【科技．未来】盖茨押注第四代核电：碳排放必须归零
在核电不算长的发展历程中，有几个重大事件深凿于我们的文化记忆当中，先是美国三哩岛核电厂炉芯熔毁，然后是前苏联切尔诺贝尔的核反应堆爆炸，较近期的则是发生在日本福岛核电厂的灾难。核灾引起的恐慌，令不少国家和地区纷纷引以为戒，或暂停核电厂运作重新进行安全评估，或干脆放弃核电。尽管各国的核电发展一度因福岛核灾及反核运动而陷入停滞，甚至倒退，不少业界人士仍前仆后继，投身于新一代核技术的研发，当中便包括微软创办人盖茨（Bill Gates）。
本月初（11月5日），盖茨以泰拉能源（TerraPower）董事会主席的头衔出席在上海举行的“虹桥国际经贸论坛——贸易与创新平行论坛”。他在讲话中解释了这家公司的目标：“我相信核电的光明未来，但我们必须要解决成本、核废料和安全等问题，这就是泰拉能源的使命，行波反应堆（Travelling Wave Reactor，简称‘行波堆’）能解决上述问题。”
作为世界上最富有的人之一，盖茨曾表示自己有三个理想：一是每个人都有一台装有Windows系统的电脑；二是消灭爱滋病、结核病和疟疾，让每个人都享有平等的医疗机会；三是让穷人能够用上清洁能源转化而成的电能。2006年，在评估过所有已在理论上被研究和讨论过的核反应堆类型之后，盖茨和他的团队选择了行波堆，并正式创立泰拉能源，专注于行波堆技术的商业化研发，盖茨本人亦亲自担任该公司董事会主席至今。他在2013年接受《中国核工业》杂志采访时表示，泰拉能源的存在是为了解决核能长期以来成本较高、铀燃料难以获得，以及核武器扩散等问题，并希望为如何处置使用过的核燃料指出一条明路。
安全可靠可持续
作为新一代的核反应堆技术，行波堆确实为极速增长的全球能源需求许下美好的愿景。然而，在现役的核电站中，主要采用的仍是第二、第三代的核反应堆技术。目前，世界各地最常见的核反应堆分别有压水式反应堆（Pressurized Water Reactor）、沸水式反应堆（Boiling Water Reactor）及压力重水式反应堆（Pressurized Heavy-Water Reactor）等。其中，压水式反应堆占据了大壁江山，全世界约有六成核电站使用压水式反应堆，当中包括位于美国、法国、日本、俄罗斯及中国的核电站。
虽说所有核反应堆都是以核裂变（nuclear fission）作为发电原理，但设计却各有不同。回顾核能的发展历程，核反应堆技术的推陈出新大致能够分为四个阶段。
1951年，全球首座发电用的核反应堆在美国爱达荷州（Idaho）启用，象征着第一代原型堆（Prototype Reactor）正式面世，核电自此在英美两国迅速发展。第二代反应堆大部分修建于上世纪六十年代至九十年代初，此种反应堆主要采用了“能动安全系统”，即是安全系统需由人手启动，以指令来进行机电操作，目前世界上商业运行的400多台机组大部分属于此种类型。第三代反应堆于九十年代中期开发（即三哩岛和切尔诺贝尔核事故之后），设计上较之前明显有所改进，采用了更好的燃料技术和非能动安全系统，一旦发生事故，反应堆毋须操作人员干预就能自动关闭（即负反馈机制），故发生严重事故的概率比第二代核电机组小100倍以上。
核电到了第三代，反应堆从设计上来说已经非常安全，所以在研发第四代反应堆的时候，科学家就开始考虑如何提高核燃料的使用率了。
在厘定何谓第四代核电技术这件事上，一个名为“第四代核能论坛”（The Generation IV International Forum, GIF）的组织扮演了关键角色。该论坛由美国能源部于2000年1月牵头发起，并就开发第四代核电的国际合作问题进行了讨论。根据GIF的定义，第四代核能系统必须具备四个重要特征：一，核能的可持续利用：通过有效利用核燃料，实现核废料最少化；二，经济性：发电成本优于其他能源；三，安全与可靠：大幅度降低堆芯熔融的概率，并具有快速恢复反应堆运行的能力，减省在厂址外采取应急措施的必要性；四，防扩散与实物保护：保证难以用于核武器或被盗用。
两年后，GIF在东京召开，与会的十个国家在94个反应堆类型中，挑选出超高温堆（Very High Temperature Reactor）、超临界水堆（Supercritical Water Reactor）、气冷式快堆（Gas-cooled Fast Reactor）、钠冷式快堆（Sodium-cooled Fast Reactor）、铅冷式快堆（Lead-cooled Fast Reactor），以及熔盐堆（Molten Salt Reactor）六种反应堆类型作为未来的主力发展方向。
让碳排放量归零
此后，核电一度被寄予厚望，迎来了所谓的“核能复兴”（nuclear renaissance）时期。核能发展迎来高潮，一方面是源于对技术进步的乐观，另一方面是因为千禧年初化石燃料价格上涨，以及各地逐步加强对温室气体排放的限制。
对盖茨及泰拉能源来说，他们未必同意核能正在复兴。然而，他们的行动表明，核能必须复兴。在2010年的一场TED Talk演讲中，盖茨向观众阐释了二氧化碳总量必须“至零方休”的必要性。他在演讲中罗列了一个公式：
CO₂=P×S×E×C
公式中的P代表人口，S代表服务，E代表效能，C则是单位能源排放的二氧化碳量。盖茨解释，在这个公式中，P和S在未来都会持续增长，E的降低意味着效能的提升，效能提升变相会降低二氧化碳排放，但这不会有太大突破，所以唯一能让等号左边归零的便是C为零，即单位能源的碳排放为零。
问题是，有什么办法能让C归零呢？盖茨给出的答案是“能源奇迹”，他押注五个方向，分别是碳捕捉及储存、核能、风能、太阳能光伏及太阳热能，“我们需要数以百计的公司投入到这五项能源技术的研发当中。”而盖茨选择的是核能这个方向，或者更准确地说，是行波堆。
用贫铀及核废料作燃料
相较于现时常见的轻水反应堆（Light Water Reactor），行波堆的优点显而易见。轻水堆主要是进行铀-235的链式反应，因为铀-235是易裂变核素，很容易产生裂变。但在铀的天然同位素里，铀-235的浓度仅为0.7%，其余则为铀-238，而铀-238只在被中子能量较大的高速中子轰击时才会裂变，所以链式反应所依靠的是铀-235。换言之，天然铀在多数情况下是无法发生链式反应的，它需要被“提纯”才能使用，而每“提纯”一吨核燃料就需要将近七吨天然铀。
行波堆的优点正在于它可以直接用铀-238作燃料，“借由现代超级电脑模拟裂变反应的过程，你会发现这是可行的，只要改进材料的方法正确，它便能成功运行。”盖茨在演讲中说。他向观众展示了一张肯塔基州帕度加气体扩散厂（Paducah Gaseous Diffusion Plant）的照片，那是一个经营铀浓缩的设施，图中偌大的空地上摆满了贫铀，也就是从天然铀中分离出来的铀-238，即被剩下的99%。盖茨指着图片说：“这些被剩下的贫铀足以为全美国供电数百年。”
除此之外，行波堆还可以将现有核电厂产生的核废料作为燃料，这无疑大大降低了成本。“现有反应堆产生的麻烦和废物却成为我们的原料，那些堆在反应堆旁的干式贮存桶和冷却池里的废物正正是我们起步的燃料。这大大减少了核废料。”盖茨还提到，现有的反应堆皆需要人手不断地添加燃料，出问题的机率颇大，一点都不保险。行波堆可以省却这些麻烦，它的设计属于封闭式燃料循环，当一切准备就绪，启动后便可以直接燃烧到反应堆退役。
2010年，盖茨在他那场以“能源和气候”为主题的演说中表示，他希望能够先建成一个前期试验性的反应堆，“一旦建成第一座，它便成了一个活广告”，让大众能够基于“经济学和能量密度”等考量，慢慢明白泰拉能源的行波堆与现时理解的核能大不相同。时隔七年，泰拉能源与中国核工业集团公司达成合作协议，成立一家合资企业，共同开发行波堆技术。第一座行波堆究竟将于何时落地，请详见另文《安全可靠可持续 行波堆将落地中国 可否缔造能源奇迹？》。
上文节录自第139期《香港01》周报（2018年11月26日）《 盖茨投身研发 助抗暖化 行波堆技术复兴核能？》。
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