【科技.未來】蓋茨押注第四代核電:碳排放必須歸零

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在核電不算長的發展歷程中,有幾個重大事件深鑿於我們的文化記憶當中,先是美國三哩島核電廠爐芯熔毀,然後是前蘇聯切爾諾貝爾的核反應堆爆炸,較近期的則是發生在日本福島核電廠的災難。核災引起的恐慌,令不少國家和地區紛紛引以為戒,或暫停核電廠運作重新進行安全評估,或乾脆放棄核電。儘管各國的核電發展一度因福島核災及反核運動而陷入停滯,甚至倒退,不少業界人士仍前仆後繼,投身於新一代核技術的研發,當中便包括微軟創辦人蓋茨(Bill Gates)。

本月初(11月5日),蓋茨以泰拉能源(TerraPower)董事會主席的頭銜出席在上海舉行的「虹橋國際經貿論壇——貿易與創新平行論壇」。他在講話中解釋了這家公司的目標:「我相信核電的光明未來,但我們必須要解決成本、核廢料和安全等問題,這就是泰拉能源的使命,行波反應堆(Travelling Wave Reactor,簡稱『行波堆』)能解決上述問題。」

作為世界上最富有的人之一,蓋茨曾表示自己有三個理想:一是每個人都有一台裝有Windows系統的電腦;二是消滅愛滋病、結核病和瘧疾,讓每個人都享有平等的醫療機會;三是讓窮人能夠用上清潔能源轉化而成的電能。2006年,在評估過所有已在理論上被研究和討論過的核反應堆類型之後,蓋茨和他的團隊選擇了行波堆,並正式創立泰拉能源,專注於行波堆技術的商業化研發,蓋茨本人亦親自擔任該公司董事會主席至今。他在2013年接受《中國核工業》雜誌採訪時表示,泰拉能源的存在是為了解決核能長期以來成本較高、鈾燃料難以獲得,以及核武器擴散等問題,並希望為如何處置使用過的核燃料指出一條明路。

11月5日,泰拉能源主席比爾·蓋茨出席上海「虹橋國際經貿論壇」。(資料圖片/視覺中國)

安全可靠可持續

作為新一代的核反應堆技術,行波堆確實為極速增長的全球能源需求許下美好的願景。然而,在現役的核電站中,主要採用的仍是第二、第三代的核反應堆技術。目前,世界各地最常見的核反應堆分別有壓水式反應堆(Pressurized Water Reactor)、沸水式反應堆(Boiling Water Reactor)及壓力重水式反應堆(Pressurized Heavy-Water Reactor)等。其中,壓水式反應堆佔據了大壁江山,全世界約有六成核電站使用壓水式反應堆,當中包括位於美國、法國、日本、俄羅斯及中國的核電站。

大亞灣核電站擁有兩台百萬千瓦級壓水堆機組,所生產電力70%供應香港,30%供應廣東。該核電站的反應堆採用多重安全設計,每個反應堆設有三重獨立保護屏障,即燃料棒包殼、反應堆壓力殼和廠房安全殼,防止放射性物質因意外而泄漏。(資料圖片/視覺中國)

雖說所有核反應堆都是以核裂變(nuclear fission)作為發電原理,但設計卻各有不同。回顧核能的發展歷程,核反應堆技術的推陳出新大致能夠分為四個階段。

1951年,全球首座發電用的核反應堆在美國愛達荷州(Idaho)啟用,象徵着第一代原型堆(Prototype Reactor)正式面世,核電自此在英美兩國迅速發展。第二代反應堆大部分修建於上世紀六十年代至九十年代初,此種反應堆主要採用了「能動安全系統」,即是安全系統需由人手啟動,以指令來進行機電操作,目前世界上商業運行的400多台機組大部分屬於此種類型。第三代反應堆於九十年代中期開發(即三哩島和切爾諾貝爾核事故之後),設計上較之前明顯有所改進,採用了更好的燃料技術和非能動安全系統,一旦發生事故,反應堆毋須操作人員干預就能自動關閉(即負反饋機制),故發生嚴重事故的概率比第二代核電機組小100倍以上。

核電到了第三代,反應堆從設計上來說已經非常安全,所以在研發第四代反應堆的時候,科學家就開始考慮如何提高核燃料的使用率了。

2018年6月29日,中國廣核集團台山核電1號機組首次併網發電成功,該機組由此也成為全球首台併網發電的EPR三代核電機組。(資料圖片/視覺中國)

在釐定何謂第四代核電技術這件事上,一個名為「第四代核能論壇」(The Generation IV International Forum, GIF)的組織扮演了關鍵角色。該論壇由美國能源部於2000年1月牽頭發起,並就開發第四代核電的國際合作問題進行了討論。根據GIF的定義,第四代核能系統必須具備四個重要特徵:一,核能的可持續利用:通過有效利用核燃料,實現核廢料最少化;二,經濟性:發電成本優於其他能源;三,安全與可靠:大幅度降低堆芯熔融的概率,並具有快速恢復反應堆運行的能力,減省在廠址外採取應急措施的必要性;四,防擴散與實物保護:保證難以用於核武器或被盜用。

兩年後,GIF在東京召開,與會的十個國家在94個反應堆類型中,挑選出超高溫堆(Very High Temperature Reactor)、超臨界水堆(Supercritical Water Reactor)、氣冷式快堆(Gas-cooled Fast Reactor)、鈉冷式快堆(Sodium-cooled Fast Reactor)、鉛冷式快堆(Lead-cooled Fast Reactor),以及熔鹽堆(Molten Salt Reactor)六種反應堆類型作為未來的主力發展方向。

2017年4月29日,由中國核能行業協會主辦的第十二屆中國國際核電工業展覽會在中國國際展覽中心舉行。圖為參觀者觀看上海電氣展出的四代核電發展歷程的展覽。(資料圖片/視覺中國)

讓碳排放量歸零

此後,核電一度被寄予厚望,迎來了所謂的「核能復興」(nuclear renaissance)時期。核能發展迎來高潮,一方面是源於對技術進步的樂觀,另一方面是因為千禧年初化石燃料價格上漲,以及各地逐步加強對溫室氣體排放的限制。

對蓋茨及泰拉能源來說,他們未必同意核能正在復興。然而,他們的行動表明,核能必須復興。在2010年的一場TED Talk演講中,蓋茨向觀眾闡釋了二氧化碳總量必須「至零方休」的必要性。他在演講中羅列了一個公式:

CO₂=P×S×E×C

公式中的P代表人口,S代表服務,E代表效能,C則是單位能源排放的二氧化碳量。蓋茨解釋,在這個公式中,P和S在未來都會持續增長,E的降低意味着效能的提升,效能提升變相會降低二氧化碳排放,但這不會有太大突破,所以唯一能讓等號左邊歸零的便是C為零,即單位能源的碳排放為零。

問題是,有什麼辦法能讓C歸零呢?蓋茨給出的答案是「能源奇蹟」,他押注五個方向,分別是碳捕捉及儲存、核能、風能、太陽能光伏及太陽熱能,「我們需要數以百計的公司投入到這五項能源技術的研發當中。」而蓋茨選擇的是核能這個方向,或者更準確地說,是行波堆。

用貧鈾及核廢料作燃料

相較於現時常見的輕水反應堆(Light Water Reactor),行波堆的優點顯而易見。輕水堆主要是進行鈾-235的鏈式反應,因為鈾-235是易裂變核素,很容易產生裂變。但在鈾的天然同位素裏,鈾-235的濃度僅為0.7%,其餘則為鈾-238,而鈾-238只在被中子能量較大的高速中子轟擊時才會裂變,所以鏈式反應所依靠的是鈾-235。換言之,天然鈾在多數情況下是無法發生鏈式反應的,它需要被「提純」才能使用,而每「提純」一噸核燃料就需要將近七噸天然鈾。

資料來源:TerraPower

行波堆的優點正在於它可以直接用鈾-238作燃料,「藉由現代超級電腦模擬裂變反應的過程,你會發現這是可行的,只要改進材料的方法正確,它便能成功運行。」蓋茨在演講中說。他向觀眾展示了一張肯塔基州帕度加氣體擴散廠(Paducah Gaseous Diffusion Plant)的照片,那是一個經營鈾濃縮的設施,圖中偌大的空地上擺滿了貧鈾,也就是從天然鈾中分離出來的鈾-238,即被剩下的99%。蓋茨指着圖片說:「這些被剩下的貧鈾足以為全美國供電數百年。」

除此之外,行波堆還可以將現有核電廠產生的核廢料作為燃料,這無疑大大降低了成本。「現有反應堆產生的麻煩和廢物卻成為我們的原料,那些堆在反應堆旁的乾式貯存桶和冷卻池裏的廢物正正是我們起步的燃料。這大大減少了核廢料。」蓋茨還提到,現有的反應堆皆需要人手不斷地添加燃料,出問題的機率頗大,一點都不保險。行波堆可以省卻這些麻煩,它的設計屬於封閉式燃料循環,當一切準備就緒,啟動後便可以直接燃燒到反應堆退役。

擬建行波堆核電站效果圖。(資料圖片/TerraPower)

2010年,蓋茨在他那場以「能源和氣候」為主題的演說中表示,他希望能夠先建成一個前期試驗性的反應堆,「一旦建成第一座,它便成了一個活廣告」,讓大眾能夠基於「經濟學和能量密度」等考量,慢慢明白泰拉能源的行波堆與現時理解的核能大不相同。時隔七年,泰拉能源與中國核工業集團公司達成合作協議,成立一家合資企業,共同開發行波堆技術。第一座行波堆究竟將於何時落地,請詳見另文《安全可靠可持續 行波堆將落地中國 可否締造能源奇跡?》

上文節錄自第139期《香港01》周報(2018年11月26日)《 蓋茨投身研發 助抗暖化 行波堆技術復興核能?》。

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