳排放的主要重點領域之一是核能發電，核電可產生大量綠色，安全且對消費者便宜的電力。

   韓國政府計劃在今年秋季啟動小型模塊化反應堆(SMR) 的研發，韓國斗山重工業(DHIC)宣布，已與韓國水電和核電(KHNP)簽署了一項業務協議，加強在清潔氫生產和能源融合業務方面的合作。根據協議，兩家公司將建立使用清潔能源的氫氣生產和儲存設施，促進使用小型模塊化反應堆(SMR)進行氫氣生產的聯合研發，並在海外開發清潔氫氣生產項目。近日，總部位於西雅圖的超安全核能公司(USNC)的5兆瓦電功率微型模塊反應堆(MMR)已進入加拿大核能安全委員會(CNSC)的正式許可審查。Global First Power（GFP）——由USNC子公司USNC電力公司和安大略電力公司組建的合資企業——已經提議在Chalk River實驗室建造、擁有並運營一個全規模的MMR反應堆，USNC稱MMR能源系統將“一個或多個標準化微型反應堆(MMR)與一個熱存儲單元和相鄰的電廠集合起來，用於電力轉換和利用。該系統適用於提供高質量的過程熱，用於同地工業應用和高效制氫。堆的研發，韓國斗山重工業(DHIC)宣布，已與韓國水電和核電(KHNP)公司使用小型堆進行氫氣生產的聯合研發。美國及加拿大也積極發展小型堆，但中國大陸的玲瓏一號拔得頭籌。 

四、台灣反核缺乏科學素養及前瞻性影響經濟發展 

     除美國的Oklo公司外，啟明星系列是中國大陸中核集團為開發先進反應堆工程技術而自主設計的反應堆物理實驗平台，反應堆分類形式多種多樣，按中子能譜分類，可分為熱中子堆、中能中子堆和快中子堆；按冷卻劑類型分類，可分為氣冷快堆、鈉冷快堆和鉛/鉛鉍冷卻快堆。零功率裝置是運行功率極低（最高不超過100瓦）的反應堆，以此獲取的零功率實驗數據及反應堆測量技術等的準確性和可靠性進行研究。啟明星Ⅲ號可設計為百萬千萬級大電廠、兆瓦級小型模塊化核電源或車載。鈉冷快堆採用鈉作為冷卻劑的優點是熱導率和比熱容高，中子吸收截面低，不易活化，與結構材料的化學相容性好。鉍快堆採用低熔點、高沸點的鉛鉍共晶合金作為冷卻劑，相比於氣冷快堆、鈉冷快堆，鉛鉍快堆由於中子經濟性好，嬗變率高，功率密度高，傳熱性能強，熱點轉換效率高，具有更好的安全性，可滿足特殊應用需求。國際上關於鉛冷快堆的研究工作才剛開展，目前俄羅斯、美國、歐盟等國家技術較為成熟。2018年，中核集團開啟了新一輪鉛鉍堆技術問題研究，包括結構材料在高溫高流速的鉛鉍合金中的腐蝕沖刷性能以及質量遷移效應等腐蝕機制。如果鉛鉍堆成功小型化後，未來將圍繞海島建設、一帶一路倡議以及2025中國製造等國家層面發展需求，在前期研究成果的基礎上，全面進入示範型號建設階段。 

    台灣能源匱乏，廢核是錯誤政策，進口的天然氣儲存時間僅有7~14天，水力發電已開發殆盡，風力靠天吃飯，夏季無風且會受颱風傷害，之前遇到強颱又一下子吹斷好幾根風力機，沒法做主要穩定供應來源，也不可能把有限土都拿去種電（太陽能）。台灣是海島獨立電網國家，德國是聯合電網，但買的是法國的核電，日本發生核災後，也又開始恢復核電了，核能不是是非題，是選擇題，廢核是錯誤的政策，能源多元化，核率可共生，台灣將各種能源作一適當配比才是正確政策。台灣經濟發展需用電，台灣不產能源，天然氣、石油及煤皆靠進口，再生能源固然很重要且環保，但台灣面積太小，風力及太陽能發電無法滿足穩定電力需求。化石燃料的耗竭是21世紀人類文明最大的的危機，使用核能是必須的，它可延長石油及天然氣的壽命，利用這段時間人類可發展核融合替代能源。事實上除核能外，地球上其他能源都來自太陽，化石燃料是古代動植物埋藏地下轉化生成，風力是太陽能加熱造成的空氣對流，水力是大海被日光蒸發之水蒸汽降雨至高山產生水之位能。太陽能本身亦是一種核融合反應的核能，人類現在已進入太空時代，在太空中無法使用風力、水力及火力發電，只能依賴太陽能及核能，所以從科學角度來看，反核實毫無意義。