【工業】【能源】高溫氣冷堆

50、60和70年代是核能發電的黃金時代，在歐美日等先進工業國家有幾百座第一代和第二代的核電廠建成上線。 1979年的Three Mile Island Accident（三哩島事件）和1986年的Chernobyl Accident（車諾比事件）是極重要的轉捩點，此後20年核電工業的增長基本停頓，少數新建成的反應爐只夠替代退役的反應爐；所以總數量停滯在400多座，一直到近十年才因中共的能源政策而重新進入成長期。

我在前文《核動力在軍用與民用之間的差別》曾講過一些核電反應爐的設計和歷史，如果讀者不太熟悉這方面的題材，請先複習那篇文章。我在那裡也提到了高溫氣冷堆（Pebble Bed Reactor），今天主要對它做個簡單的介紹。

首先澄清一下核能發電的代別：最早的設計，不論是壓水式（主環路靠高壓使水完全不能沸騰）還是沸水式（主環路容許水的氣態），都沒有對安全備分做足夠的考慮，所以後來改進之後，就分別稱為第一代（如Chernobyl）和第二代（如日本的福島，所有美國目前在運行的核電廠和台灣的核一、核二、核三）。壓水式和沸水式反應爐最大的危險在於若是冷卻水主環路失靈，那麼即使中子吸收棒被放到“全關”的位置，之前裂變產生的放射性元素仍然會繼續裂變而產生過多的熱量，最終會把整個爐心熔化掉（Reactor Core Meltdown），極高溫的放射性金屬熔漿有可能會燒穿反應爐的水泥地基而滲入地下水層，將大量危險的放射性同位素（一般是像碘131這種短半衰期的裂變產品放射性危害最強，而碘進入人體之後會聚積在甲狀腺，所以上次福島核災後有謠言叫災民多吃碘）釋放到外界，因此這兩類反應爐的安全設備主要專注在保障冷卻水主環路持續流通。第二代的核電廠普遍使用柴油發電機在停機時驅動主泵，確保冷卻水的循環。後來三哩島事件使設計廠商開始認真檢討所有可能出毛病的環節，就有人提出柴油發電機並不是100%的可靠（例如福島在海嘯之後，自然是反應爐和柴油機一起泡湯），於是在1980年代西屋、GE和法國的Areva都開始研究完全不需電力供應的冷卻方法，這就是第三代反應爐。不過要在沒有電力供應的條件下保持無限期的冷卻水循環違反了能量守恆定律，所以先天上就是不可能的。工程上的解決辦法只能把一個大水池建在屋頂，利用重力來推動循環，那麼當這池水用完以後，反應爐仍然會熔毀。目前的設計一般是保障七天左右，在這段時間內，維修人員必須重啟電力供應。這在天災情況下應該是做得到的，在戰爭人禍的情形下就很難說了。

至於所謂的第四代反應爐，則是對所有把壓水/沸水式完全推倒重來的設計的通稱，包括了好幾種截然不同的構想。但是由於傳統的壓水/沸水式在工程投入上有70年的領先，所以這些新設計必須有根本性的優勢，否則不可能有人願意投資幾百億美元來做開發。目前只有兩種設計滿足這樣的要求，分別是高溫氣冷堆和快滋生反應堆（Fast Breeder）：前者專注在安全性，保證絕不熔堆，而後者則可以用來做元素嬗變（Elemental Transmutation），最主要是將鈾238變成鈽239。從商業觀點上來看，只有前者有真正實用上的價值；快滋生反應堆生產的鈽剛好是核子武器的最佳原料，只有軍方和日本政府（日本自中曾根康弘首相之後便開始積極囤積鈽239，所用的藉口是把鈽和鈾混合成MOX核能燃料；正因為有這個偷偷摸摸的任務，日本的核能監管單位對電力公司不能做嚴格的審查，最後間接導致福島核災）才會有興趣冒經濟和安全上的風險。

高溫氣冷堆最早是1943年美國的Farrington Daniels在Oak Ridge實驗室所做的一個實驗，不過一直到1960年才在西德由Rudolf Schulten主持，開始實際的工程設計與建設。 Schulten的反應爐叫做Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor（Joint Experimental Reactor，聯合實驗反應堆），簡稱AVR，1967年建成並網發電，電功率為15MW。 1986年車諾比事件後，西德對核電開始有疑慮，AVR也受到嚴格的監督。 1988年發生了一個小事故（燃料球卡在出口），在處理的過程中釋放了很少量的放射性塵埃（燃料球的外殼不夠強，以致破裂），但是當時的民情已經不容許任何放射性災害，於是AVR被關閉，德國政府花了26年來清理現場並檢討整個經驗，到2014年才大功告成，發布了報告。 Schulten原本已經準備開建下一代的高溫氣冷堆，叫做HTR-MODUL，其改進的重點是針對AVR的幾次事故（70年代的事故被遮掩到2000年代才發現）重新設計反應室出口和燃料球；新燃料球在1988年正要開始試產，結果全部生產線必須作廢。但是中共有極佳的先見之明，在1970年代末就已經從清華派了學者和學生去參加Schulten的團隊，團隊被解散之後，他們說服中共當局，以極低的價格買下了智慧產權的執照和圖紙（南非也買了執照和圖紙，但是沒有什麼大進展，2010年正式放棄），並且把燃料球生產線帶回清華。 1995年中國版的HTR-MODUL（改稱HTR-10）在清華校園開建，2000年建成並網，電功率為10MW。 2005年商業版的示範堆在山東石島灣開建，預定2017年完成，雙機並聯，總電功率為200MW（參見前文《中共國營企業的改革》）。

HTR-10的示意圖，可以看出高溫氣冷堆的結構極其簡單，基本上就是一個大沙漏裡裝了幾十萬個燃料球，既沒有中子減速劑，也沒有中子吸收棒，完全不須在爐心使用機械裝置。這是因為所有的功能都集中到燃料球本身，停機靠的是物理性質而不是工程手段。冷卻環路用的是氦，因為氦的腐蝕性和放射吸收性都是零。既然氦不會吸收放射性，理論上就可以用主環路直接驅動渦輪，從而獲得更高的熱效率。但是在攝氏950度用氦推動的渦輪此前沒有現成的應用，必須從頭開發，而中方的渦輪技術並不太強，所以清華團隊很明智地選擇了使用第二環路來推動蒸汽渦輪的方案，這也避免了燃料球破裂後，放射性塵埃污染渦輪的危險。如此一來，高溫氣冷堆的真正技術難關就完全集中到燃料球本身。 燃料球是Schulten的發明，不同的高溫氣冷堆視設計功率需求決定放多少個燃料球；一般是幾十萬個。每個燃料球直徑為60mm（比網球略小一點），最外層是5mm厚的強化石墨；中心的餡兒直徑50mm，由八千個燃料粒和石墨混合而成。石墨是很好的中子減速劑和熱導體，並且可以耐熱到攝氏2800度；而高溫氣冷堆受核子物理的天然限制，爐心溫度不可能超過攝氏1600度，一般工作溫度在攝氏950度左右。燃料粒直徑為0.92mm，由四個保護層包裹直徑0.5mm的二氧化鈾燃料而成。石墨和氦都不會吸收放射性，所以燃料球用完後，本身就是圍阻體，可以簡單裝箱掩埋，無需另外的機械或化學處理；不過廢料總體積會增加。

高溫氣冷堆的功率控制和絕不熔堆的保證，來自一個很特別的核子物理性質：裂變產生的快中子（Fast Neutron）和石墨原子核碰撞之後，損失動能，成為慢中子（Thermal Neutron）；而其他鈾235原子核吸收慢中子（這就是所謂的連鎖反應，Chain Reaction；鈾238原子核剛好相反，喜歡吸收快中子而不管慢中子；高溫氣冷堆的石墨減速劑比壓水/沸水式用的輕水有效，所以鈾235不須被濃縮到同樣的5%濃度，甚至只有0.7%是鈾235的天然鈾在理論上都可以用）而引發新的裂變的截面積（亦即機率）隨溫度增高而減小，在攝氏1000度以上減小得很快。所以要停機，只須要把主環路的氦氣風扇關掉，讓爐心溫度逐步升高到攝氏1600度，連鎖反應就基本停止了。這時鈾即使熔化，因為它被包在燃料粒裡，也不會洩露。既然關掉主環路里的氦氣循環是正常運作的一部分，那麼在天災或故障時失去電力供應，也就沒什麼大不了的。

高溫氣冷堆之所以至今沒有普及，主要是經濟上的問題。它雖然結構很簡單，但是在工程設計上遠不如壓水/沸水式成熟，所以第一代的發電站仍然故障不斷，沒有經濟效益。此外它的功率密度很低，反應爐心佔地900立方公尺，比壓水式的30立方公尺（這還是民用反應爐，包括了更換燃料棒的機制；核潛艇用的更小得多）大30倍，功率反而只能做到100MW，而最新的壓水式已經達到1400MW。清華的設計是兩個反應爐共推一個蒸汽輪機，合起來成為一個模組。理論上模組和燃料球都可以大規模生產（清華自己的生產線年產量10萬枚，現在正在包頭市建設年產30萬枚的工廠），長期下來成本有可能壓低到遠比壓水式還低；但是這裡有一個很大的不確定性，也就是高溫氣冷堆核電站是否需要傳統的緊急事故處理設備，例如廠房安全殼。壓水/沸水式因為有爐心熔毀的可能，安裝反應爐的廠房本身也必須是特別設計的氣密安全殼（當然因為冷卻水沸騰時可以產生爆炸性的力量，兩層安全殼仍然不足以保證絕對的安全；而高溫氣冷堆用的氦氣是不會爆炸的）。如果高溫氣冷堆也必須建昂貴的廠房安全殼，那麼因為它的功率密度低，安全殼就必須建得更大，而且必須在氣密的同時提供氣冷，費用反而會更高得多。如果因為高溫氣冷堆的安全性而省略了緊急事故處理設備，那麼它很快就會比傳統的核電廠便宜，甚至可以直接替換掉煤電廠的舊鍋爐，沿用現成的蒸汽渦輪。

所以雖然高溫氣冷堆的安全性已經遠高於傳統式的核電站，它的前途還是決定在這個安全性到底高到哪裡。歷史上AVR的麻煩主要在於燃料球卡在出口，而在處理的過程中有燃料球破裂。原本燃料粒本身已經有四層防護，所以燃料球破裂應該也沒關係；但是年產30萬枚燃料球，每個球有8000個燃料粒，那就是24億顆燃料粒。目前的工藝可以保證99.999%的良率，但是即使再提升一個數量級，也就是達到了99.9999%的良率，仍然會有2400顆破損的燃料粒，當那2400枚含問題燃料粒的燃料球破裂時，就會有可能洩露放射性塵埃。不過一顆燃料粒只含0.7mg的鈾，所以這樣產生的塵埃是相當微不足道的。

在最壞的可能情形下，也就是當外力（例如天災、飛彈攻擊或廠房失火/爆炸）打破反應爐，氦氣外洩，空氣進入反應爐，那麼高溫的石墨會自行點燃，放射性污染就有可能會隨煙塵而散佈（不過燃料粒的外層有Silicon Carbide，這種陶瓷材料不但堅硬、耐高溫，而且不易燃）。雖然有電腦模擬，顯示因為燃料球堆積很密，燃燒會有困難，但是這是假設廠房基本完整；如果廠房已經崩塌，氧氣的供應就可能足夠引發大火。當然以這個腳本來判斷安全性是很不公平的，所有其他的核電反應爐設計在同樣情形下，放射性污染都會比高溫氣冷堆高出好幾個數量級；問題在於分析了風險回報之後，是不是可以省略一些緊急事故處理設備（石島灣似乎就省略掉了廠房安全殼，但是因為有傳統的反應堆在隔壁，其他處理緊急事故的軟硬體設備都是現成的；但是高溫氣冷堆的經濟性只有在脫離傳統核電廠之後才能顯示出來）。很不幸的是，一般民眾沒有風険的概念，往往在被傳播媒體有意無意中傷的新科技上，為了極小的風険而因噎廢食；而舊有的工業技術，卻因為有既得利益者（如石油財團）護航，可以每年害死幾萬人而沒有媒體敢討論（如燒煤和燒油的空氣污染，造成每年全球因肺癌死亡的人數，就遠超過人類歷史上因核電意外而死亡的總人數，這還不考慮全球暖化的後果）。所以只有理性的政府才能做出理性的最佳決定，而台灣的民主政體卻是絕對反理性的。

【後註一，2022/02/02】山東石島灣核電站的高溫氣冷堆一號機，在去年底正式聯網發電；我一直忘了在博客宣佈，今天又看到有美國媒體提起，和大家分享，參見《China Starts Up First Fourth-Generation Nuclear Reactor》。這並不代表高溫氣冷堆技術完全成熟，可以全面推廣，只表明已經解決所有主要工程問題，接下來必須依據實際運作經驗來評估經濟效益，拿來和其它非碳能源選項做精確可靠的比較，這才是開發未來科技的正確步驟和心態，而不是在如何解決關鍵技術難題八字還沒有一撇的時候，就瘋狂炒作成為五年計劃的投資重點。