【科技.未來】新型核反應爐 可以小取勝?

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在日本福島核事故後,即使核電有近乎零排放的優點,不少國家都對之重新評估甚至擱置。知名引擎生產商勞斯萊斯(Rolls-Royce)卻在近日透露,已獲英國政府資助,將於十年內興建十多個小型模組核反應堆(small modular reactor,SMR)。研發SMR的公司聲稱它可以避免過往的核災難發生,並大大降低成本。到底SMR如何有別於傳統核反應堆?而這些承諾又是否真的能夠兌現,令核能成為未來能源主力?

勞斯萊斯將在2029年前於英國興建10至15個SMR。(Rolls-Royce)

勞斯萊斯財團在1月中向英國廣播公司(BBC)透露,將在2029年前於英國興建10至15個SMR。它正計劃在英國坎布里亞郡(Cumbria)和威爾斯(Wales)一些工廠,甚或可能是已關閉的大型核電廠的遺址興建SMR。

每個SMR都小至可放在大型拖車尾部來運輸,建成後每個佔地面積約1.5英畝,將設置於約10英畝的核電站內,這相當於大型電站如欣克利角C核電站(Hinkley Point C)面積的十六分之一。勞斯萊斯聲稱每個SMR將可運作六十年,並提供440兆瓦(MW)功率的電力,足以供電予卡迪夫(Cardiff)、斯旺西(Swansea)和紐波特(Newport)。至今,勞斯萊斯已從英國政府取得1,800萬英鎊,並正要求再增資兩億英鎊。

(香港01製圖)

縮小體積降低風險

通常,SMR產生電力的功率介乎50兆瓦至400兆瓦,而一般核電站的功率則在1,000兆瓦上下。美國的NuScale是比勞斯萊斯走得更快的SMR技術研發公司,它設計了一個720兆瓦的項目,將由12個核反應堆組成,足以為540,000戶家庭供電。它使用的是輕水(light water)反應堆,是商業核電廠中最常見的類別。NuScale的SMR只有23米高,可以在傳統大小的安全殼中放置多達125個。但NuScale聯合創辦人兼技術總監Jose Reyes指出,無法單憑大小取勝:「如果只是縮小大型反應堆的規模,那我毫無疑問會輸。」他說SMR最大的好處是安全。

一般核反應堆內的堆芯矗着一支支燃料棒,並利用會自發分裂的鈾同位素,釋放能量和中子,引發稱為裂變的連鎖反應。反應產生的熱力把水加熱,推動蒸汽渦輪機來發電。傳統的核反應堆若失去冷卻用水,裂變可能增加、失控,甚至引起爆炸,就像1986年烏克蘭切爾諾貝爾事件。即使能關掉核反應堆,裂變的放射性衰變所產生的高熱也可令堆芯熔毀,日本福島第一核電站就是核反應堆已關閉,但海嘯破壞了泵水的發電機,堆芯無法降溫而釀成災難。

Nuscale的SMR設有氣閥,可在緊急情況時打開降壓,排出的氣體在安全殼上凝結後可回頭為堆芯降溫。(Nuscale影片截圖)

NuScale試圖以一些設計改動來降低這些風險。首先,即使發生事故,較小的堆芯所產生的衰變熱力少得多。其次,它的核反應堆系統是整合一體的,亦即燃料、蒸汽和發電機都集中在同一個容器內。Reyes解釋:「這可減少發生事故的風險,因為較少可以破裂的喉管道。」它們還利用堆芯的熱力來推動冷卻劑流動,因而無需使用冷卻劑泵和可能故障失靈的的活動部件。工程師Eric Young解釋:「如果它根本不存在的話,自然就不會破裂。」

此外,NuScale在核反應堆建造了洩壓閥,當失去能源時,它們會釋放蒸汽,凝結和再循環後就可提供冷卻功能。新的核反應堆外殼也提供了進一步的保護。傳統的核反應堆會置於直徑40米的鋼筋水泥安全殼內。每個三米闊的NuScale核反應堆,都會裝嵌在獨立的4.6米闊鋼製安全殼內,再共同浸在一個大水池中。直徑大幅減少令可承受壓力大增15倍。

一些業者聲稱,SMR比傳統大型核型廠安全,可避免嚴重切爾諾貝爾事故、福島第一核電廠事故(圖)等嚴重核災難。(美聯社)

這樣,在正常運作下,反應堆和安全殼之間的空間像保溫瓶般保持真空,以隔離堆芯並容許它加熱。但若反應堆過熱,安全閥會突然打開,將蒸汽和水釋放到真空空間,繼而將熱量傳遞到水池中。Reyes聲稱,這些被動式的功能幾乎可在所有可能發生的事故中,仍保持堆芯完整,因為當無需用泵,「即使在最壞的情況下,我們失去所有場外電力,核反應堆仍可安全地自動關閉,並無限期保持冷卻。這是商用核電的首次。」工程營運主管Ross Snuggerud則較保守:「沒有負責任的工程師會說『永遠』,但我們已經做了很多正確的事情來確保堆芯完整。」

NuScale已投資超過九億美元到SMR技術,其中獲美國能源部投資了3.17億美元。它現正開發一個完整規模的原型,聲稱有望在兩年內動工興建第一座核電站—位於愛達荷州、720兆瓦功率的公用事業項目。美國核能監管委員會(NRC)剛剛完成了對它的第四階段審查,這也是NRC審查的第一個SMR許可證照,NuScale預計在今年底取得最終批核,而Reyes則寄望2027年反應堆可投入運作。

當氣候危機愈趨迫切,對一些能源專家或政府來說,要全球電力脫碳就不能少了核能。國際原子能機構(IAEA)總幹事Rafael Mariano Grossi就主張:「核能必須要能佔一席位。擔心氣候變化卻同時拋棄一種乾淨、低碳排放的能源,例如核能,是不合邏輯和不科學的。」

業者和能源專家主張,SMR可彌補不穩定的風能、太陽能等可再生能源,有助一些國家實現能源自主。(Getty Images)

小巧靈活兼便宜

何況核能比起風能、太陽能之類的供應較為穩定。愛沙尼亞已為此準備,當地能源公司Fermi Energia OU挑選了四種不同的SMR技術來研究,預計最早的商業SMR發電可於2026年至2028年間投入運營,而愛沙尼亞的首個SMR核電廠就可望在下一個十年內落成。公司創辦人及行政總裁Kalev Kallemets認為SMR值得等待。隨着北部和西部鄰國如德國、丹麥和瑞典都用風力和太陽能取代火力發電廠,波羅的海的電力可能會變得更加依賴天氣。而SMR就旨在確保在太陽照射或空氣流動不足時的電源。因為若建設天然氣廠會令國家依賴俄羅斯的燃料,而且在從歐洲其他國家進口受限又無風的冬季日子,風力發電機無法彌補能源需求:「最大的挑戰是讓人們認識到氣候變化是真實的,並且沒有像風能般的簡單解決辦法。當從俄羅斯和白俄羅斯的進口中斷時,就代表該系統有一重大風險,無法在所有天氣條件下提供電能。」Kallemets說。

雖然如此,在仍歷歷在目的核電廠事故之外,合適的興建場地難找,建造需時,都是傳統大型核電廠的問題。在美國,核電約佔所有潔淨電力的七成,但現有的反應堆正快速接近其監管壽命的盡頭。當地現時只有兩座新的核反應堆在建設中,但超支數以十億美元計,而落後進度數以年計。又正如在前美國總統奧巴馬任內擔任能源部長的莫尼茲(Ernest Moniz)所說:「在喬治亞州建造的Vogtle核電廠反應堆是龐大的項目,現場有數以千計工人。建立這數量的勞動團隊並不是那麼容易。」

業者聲稱,SMR可預先在工廠生產再到現場組裝,可小至以拖車運輸,大大減輕建造成本。(Nuscale)

採用SMR或有望改善核電這些老問題。例如勞斯萊斯技術總監Paul Stein聲稱,它背後的物理原理與大型核電廠項目完全相同,成本卻可降至很低。他解釋,SMR體積較小,可大規模生產而毋須完全在在選址上興建,運輸更容易,可加快興建時間,產生的電力也更便宜:「竅妙在於使用我們先進的數碼焊接方法和機器人組裝預製零件,然後將它們運到建造現場再組裝。」這樣核電廠也可較靠近城市中心興建,減省傳輸成本。核能研究所(NEI)新反應堆高級主任Marc Nichol補充:「透過簡化並縮小這些機器,可以提高它們的安全性,從而在設計時可排除一些潛在事故以及應急設備。」

反應堆縮小後,核電廠也可變得更為靈活。可以將幾個SMR單元組合成一個網絡,並根據它們所服務社區的需求規模來建造。它們的輸出功率也可以在開始營運後,視乎消費者的需求或從其他來源產生的電能多寡來調整。「SMR可以設計成以非常靈活和更具成本效益的方式,按照需求來增加和降低規模,以更精準地地銜接這種將包括可再生能源以及其他供應來源的新興電力系統。」經濟合作暨發展組織(OECD)轄下的核能署(NEA)總幹事William Magwood IV說。

除了較安全和相對低成本,SMR應用也比傳統核電廠靈活,或可開拓新市場,吸引了多國政府及公司研發。圖為GE日立的BWRX-300 SMR。(GE)

難怪芝加哥大學物理學家Robert Rosner看好SMR:「有潛力改變核能的經濟效益。」也因此在勞斯萊斯和NuScale以外,其實一些國家早已在部署SMR研發。俄羅斯政府早於2010年推出了在北冰洋漂浮的70兆瓦核反應堆「羅蒙諾索夫院士」(Akademik Lomonosov)。國企中國核工業集團(CNNC)在去年7月也宣布,已開始在海南島建設第一個SMR項目,作為實現核能多樣化計劃的一部份,並會用作「驗證小型核電站設計、製造、建造和運行技術,積累寶貴經驗,在未來能源市場上作為其他能源以及大型核電站的有力補充,逐步開闢小型反應堆的商用市場」。加拿大安大略省(Ontario)、新百斯域省(New Brunswick)和薩斯克其萬省(Saskatchewan)已簽署備忘錄,研究SMR開發和部署;英國的勞斯萊斯財團正在開發一個440兆瓦的SMR。

同樣由國家控制的法國電力公司(EDF)及法國原子能和替代能源委員會(CEA),正與美國核反應堆製造商西屋公司(Westinghouse)磋商開發SMR。日立則在去年10月表示,波蘭富豪索羅沃(Michal Solowow)擁有的歐洲第二大合成橡膠生產商Synthos已同意與GE日立核能合作開發SMR技術。索羅沃認為:「利用SMR產生潔淨能源,將提升我們脫離煤炭的機會,並對我們的工業和國家有積極影響。」

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上文節錄自第205期《香港01》周報(2020年3月16日)《以小取勝 抗衡氣候危機 新型核反應堆發電將成主流?》。

更多周報文章︰【01周報專頁】

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