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台電核能月刊
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黃秉修(台電核發處核心組)

一、前言:

目前用做核反應爐燃料的材料包含兩種成份:一種是可裂(fissile)材料,如鈾235、鈽239和鈾233等同位素,任何速度的中子都可誘發其分裂;另一種是可孕(fertile)材料,如鈾238和釷232等同位素,可孕核種捕獲一個中子後可轉變成相對應的可分裂核種,如鈾238(可孕核種)轉變成鈽239(可分裂核種),釷232(可孕核種)轉變成鈾233(可分裂核種)。

可分裂核種吸收高速中子(或稱快中子)後誘發分裂的機率較吸收熱中子(或稱慢中子)高,且【快中子引發之分裂】可產生較【慢中子引發之分裂】更多的分裂後之快中子,利用這些分裂後之快中子,一部份再去誘發可分裂核種分裂,一部份再去誘發可孕核種變成可分裂核種;於是在快中子核反應爐中,可分裂核種一方面因分裂而消耗,另一方面卻因可孕核種捕獲中子變為可裂核種而增加,若可裂核種滋生的速度快過消耗的速度,這種反應爐就稱為「快滋生反應爐」。透過特殊核反應爐爐心設計,「快滋生反應爐」可以更有效使用鈾資源達到40~55%,而非目前普遍使用之熱中子反應爐的鈾資源使用率僅達1%左右,則全球鈾資源在假設核能能源需求量不變的情況下,可以提供2,500年的核能燃料需求。

二、國際快滋生反應爐發展沿革

快滋生反應爐已發展多年,其中以法國鳯凰號及超級鳯凰號發展最早,但因有些技術問題尚待克服,目前處於停爐狀態;日本亦有發展快滋生反應爐(常陽及文殊快滋生反應爐),雖然日本快滋生反應爐發展較慢,但其投資與研發快滋生反應爐的決心極為堅定;俄羅斯很早就發展快滋生反應爐,也是世界上最熱衷於快滋生反應爐發展之國家。世界各國發展快滋生反應爐之情況如表一所示。

法國、歐洲、俄羅斯、英國、哈薩克

法國自1973年開始運轉「鳯鳯號」快滋生反應爐,在「鳯鳯號」運轉期間,法國亦建造另一更大型之快滋生反應爐「超級鳯凰號」,其額定發電量為1200MWe,於1974年開始發電,但在1997年時因冷卻劑液態鈉洩漏與水發生化學反應爆炸,因民意與政策考量而關廠。由歐洲國家合作開發之1450 MWe等級快滋生反應爐(European FBR)計劃亦因類似因素已停止運作。

Output:

MWe

MW (thermal)

Operation

USA (美國)

EBR 1

0.2

 

1951-63(目前停止運轉)

EBR 2

20

 

1963-94(目前停止運轉)

Fermi 1

66

 

1963-72(目前停止運轉)

SEFOR

 

20

1969-72(目前停止運轉)

Fast Flux TF

 

400

1980-93(目前停止運轉)

UK (英國)

Dounreay FR

15

 

1959-77(目前停止運轉)

Protoype FR

270

 

1974-94(目前停止運轉)

France (法國)

Rapsodie

 

40

1966-82(目前停止運轉)

Phenix*

250

 

1973-(目前停止運轉)

Superphenix 1

1240

 

1985-98(目前停止運轉)

Germany (德國)

KNK 2

21

 

1977-91(目前停止運轉)

India (印度)

FBTR

 

40

1985-(目前停止運轉)

Japan (日本)

Joyo

 

140

1978-(目前停止運轉)

Monju

280

 

1994-96-(目前停止運轉)

Kazakhstan(哈薩克)

BN 350*

135

 

1972-99(目前停止運轉)

Russia (俄羅斯)

BR 5 /10

 

5 /10

1959-71, 1973-(目前停止運轉)

BOR 60

12

 

1969-(目前停止運轉)

BN 600*

560

 

1980-2010

俄羅斯於1972年協助哈薩克建造快滋生反應爐(BN-350),該型快滋生反應爐主要用於海水淡化,目前該機組已停止運轉。俄羅斯建造並運轉之快滋生反應爐(BN-600)已成功應用並發電,該型反應爐號稱是俄羅斯運轉最成功之快滋生反應爐,惟該機組計劃將於2010年因執照壽命屆滿而停止運轉。由於俄羅斯財政困難,因此希望能在國際合作下進行未來之快滋生反應爐的設計,並朝向1200MWe等級之快滋生反應進行發展。

英國在1959年,即運轉其快滋生反應爐(Dounreay),另一快滋生反應爐(Protoype FR)亦運轉達20年之久,直到英國政府停止資金資助後,才停止運轉。

日本、印度、中國

日本早在1980年代即開始建造其實驗型快滋生反應爐,並在1990年代建造完成,但也因冷卻劑液態鈉洩漏與水發生化學反應燃燒,目前已經停止運轉。日本政府於2007年選定三菱重工(Mitsubishi Heavy Industries)發展日本下一代快滋生反應爐技術(Mitsubishi FBR,MFBR),並計劃在2025年前完成新一代實驗型快滋生反應爐,2050年完成商業化運轉。

印度於1985年在法國的協助下,開始進行小型快滋生反應爐運轉。2002年印度當局決定建造500MWe等級之快滋生反應爐,並計劃於2010年開始運轉,印度並宣稱在2020年之前,將再完成至少4部快滋生反應爐。

中國大陸於1960年代在俄羅斯協助下,即開始進行快滋生反應爐之發展。在2008年,大陸宣稱其首座實驗型快滋生反應爐已進入最後安裝測試階段,並計劃於2009年達到臨界,2010年運轉發電,2015年可商轉。

美國

美國於1951年即開始運轉其實驗型之快滋生反應爐(EBR-1),至目前為止,美國曾經運轉過5部快滋生反應爐,但已經停止運轉,目前有數個新的快滋生反應爐正進行設計中。

三、快滋生反應爐發展困境

快滋生反應爐技術的開發可以延長鈾資源使用達2,500年以上,因此早在數十年前,當時美、蘇、英、法、日等核能工業較先進國家已進行快滋生反應爐之先導型研究與發展;但儘管快滋生反應有其誘人之處,卻不可諱言其複雜的設計與控制,許多技術問題尚待解決,又因為2006年以前,國際原料鈾價格長期偏低,核能產業沒有大舉研發及投資發展快滋生反應爐的迫切性,致快滋生反應爐發展緩慢,研發進度遲延了很長一段時間。但以今日觀點視之,目前世界上可作為穩定供電之能源雖然仍以化石燃料及輕水式(或重水式)核能發電為主,但考慮到地球上的有限資源、化石燃料發電產生溫室氣體效應的嚴重性,以及再生能源供電不穩定及價格昂貴,發展快滋生反應爐之優勢因此顯而易見。惟過去運轉之快滋生反應爐大都為小型實驗爐或大型展示爐(蘇俄BN-600除外),尚無實際建造過大型商轉之快滋生反應爐,但未來在世界各國的努力下,極有可能在2030年前完成首部快滋生反應爐商轉之目標。

四、第四代核能反應爐

「第四代核能發電國際論壇(Generation IV International Forum)」成員包括美國、加拿大、法國、英國、日本、南韓、巴西、阿根廷、南非、瑞士,該論壇經過兩年的研議,從一百多種核能發電技術中,挑選出六種有效、經濟、安全的反應爐系統,準備集合各國專家的研發力量,透過資訊技術合作交流,共同發展新一代的核能發電系統。該論壇選定六種反應爐選項中有四項其反應爐技術與快滋生反應爐概念有關,且其中之三種已累積初步的運轉經驗及技術,此意謂著極有可能在2030年前實現快滋生反應爐商業化運轉之目標。第四代核能發電國際論壇選定之六種核反應爐介紹如下:

1. 液態金屬鈉冷卻快滋生反應爐(圖一):(LMFBR, 由日本領導研發)

l 優點:

Ø 反應爐內無需維持高壓。

Ø 液態鈉熱焓高,反應爐功率密度高。

Ø 快滋生技術。 


圖一 液態金屬鈉冷卻快滋生反應器簡圖


l 技術瓶頸:

Ø 建造成本很高。

Ø 鈉接觸空氣會迅速氧化。

Ø 鈉接觸水、水氣會迅速燃燒或爆炸。

Ø 目前世界上液態鈉快滋生反應爐皆失敗於鈉洩漏之燃燒。

Ø 解決辦法:日本擬改用氦氣進行二次熱交換循環,但建造成本將更高。

2 .熔鹽反應爐:(MSFBR由美國領導研發)

非快滋生反應爐,不在此詳述。

3 .液態金屬鉛(鉛/鉍)快滋生反應爐(圖二):(由瑞士、日本、蘇俄領導研發)

l 優點:

Ø 冷卻液體為鉛或鉛/鉍共融液。

Ø 鉛/鉍比鈉有更小的中子吸收截面。

Ø 可設計為裝置容量1200MWe等級的大型核電廠 。

Ø 非常長的更換燃料週期。

Ø 反應爐內無需維持高壓。

Ø 液態鉛熱焓高,反應爐功率密度高。

Ø 快滋生技術。

l 技術瓶頸:

Ø 鉛融點為327℃,不容易液化,故必須刻意保持在液化狀態,且鉛蒸汽有劇毒,運轉人員的安全堪慮。

Ø 建造成本很高;鉛很重,在抗地震方面有疑慮。

Ø 鉛接觸空氣會氧化,氧化鉛化學特性改變。

 


圖二 液態金屬鉛(鉛/鉍)快滋生反應器簡圖

Ø 目前只蘇俄擁有小型液態金屬鉛(鉛/鉍)快滋生反應爐能力,已應用於核子潛艇。

4. 超臨界壓力壓水冷卻反應爐(圖三):(SWCR,由加拿大領導研發)

l 可選擇使用具有熱中子能譜反應爐的開放循環,或具有快中子能譜反應爐的封閉式循環。

l 優點:

Ø 發電熱效率可達45%,比目前輕水式反應爐(35%)高。

Ø 沒有水的双相變化,可簡化核電廠相關設備。

l 技術瓶頸:

Ø 系統迴路易受「高壓應力及輻射照射腐蝕」的困擾。

Ø 反應爐「壓力暫態事故」較目前輕水式反應爐嚴重。 


圖三 超臨界壓力壓水冷卻反應器簡圖

5. 氣冷式快滋生反應爐(圖四):(Gas-Cooled Fast Reactor, 由美國、法國領導研發)

l 優點:

Ø 出口溫度很高(>850℃),可提高發電熱效率。

Ø 可用來生產氫氣,做為氫能源。

Ø 採用焦耳-布雷頓(Joule-Brayton)循環,熱功率可高達47%。

Ø 快滋生技術。 


圖四 氣冷式快滋生反應器示意圖

l 技術瓶頸:

Ø 採用氦氣冷却方式,但氣體易洩漏。

Ø 冷卻氣體熱焓值低,需大量氣體流量進行冷卻。

l 發展現況

Ø 法國目前己發展出氣冷式快滋生反應爐實驗機組(圖五~圖八) 

圖五 法國氣冷式快滋生反應爐

6. 超高溫氣冷式反應爐:(VHTR由多國參與研發)

非快滋生反應爐,不在此詳述。

綜觀上述六種第四代核能反應爐選項,其中四項反應爐技術與快滋生反應爐先驅概念有關,無非也是看重快滋生反應爐之特點:可大幅提升核燃料使用效率,延長核燃料使用壽命以及減少核廢料。


圖六 法國氣冷式快滋生反應爐燃料示意圖 


圖七 法國氣冷式快滋生反應爐圍阻體佈置示意圖

五、結語

美國能源部(DOE)於2006年推動"全球核能夥伴"(GNEP),希望發展「先進的核燃料閉路循環+快中子反應爐」做為核能後端的解決方案,同時發展用過核燃料再循環技術,減少核廢料數量,提高核能利用價值。根據GNEP構想,延續原有的核能技術,配合開發進步型快中子核反應爐,達到核燃料永續再循環之最終目標。全世界快滋生反應爐除蘇俄BN-600型外,目前尚無大型商業化之快滋生反應爐運轉中,過去已建造之快滋生反應爐主要仍以實驗或展示為目的,因此目前無法獲得大型商業化快滋生反應爐之建造成本數據,亦無大型商業化機組之運轉經驗及相關安全評估報告(Safety Analysis Report)可供參考,故無法進一步評估其實際之風險係數;但目前新的核能法規皆要求任何新反應爐設計其爐心熔毀率需小於百萬分之一,預估第四代核反應爐設計,其爐心熔毀率約介於千萬分之一至億分之一之間。


圖八 法國氣冷式快滋生反應爐實驗設備

一直以來,核燃料單位電力成本相對於核能發電單位電力成本所佔比例甚小(約佔6~16%左右),因此各核能工業先進國家並不迫切於發展快滋生反應爐,但考量未來能源資源有限,且降低二氧化碳排放的議題必須儘速解決,因此核能工業先進國家已加快快滋生反應爐的技術開發,依據目前核能工業先進國家合作開發第四代核反應爐之技術思維,快滋生反應爐預定在2020年左右完成第四代反應爐之商業化原型機組(prototype),並於2030~2040年達成商業化運轉之目標。

參考資料:

1. World Nuclear Association (WNA)網站資料。

2. 法國原子能委員會(cea)第四代氣冷式反應爐資料

 

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