微型核反應堆前景

一、什麼是微型反應堆？ 

   微反應堆是體積非常緊湊的核反應器，小到可以用卡車運輸，有助於解決許多領域的能源挑戰。美國等國家正在開發一些微反應堆設計，可能會在未來十年內推出。微反應堆有三個主要特徵(1)工廠製造：微反應堆的所有組件都在工廠完全組裝並運往現場。這消除了大規模建設的困難，降低了成本，並能使反應堆快速啟動運轉。(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)自調整：簡單且反應迅速的設計概念將允許微反應器進行自調整。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。微反應堆的設計雖不同，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。微反應堆有更長的核心壽命，可在不換燃料下運轉10年，可與可再生能源無縫連結，可用於緊急恢復受自然災害襲擊地區的電力。美國能源部支持各種先進微反應堆設計，包括氣體、液態金屬、熔鹽和熱管冷卻概念。 

   微型反應堆雖然小，但發電量可達20MW，可以在偏遠地區提供零碳電力或補充電網恢復，在偏遠高速公路上，可為長途電動卡車充電。改進的中子“慢化”可以使用低濃縮鈾燃料難將其武器化，微反應堆可以部署在能源短缺的地區或應付突發斷電。美國德州在2021年2月發生一場冬季大風暴，導致數百萬人失去電力和電熱暖氣，若有微反應堆就可避免災情。美國能源部Argonne國家實驗室正在制定策略以使微反應堆可商業化。核反應堆需要冷卻，Argonne開發了多功能傳熱模塊，通過熱管從反應堆中帶走熱量——無需泵送功率。Argonne 與 HolosGen的合作重點是高溫氣冷微型反應堆，該反應堆設計用於裝入標準的 40 英尺集裝箱，氦氣可以很好地將熱量從反應堆中帶走，微反應器兼具可靠性和操作靈活性，這是其他小型發電系統無法比擬的。對這些非常小的反應堆重新產生興趣的原因有很多，包括需要在偏遠地區、部署的軍事設施以及從自然災害中恢復的地區小規模發電。微反應器標籤標誌美國國防部正在追求這一概念，因為其軍事行動變得更加能源密集，並且需要便攜式、高密度電源。美國偏遠的農村社區，其中許多使用柴油機或卡車來運行發電機，正在考慮使用微反應器，因為它們可以就地發電。它們作為工業過程熱源的潛在用途為海水淡化、制氫和其他行業的零碳能源開闢了潛在的新市場。 

二、各國發展微反應堆概況 

(一 )中國

   中國大陸開發微型核反應堆技術的目的(1)解決偏遠地區能源短缺問題。(2)解決碳排放和環保問題，特別適合為邊疆、海島和偏遠山區、農村、工業基地、廠礦企業、大型項目建設工地等等提供供暖、供電保障。(3)軍事用途：為軍事基地和設施、邊疆海島軍事基地和軍事設施提供能源保障（特別是中印邊境地區我軍的軍事用途），為定向能等高能耗武器提供能源保障，為火箭軍陣地特別是移動陣地、防空飛彈陣地、戰時通信指揮中心等提供電力保障。中國大陸自上世紀七十年代末就開始了微型堆的研究。目前是世界上唯一完全掌握微型堆研究建造技術的國家。1984年3月，由中科院原子能院自主設計建造的第一個微堆建成並投入滿功率運行。1985年開始商用微堆的定型設計，主要供大學、研究機構教學用。2016年10月4日央視報導，中國鉛基快中子反應堆研發工作取得重大突破，鉛基反應堆核心技術實現了自主化，並躋身到了世界領先水平。沿用此項技術，未來還將率先推出只有貨櫃大小的迷你型核電源裝置「核電寶」。經專家鑑定，由中科院核能安全技術研究所設計研發的世界規模最大、功能最全的「鉛基堆冷卻劑技術綜合實驗迴路」和「鉛基堆冷卻劑氧測控技術」，實驗能力和運行參數達到國際領先水平，實現了核心技術自主化。 

    2019年10月中國核能集團和原子能院共同研製出第一座以鉛鉍合金作為主要材料的反應堆——「啟明星3號」。其預期目標是為軍用的坦克、裝甲車等大型武器裝備提供動能，以及開發民用汽車核電池、戶外活動核電池、日常家用核電池等更為廣泛的商業化應用。專家認為如果進展順利，在2025年就可以實現這一短期目標。2021年10月中國大陸在甘肅成功建成了世界首個釷基熔鹽微型反應堆，功率2MW。釷的放射性比傳統反應堆使用的鈾235小，半衰期也短，反應速度更慢，發生嚴重事故的機率更低，而且它在反應後產生的核廢料放射性也更小，半衰期更短處理，安全性也更高，因此釷反應堆天然具備安全性優勢。這些優勢為核反應堆的微型化、便捷化建設提供了可能，為更為廣泛的民用領域裡的開發提供了極大方便。 

(二)俄羅斯

2021年11月4日，俄羅斯國家原子能公司（Rosatom）外公司市場部門負責人在小型堆和先進堆開發網絡研討會上表示，俄羅斯計劃2024年底完成Shelf M微堆(10 MWe)技術設計。該微堆項目是Rosatom小型堆開發計劃的“關鍵方向”之一。國際原子能機構(IAEA)反應堆數據顯示，由Rosatom旗下俄羅斯國家動力工程研究所研發的Shelf反應堆採用水冷、水慢化一體化反應堆設計。Rosatom首座陸基RITM-200N反應堆將於2028年在雅庫特共和國部署。2022年1月20日，俄羅斯國家原子能公司第一副首席執行官科馬羅夫表示，該公司正在開展Shelf-M微堆項目研究。科馬羅夫稱，該微堆裝機容量約為6萬千瓦，使用壽期約為60年，換料週期約為8年。這種反應堆具有很好的應用前景，維護簡單，在工廠完成組裝，運輸快捷。據2021年11月相關報導，俄原集團計劃2024年底完成Shelf-M微堆技術設計。該微堆項目是俄原集團小型堆開發計劃“關鍵方向”之中的一個計劃。國際原子能機構(IAEA)反應堆數據顯示，由俄原集團旗下俄羅斯國家動力工程研究所(Nikiet)研發的Shelf反應堆將採用水冷、水慢化一體化反應堆設計。 

(三)美國

   自上世紀60年代，美國就開始了微型核反應堆的技術研發和應用，主要為軍事目的，川普政府開始重視該項技術的軍民兩用開發。2021年1月，根據川普政府發布的行政指令，美國防部將加快研發並生產軍用微型核反應堆，以挖掘核能潛力、豐富能源供給，提升美軍在全球各作戰領域的軍事行動效能。美國的軍事目的有(1)為美軍基地或軍事設施提供電力，特別是要為戰時電網癱瘓時確保基地和設施的電能供應。(2)依靠微型核反應堆的可移動性，可快速部署至海外基地，支撐美軍遠距離作戰任務。(3)為特定武器裝備提供電力，如大型定向能武器，具備反衛星作戰潛力。(4)可用於艦載和空基平台，提供多領域的通用能源。美國太空開發的目的是利用核動力系統替代傳統化學燃料，為太空飛行器在太陽能不足或遠離地球太遠的情況下提供電力保障。還可大幅減少傳統化學燃料重量過大的問題，增加航空太空飛行器的有效載荷，並探索為美軍太空武器提供可靠的能源供應。2020年12月美國政府頒布《太空政策指令6號》，要求相關部門加緊太空核能科學研發，為人類在月球與火星上建立居住地提供能源，為太空飛船等太空飛行器提供動力。2021年3月美國國防部授予了美國BWXT先進技術公司和X-energy公司兩份合同，以研發一種機動式的先進微型核反應堆原型。該反應堆原型將被設計為在滿功率下能至少運行3年，提供1至5兆瓦的電力。為能實現快速運輸和部署使用，它將被設計為能在交付的3天時間內投入運行，並能在7天時間內安全地撤離。美聯社2021年10月21日報導，美國空軍已選擇在阿拉斯加州內陸的一個基地部署其第一座微型核反應堆，計劃在2027年之前完成該項目。美國能源部的微反應器應用研究驗證和評估(MARVEL) 反應器的全尺寸電加熱原型已在愛達荷國家實驗室(INL) 建造。 

   美國能源部發展多種微型堆(1)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。美國西屋公司分別與加拿大薩斯喀徹溫省和美國賓夕法尼亞州簽署了推廣eVinci微堆的協議。2022年5月18日，西屋電氣加拿大分公司與加拿大薩斯喀徹溫省研究委員會(SRC)簽署了一份諒解備忘錄，雙方將在薩省聯合開發eVinci微堆。(2)BWXT先進核反應堆: 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。美國防部選擇BWXT公司建造其第一座先進微型反應堆。(3) Oklo微型核反應堆:核電能帶來龐大穩定的電力，但核廢料的處理也是必須，中國大陸的啟明星系列反應堆就是解決核廢料的方法，美國的Oklo微型核反應堆也可利用核廢料運轉。 

(四)其他國家

    日經報導稱，日本三菱重工 (MHI) 正在推進其在未來十年開發商業化核微型反應堆的計劃，這些反應堆小到可以用卡車運送。微型反應器高 3 米，寬 4 米，重量不到 40 噸。反應堆和發電設備將安裝在一個標準的 40 英尺集裝箱內。該微型反應器的最大電力輸出為0.5MW。可以組合多個微反應器單元以提供更大的總功率輸出。一旦獲得日本和其他政府的批准，三菱計劃最快在 2030 年代將該技術商業化。該微型反應堆基於全固態堆芯概念，採用高導熱石墨基材料，無需液體冷卻劑即可從堆芯帶走熱量。核反應堆堆芯和所有其他設備將裝在密封的膠囊容器中。MHI 計劃從 2023年到 2025年進行模擬測試，以驗證冷卻功能。在這些測試之後，計劃從 2026 年到 2030 年進行原型測試，以驗證微反應堆的各種特性，例如長期運行、啟動/關閉和安全系統功能，包括被動關閉和遏制。高濃縮鈾將用作燃料，在其大約 25 年的整個運營期間不需要更換。一旦燃料耗盡，就可以回收整個微反應器。由於反應堆需要最少的維護，它們可以安裝在地下以減少自然災害和恐怖主義的風險。每個微型反應器預計將耗資數千萬美元。  另外，瑞典也研發名為leadcold微型反應堆，功率為3MW。英國、荷蘭、德國也研發名為Urenco U-battery 的微型反應堆，功率為10MW。 

三、台灣廢核是錯誤政策影響科技發展 

     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。兆瓦級微型反應堆可以車載，運輸方便。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，太陽能及風力靠天吃飯，無法提供穩定電力來源，也不可能把有限土地都拿去種電（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，廢核是錯誤的政策，能源應該多元化，核綠可共生，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，微型反應堆運輸方便，除可緊急解決突發斷電外，更可供特殊軍民用途。