【工業】再談中國的核電發展

我在前文《高溫氣冷堆》中介紹了這項由清華主導的第四代核電技術。中國是唯一還在積極發展高溫氣冷堆的國家，投資也算是可觀，但是它其實不但不是當前中國核電的主流，連未來的主力研發方向都算不上，衹是一項備用的技術。其問題的根本在於高溫氣冷堆的功率密度過低，雙堆並聯也衹有200MW的電功率，而中國對核電的需求極高，到2020年預訂必須有58GW的裝機量，到2030年將超過400GW；相形之下，最新的壓水堆已達到單堆1.75GW的電功率，所需的廠房數目可以減低一個數量級。因此中國的核能戰略是所謂的三步走：“熱堆—快堆—聚變堆“，其中的熱堆就是第三代的壓水堆，快堆是我在《高溫氣冷堆》也提過的快滋生反應堆，聚變堆則在《永遠的未來技術》裡解釋過，是與超弦並列為物理界兩大成功忽悠的不切實際幻想。

還好搞核聚變的人不敢把商業化的日期訂得太近，以免謊話被拆穿。最大膽的（一般是50歲以上，20年內就會退休的人）也衹敢說30年後，所以中方的投資還在預研階段，不算太高，而且是多方下注，除了純聚變之外，也支持所謂的“Z箍縮聚變-裂變混合反應堆”。這其實是用很小規模的聚變來激發快滋生裂變反應，也就是聚變產生的中子並不直接用來加熱蒸汽輪機，而是被鈾238吸收後再依傳統的裂變反應來發電，因此在技術上還有實用化的可能，真正的問題可能會出在經濟性上，亦即競爭不過液態金屬冷卻的快堆，但是那要等實件做出來之後才能確定。這個計劃的領導人是中物院的彭先覺院士，他在今年稍早公開說核聚變“可能無法很快”實用化，並不是酸葡萄心理下的無的放矢。

實際上中國到2030年所需要的400多座核電反應爐，絕大多數都會是第三代的壓水堆。原本的計劃是以西屋的AP-1000系列（由國核技引進）為主力，但是一方面美方提供的關鍵部件（推動冷卻劑內環路的主泵）老是不過關，另一方面過去兩年為了努力外銷創匯，決策高層了解到外銷型號也必須在國內大量部署，否則客戶永遠會有疑慮，所以似乎已經轉向為AP和華龍一號兼顧的策略。當然華龍一號其實是兩種完全不同的設計（參見《克里斯蒂娜的玩笑》）：中核的土產型號和中廣核的仿EPR。這次英國願意在Bradwell（參見《英國二三事》）裝華龍一號，正因為它其實就是法國的EPR，和EDF要建的Hinkley Point是一回事。其實EPR現有的兩座示範工程（分別在芬蘭和法國，Hinkley Point將是第三座）都嚴重超支並落後進度，說不定還得靠中廣核來解決問題，但是中國的高科技還沒有國際聲譽，行銷時沾些法國人的光也是不得已的辦法。

既然在可見的未來，壓水堆是絕對的主力，那麼快堆的意義何在呢？我在前文已解釋過，以液態金屬為冷卻劑的快堆沒有中子減速劑（其他反應堆用水或石墨），工作原理和壓水堆完全不同，不是靠喜歡吸收慢中子的鈾235，燒的是喜歡快中子的鈾238和超鈾元素。鈾235衹佔天然鈾的0.7%，快堆顯然在燃料來源上有很大的優勢，但是壓水堆有70年的民用和軍用技術累積，在安全性和經濟性上都成熟得多，所以快堆在中國核能計劃裡的地位其實是從核廢料處理而著眼的，也就是所謂的核循環。一般壓水堆的燃料棒在兩年內就必須更換，然後會因裂變過程中產生的高放射性物質（尤其是超鈾元素）的自發性衰變而持續大量放熱，這些燃料棒因而成為最難處理的核廢料，必須在冷卻池中儲存很長的時間。臺灣衹有6個反應爐，尚且頭痛萬分，中國到2030年的反應爐數目將超過境外的總和，廢棄的燃料棒預計達到23500噸，而且會以大約為臺灣百倍的速度持續累積，傳統的儲存方式不但極為昂貴困難，也是對有限的鈾礦資源的一大浪費。

目前其他核先進國家唯一的改進手段是很有限的回收循環，把用過的燃料棒裡所含的鈾235、鈽和其他超鈾元素濃縮製成MOX（Mixed OXide）燃料，然後應用到專為MOX修改過的壓水堆。這對鈾資源的應用率，提升衹有20%，而且產能也極為有限，回收能力最高的法國衹有1700噸的年產能，英國有1200噸，日本則有800噸。 2015年九月23日，中核宣布將投資1000多億人民幣，引進一座法國Areva設計的年產能800噸回收循環廠，預計2020年開工，廠址將在山東、江蘇、浙江、福建和廣東幾省中選擇。

很顯然地，以中國核能發展之大之快，現有的回收循環技術是杯水車薪，所以再進一步就是引進重水堆。重水堆和壓水堆相當類似，主要的不同在於冷卻劑用的是重水而不是一般的水。重水是氫的同位素氘的氧化物，由海水提煉純化而來。氫原子核就是一個質子，和中子有很好的彈性散射截面，所以在當冷卻劑的同時可以兼做中子減速劑；但是質子也會和中子做非彈性反應，結合成氘，所以部分中子被吸收了，連鎖反應的總效率因而降低；這正是為什麼壓水堆的燃料必須先經過濃縮，把鈾235的成分提升到2-5%的原因。改用重水後，氘的彈性散射截面和氫相似，非彈性反應（吸收一個中子而成為氚）截面卻小得多，連鎖反應效率更高，就無須提升鈾235的濃度，使用天然鈾就可以發電。正是因為這個好處，1994年中國還沒有高效的離心濃縮技術（到2013年六月21日，中核集團的蘭州鈾濃縮公司才公開宣布已成功將離心機工業化；在此之前，舊式的擴散法耗電達25倍之多），便特別與專長在於重水堆的加拿大原子能公司（Atomic Energy of Canada Limited，AECL）開始合作，1996年正式簽約，引進了兩座CANDU（CANada Deuterium Uranium，加拿大氘鈾；選擇這個縮寫是因為它聽起來和Can Do同音，而“Can Do”是“行/沒問題”的意思）6號反應爐，也就是秦山核電站三期工程。後來發現重水堆的真正價值在於對燃料不挑剔（不過還沒有到《Back to the Future》裡把垃圾丟進去就可以發電的地步），壓水堆用過的燃料不須經過前面提到的全回收過程，衹要簡單用化學提煉出鈾就可以推動重水堆，同樣也能提升鈾資源的總應用率20%。整個示範工程在2015年七月通過審查，預計2016年底正式啟用。長程的計劃是引進最新的EC6（Enhanced CANDU 6，達到第三代反應器的安全標準）技術，國產化之後稱為AFCR（Advanced Fuel CANDU Reactor，先進燃料重水堆），依每四座壓水堆建一座重水堆的比例，可以更廉價地達成燃料回收循環的結果，而且兩者的效果在理論上可以疊加。

重水堆對燃料不挑剔，燒釷（Thorium）燃料也可以。釷的地表存量是鈾的三倍，印度是主產區，所以印度的核反應爐大多是從加拿大引進的重水堆，共有15座。重水堆的另一個用處是生產軍用的鈽239；這是因為它的燃料濃度低，必須經常更換，所以產生的鈽239沒有足夠的時間被轉化為鈽240。鈽240會自我引爆，是製造鈽基原子彈的最大障礙。雖然重水堆生產鈽239的效率遠低於快堆，但是印度還是靠著前者累積了足夠的鈽在1974年製造了第一顆原子彈。伊朗也有一座重水堆，依今年七月達成的協議（參見前文《與伊朗的核子談判》）必須將它改造為不產鈽的形態；2015年十月19日，中國國家原子能機構宣布將幫助伊朗進行這項改造。

前面提到的回收循環廠和重水堆，對鈾資源的高效應用和核廢料的回收處理，都衹有有限的貢獻。真正要把超鈾廢料大幅消化嬗變，還得靠快堆；但是用液態金屬（如鈉）來做冷卻劑，工程的難度當然更高得多。目前快堆技術最先進的是俄國，中國在2009年引進了一個實驗堆，預計2035年才能商業化，屆時壓水堆用過的第一手燃料經簡單分離後，可提供重水堆使用，其後的廢料可由回收循環廠提煉出MOX，在特別配置的壓水堆和重水堆用第三次，最終最髒的廢料再交由快堆處理，達成理想中的全循環。

中國的核能發展，如同高鐵一樣，引進世界眾家之長（即德國的高溫氣冷堆，美國西屋公司的AP系列壓水堆，法國Areva公司的EPR壓水堆和核廢料回收循環廠，加拿大的CANDU重水堆，和俄國的快堆），快速地發展出更先進更全面的技術（除前列外來技術的後續發展外，Z箍縮技術和中核的壓水堆基本是土產的），是後來居上的典範。其與汽車工業的最大不同，就在於高度集中於中央的計劃與監控權力，強迫那些實際執行業務的企業要專注在產業技術提升，而不被市場額份和利潤分散了注意力。自由市場永遠都對大資本和老玩家最為有利，相信絕對自由主義能幫助他們高速發展經濟的開發中國家衹能是美國宣傳體系的受害者。

【後註一，2023/03/13】正文中提到中方曾經引進美國西屋公司的AP1000第三代核反應爐設計，後來實際建造了四座，亦即浙江三門和山東海陽各兩座，都在2018年底/2019年初連綫發電；然而美國自己想建的四座，雖然早在2008年就簽約，卻一直到本周才有第一座剛達到連鎖反應的臨界，最早要到五月才可能開始發電（參見《Vogtle 3 Reaches Initial Criticality, Marking Pivotal Nuclear Startup Milestone》）。可笑的是，中方的建造和運行經驗回饋必然對美方有幫助，然而整體工程效率依舊展現出倍數差異，從法國引進EPR，也一模一樣，從而再次印證了歐美先進工業能力的衰頹。