陳建源

行政院原子能委員會核能技術處處長

 

在目前世界能源價格不斷攀升及面臨全球氣候暖化而必須面對減碳的挑戰時空下，人類的文明如果要永續發展下去，必須取得環境、社會及經濟三個構面的最佳化交集，因此尋求和發展增加利用低碳的核能系統變成是一個必須的選擇。相較於傳統之核能系統，新一代的核能系統設計者主要的訴求就是獲得比傳統核能電廠和替代能源系統更優異的營運績效，以及更安全、更可靠及更創新的概念設計。它們努力的方向包括(一)中短程方面係將現有核能系統運轉、維護等方面經驗回饋並作演進式的設計改進。(二)長程方面的改良係以創新概念為主。目前興建中之進步型沸水式反應器(ABWR)和改良式壓水式反應器(EPR)即為改良演進式的代表。而下一代核能系統通稱為第四代反應器，將具備更高的創新技術和安全性，預估將可在2020年至2030年達到商業化運轉。

 

對於設計研發者而言，它所致力於進步型核能系統精進之主要訴求就是達成比目前傳統式核能電廠和替代能源系統更優異的營運績效。它們努力的策略從架構上可分成(一)短程和中程方面的改良是採取演進式(二)長期方面則係以創新概念為主。

目前已在興建中之進步型沸水式反應器(ABWR)和改良式壓水式反應器(EPR)即為改良演進式的典型代表。它們的特性主要是改良其安全性和經濟性指標，但其強化安全特性及燃料績效亦可提供其在環境和社會指標之優越性，例如降低核燃料之使用量和核廢料產生之體積。

而下一代的核能系統即通常稱為第四代(GEN Ⅳ)反應器，它具備更高的創新技術和廣泛的研發目標的產物。它的研發期程和商轉時間將花費20年以上，將可能在未來2020年至2030年間達到商業利用。

 

 

所謂第三代(或第三代plus)核能系統係指在1990年代時依據當時核能發電之技術和運轉經驗所改良演進發展而來之新型反應器系統。它是依據既有技術改良(主要是演進中之設計特性，並擷取創新和正研發進展中之技術優點)而發展形成。它包括下列幾項特徵：

(一)被動式安全設計：系統不需要主動控制或人為干預，以防止在系統功能失靈時發生嚴重核子事故。它所採行之事故預防措施是依據重力、自然循環、電力或實體阻絕或實體溫度限值等。其所具有之固有安全特性使臨界事故在實務上幾乎不可能發生。

(二)爐心熔毀機率和放射性外釋至環境之機率將大幅降低：分別為10 /反應器年和10 /反應器年。其多重圍阻體和屏障設計將可確保對環境的衝擊負荷達到最小。而其可靠性則經由安全系統設計採行多重性、多樣性和空間之實體分離而達成。

(三)經由經驗回饋提升經濟效益：核能競爭力最重要的指標參數就是降低建廠成本，它可經由標準化、改進施工方式(如採行模組化施工法和製造廠先期組裝)達成。這些措施可以縮短工期而降低建廠期間利息的支出。而更簡化的設計可以降低運轉和維護的成本。而較高效率的燃料利用更可改善營運績效和資源的效能管理。

(四)降低核燃料之使用量和放射性廢料體積方面：係透過提升整廠之熱效率和核燃料之高燃耗和精進核燃料循環的特性。此方面之研發技術發展和工業製程的改良，均對於廢料減容階段的每一步驟均有其具體貢獻。

有關第三代(或第三代plus)核能系統所涵蓋的這些演進式特性早已呈現在運轉中(例如日本)或在建造中(如歐洲)之機組中。最接近的一個LWR代表機組就是EPR(歐洲壓水式反應器)它正在芬蘭建造中(即OLKiLuoto三號機)。EPR型反應器係依據標準化的法國核電廠和德國之核電廠經過更精進的技術驗證發展而成。緊急應變計劃區之大量放射性外釋之發生機率，已極限化的降低到核能電廠附近範圍之緊急應變措施幾乎可以不必考慮訂定。

 

對於下一世代的核能系統有很多國家正投入研發，但目前國際間大多採行雙邊或多邊國際研究合作的方式，例如國際創新核能反應器和燃料循環計畫(INPRO)和第四代國際論壇(GIF)即為兩個國際新核能系統合作研究的例子。(見註1)

第四代核能系統在中程和長程研發之焦點是資源的永續性、經濟性、安全和可靠性，防止核子擴散技術和實體安全防護等項。當然第四代的核能系統亦應符合清潔空氣(符合潔淨能源)的目的及提升核燃料更有效利用。核廢料最少化之爭議和對未來世代長期監測的負擔之降低等當然亦需涵蓋。系統的最終目標是要具備較其他種類能源具有明顯的生命期成本優勢，即以一種可量化水準比較的財務風險優勢。此外，更應符合在安全性和可靠性具備卓越特性，爐心熔毀事故下重大放射性物質外釋至環境的機率非常低，因此巨幅而顯著的降低廠外緊急應變的必然性和必要性。最後一點是，第四代反應器的目標是具體提升防止核子擴散和精進實體防護的設計。下表為第四代核能系統之設計目標。

能源永續性	1. 符合淨能目標和提升長期系統可用性與核燃料利用之有效性。 2. 將核廢料產生量降低最少，且在未來管理時所造成之提升環境保護與公眾之安全和健康之投資負擔降至最低。
經濟性	1. 明顯的較其他能源具備生命期成本優勢。 2. 財務風險水準可與其他能源抗衡而且具備優勢。
安全性和可靠性	1. 具備最佳安全性和可靠性。 2. 具備非常低的爐心熔毀機率。 3. 大幅降低廠外緊急應變之必要性。
防止核子擴散性和實體防護	將提升防止可供核武用之核物料被盜或移轉之實體防護信心，並提供更佳之反恐的核子保安實體防護設計。

 

此表中所設置之目標與GIF內各參與國家所尋求之21世紀新能源系統之優先度和目標是一致的。這些目標將是用來確認是否值得繼續投入更多研發努力及評估因應永續能源需求在設計和執行創新核能系統進展之概念基礎。

表-2係第四代核能系統中值得投入共同研發經費的六種可能系統，它是經過比較評估數百種核能系統和GIF會員國家考量各個國家選擇之優先性和各國追求之利益後所產生之共同選擇之摘要。

按GIF之會員國在2007年12月時僅12國(即阿根廷、巴西、加拿大、中國、法國、日本、韓國、俄羅斯、南非、瑞士、英國、美國)，以及歐洲原子能共同體(Euratom)。

 

 

 

 

 

系統	中子能譜	冷却劑	溫度	核燃料	燃料循環	容量(MWe)	主要用途
氣冷式快滋生反應器(GFR)	快中子	氦	850C	U及MOX	封閉式	288	發電及產生氫氣
鉛冷却快滋生反應器	快中子	鉛或 鉛-鉍	550C至800C	U及MOX	封閉式	50-150 300-400 1200	發電及產生氫氣
熔鹽反應器(MSR)	中速中子	氟化鹽	700C-800C	UF熔於鹽中	封閉式	1000	發電及產生氫氣
鈉冷却快滋性反應器(SFR)	快中子	鈉	550C	U及MOX	封閉式	300-1500	發電
超臨界水冷式反應器(SCWR)	熱中子/快中子	水	510C-550C	UO	開放/封閉式	1500	發電
極高溫氣冷式反應器(VHTR)	熱中子	氦	1000C	UO	開放式	250	生產氫氣及發電

 

目前所有第四代核能系統之特色均聚焦在效能之改進，有兩種主要之方法可賴以經由較佳之自然資源之利用以提升永續性；

(1)封閉的核燃料循環以及再處理，以再循環和利用快中子能譜轉換核物料中之錒系元素(將可孕物料轉換為可分裂物料)。

(2)利用反應器冷却水之高運轉溫度，以確保提高熱效率和系統程序熱能更有效應用之可能性。

在以上之核能系統中有幾種係以生產氫氣為主要目的，它們將是未來核能在全球生產一次能源供應之廣泛貢獻者。

所有在GIF架構中所考量之核能系統目前均面對重大研發技術挑戰，在其發展達到工業化和商業化應用前，其先決條件必須先達到高度的技術成熟發展並經驗證。然而所有參與研發之國家目前均信心滿滿認為在未來20年一定能達成重大進展，並充分的展現這些系統設計在技術上和經濟面所具備的優越特色。

 

經由不斷的以改良演進的方式持續研發所完成之第三代或第三代plus系統，深信將足以在未來或近期滿足社會和市場追求更好(更安全)之能源需求。

但是要追求更多的效能改進則必須完全符合可永續發展的目標和因應21世紀社會和環境之期待。為了此一目的，世界各國對於第四代核能系統的研發計畫正廣泛和積極的在推展中，透過國際間合作和結合政府間與工業界間之合作將使設計和商業化利用更容易，以符合未來社會之需。當然未來仍需要持續以包括經濟、環境和社會構面之廣泛的評估架構和相關之指標繼續評估和檢視創新概念，以確保最佳化的核能系統之研發資源適度而有效的分配與利用，並能因應國際間之需求適時的使商業化新核能系統問世，並有效解決或紓緩高價格及日益耗竭短缺之能源危機。

 

1. NEA(2007), Risks and Benefits of Nuclear Energy, OECD, Paris, France.

2. NEA(2007), NEA Annual Report, OECD, Paris, France

 

註1：INPRO係指International Project on Innovative Nuclear Reactors and Fuel Cycles，而GIF係指Generation ⅣInternational Forum.