【科技．未来】新型核反应炉 可以小取胜？
在日本福岛核事故后，即使核电有近乎零排放的优点，不少国家都对之重新评估甚至搁置。知名引擎生产商劳斯莱斯（Rolls-Royce）却在近日透露，已获英国政府资助，将于十年内兴建十多个小型模组核反应堆（small modular reactor，SMR）。研发SMR的公司声称它可以避免过往的核灾难发生，并大大降低成本。到底SMR如何有别于传统核反应堆？而这些承诺又是否真的能够兑现，令核能成为未来能源主力？
劳斯莱斯财团在1月中向英国广播公司（BBC）透露，将在2029年前于英国兴建10至15个SMR。它正计划在英国坎布里亚郡（Cumbria）和威尔斯（Wales）一些工厂，甚或可能是已关闭的大型核电厂的遗址兴建SMR。
每个SMR都小至可放在大型拖车尾部来运输，建成后每个占地面积约1.5英亩，将设置于约10英亩的核电站内，这相当于大型电站如欣克利角C核电站（Hinkley Point C）面积的十六分之一。劳斯莱斯声称每个SMR将可运作六十年，并提供440兆瓦（MW）功率的电力，足以供电予卡迪夫（Cardiff）、斯旺西（Swansea）和纽波特（Newport）。至今，劳斯莱斯已从英国政府取得1,800万英镑，并正要求再增资两亿英镑。
缩小体积降低风险
通常，SMR产生电力的功率介乎50兆瓦至400兆瓦，而一般核电站的功率则在1,000兆瓦上下。美国的NuScale是比劳斯莱斯走得更快的SMR技术研发公司，它设计了一个720兆瓦的项目，将由12个核反应堆组成，足以为540,000户家庭供电。它使用的是轻水（light water）反应堆，是商业核电厂中最常见的类别。NuScale的SMR只有23米高，可以在传统大小的安全壳中放置多达125个。但NuScale联合创办人兼技术总监Jose Reyes指出，无法单凭大小取胜：“如果只是缩小大型反应堆的规模，那我毫无疑问会输。”他说SMR最大的好处是安全。
一般核反应堆内的堆芯矗着一支支燃料棒，并利用会自发分裂的铀同位素，释放能量和中子，引发称为裂变的连锁反应。反应产生的热力把水加热，推动蒸汽涡轮机来发电。传统的核反应堆若失去冷却用水，裂变可能增加、失控，甚至引起爆炸，就像1986年乌克兰切尔诺贝尔事件。即使能关掉核反应堆，裂变的放射性衰变所产生的高热也可令堆芯熔毁，日本福岛第一核电站就是核反应堆已关闭，但海啸破坏了泵水的发电机，堆芯无法降温而酿成灾难。
NuScale试图以一些设计改动来降低这些风险。首先，即使发生事故，较小的堆芯所产生的衰变热力少得多。其次，它的核反应堆系统是整合一体的，亦即燃料、蒸汽和发电机都集中在同一个容器内。Reyes解释：“这可减少发生事故的风险，因为较少可以破裂的喉管道。”它们还利用堆芯的热力来推动冷却剂流动，因而无需使用冷却剂泵和可能故障失灵的的活动部件。工程师Eric Young解释：“如果它根本不存在的话，自然就不会破裂。”
此外，NuScale在核反应堆建造了泄压阀，当失去能源时，它们会释放蒸汽，凝结和再循环后就可提供冷却功能。新的核反应堆外壳也提供了进一步的保护。传统的核反应堆会置于直径40米的钢筋水泥安全壳内。每个三米阔的NuScale核反应堆，都会装嵌在独立的4.6米阔钢制安全壳内，再共同浸在一个大水池中。直径大幅减少令可承受压力大增15倍。
这样，在正常运作下，反应堆和安全壳之间的空间像保温瓶般保持真空，以隔离堆芯并容许它加热。但若反应堆过热，安全阀会突然打开，将蒸汽和水释放到真空空间，继而将热量传递到水池中。Reyes声称，这些被动式的功能几乎可在所有可能发生的事故中，仍保持堆芯完整，因为当无需用泵，“即使在最坏的情况下，我们失去所有场外电力，核反应堆仍可安全地自动关闭，并无限期保持冷却。这是商用核电的首次。”工程营运主管Ross Snuggerud则较保守：“没有负责任的工程师会说‘永远’，但我们已经做了很多正确的事情来确保堆芯完整。”
NuScale已投资超过九亿美元到SMR技术，其中获美国能源部投资了3.17亿美元。它现正开发一个完整规模的原型，声称有望在两年内动工兴建第一座核电站—位于爱达荷州、720兆瓦功率的公用事业项目。美国核能监管委员会（NRC）刚刚完成了对它的第四阶段审查，这也是NRC审查的第一个SMR许可证照，NuScale预计在今年底取得最终批核，而Reyes则寄望2027年反应堆可投入运作。
当气候危机愈趋迫切，对一些能源专家或政府来说，要全球电力脱碳就不能少了核能。国际原子能机构（IAEA）总干事Rafael Mariano Grossi就主张：“核能必须要能占一席位。担心气候变化却同时抛弃一种干净、低碳排放的能源，例如核能，是不合逻辑和不科学的。”
小巧灵活兼便宜
何况核能比起风能、太阳能之类的供应较为稳定。爱沙尼亚已为此准备，当地能源公司Fermi Energia OU挑选了四种不同的SMR技术来研究，预计最早的商业SMR发电可于2026年至2028年间投入运营，而爱沙尼亚的首个SMR核电厂就可望在下一个十年内落成。公司创办人及行政总裁Kalev Kallemets认为SMR值得等待。随着北部和西部邻国如德国、丹麦和瑞典都用风力和太阳能取代火力发电厂，波罗的海的电力可能会变得更加依赖天气。而SMR就旨在确保在太阳照射或空气流动不足时的电源。因为若建设天然气厂会令国家依赖俄罗斯的燃料，而且在从欧洲其他国家进口受限又无风的冬季日子，风力发电机无法弥补能源需求：“最大的挑战是让人们认识到气候变化是真实的，并且没有像风能般的简单解决办法。当从俄罗斯和白俄罗斯的进口中断时，就代表该系统有一重大风险，无法在所有天气条件下提供电能。”Kallemets说。
虽然如此，在仍历历在目的核电厂事故之外，合适的兴建场地难找，建造需时，都是传统大型核电厂的问题。在美国，核电约占所有洁净电力的七成，但现有的反应堆正快速接近其监管寿命的尽头。当地现时只有两座新的核反应堆在建设中，但超支数以十亿美元计，而落后进度数以年计。又正如在前美国总统奥巴马任内担任能源部长的莫尼兹（Ernest Moniz）所说：“在乔治亚州建造的Vogtle核电厂反应堆是庞大的项目，现场有数以千计工人。建立这数量的劳动团队并不是那么容易。”
采用SMR或有望改善核电这些老问题。例如劳斯莱斯技术总监Paul Stein声称，它背后的物理原理与大型核电厂项目完全相同，成本却可降至很低。他解释，SMR体积较小，可大规模生产而毋须完全在在选址上兴建，运输更容易，可加快兴建时间，产生的电力也更便宜：“窍妙在于使用我们先进的数码焊接方法和机器人组装预制零件，然后将它们运到建造现场再组装。”这样核电厂也可较靠近城市中心兴建，减省传输成本。核能研究所（NEI）新反应堆高级主任Marc Nichol补充：“透过简化并缩小这些机器，可以提高它们的安全性，从而在设计时可排除一些潜在事故以及应急设备。”
反应堆缩小后，核电厂也可变得更为灵活。可以将几个SMR单元组合成一个网络，并根据它们所服务社区的需求规模来建造。它们的输出功率也可以在开始营运后，视乎消费者的需求或从其他来源产生的电能多寡来调整。“SMR可以设计成以非常灵活和更具成本效益的方式，按照需求来增加和降低规模，以更精准地地衔接这种将包括可再生能源以及其他供应来源的新兴电力系统。”经济合作暨发展组织（OECD）辖下的核能署（NEA）总干事William Magwood IV说。
难怪芝加哥大学物理学家Robert Rosner看好SMR：“有潜力改变核能的经济效益。”也因此在劳斯莱斯和NuScale以外，其实一些国家早已在部署SMR研发。俄罗斯政府早于2010年推出了在北冰洋漂浮的70兆瓦核反应堆“罗蒙诺索夫院士”（Akademik Lomonosov）。国企中国核工业集团（CNNC）在去年7月也宣布，已开始在海南岛建设第一个SMR项目，作为实现核能多样化计划的一部份，并会用作“验证小型核电站设计、制造、建造和运行技术，积累宝贵经验，在未来能源市场上作为其他能源以及大型核电站的有力补充，逐步开辟小型反应堆的商用市场”。加拿大安大略省（Ontario）、新百斯域省（New Brunswick）和萨斯克其万省（Saskatchewan）已签署备忘录，研究SMR开发和部署；英国的劳斯莱斯财团正在开发一个440兆瓦的SMR。
同样由国家控制的法国电力公司（EDF）及法国原子能和替代能源委员会（CEA），正与美国核反应堆制造商西屋公司（Westinghouse）磋商开发SMR。日立则在去年10月表示，波兰富豪索罗沃（Michal Solowow）拥有的欧洲第二大合成橡胶生产商Synthos已同意与GE日立核能合作开发SMR技术。索罗沃认为：“利用SMR产生洁净能源，将提升我们脱离煤炭的机会，并对我们的工业和国家有积极影响。”
继续阅读︰小型核反应炉兴起 可克服成本与安全挑战？
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上文节录自第205期《香港01》周报（2020年3月16日）《以小取胜 抗衡气候危机 新型核反应堆发电将成主流？》。
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