高溫氣冷堆的最簡明介紹

第四代反應堆

所謂的第四代反應堆，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。這些新設計必須具有根本性的優勢，否則不可能有人願意投資幾百億美元來做開發。目前有若干候選堆型，例如比較成熟的高溫氣冷堆和快中子反應堆（Fast Breeder）：前者專註在安全性，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變成鈈239。

從商業觀點上來看，暫只有高溫氣冷堆有真正實用上的價值；快堆生產的鈈是核武器的最佳原料。據說，日本自中曾根康弘首相之後便開始積極囤積鈈239，所用的借口是把鈈和鈾混合成MOX核能燃料。

生於美國，長於西德

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Schulten牽頭開始實際的工程設計與建設。Schulten的反應堆簡稱AVR，1967年建成併網發電，電功率為15MW。

1986年切爾諾貝利事件後，西德對核電開始有疑慮，AVR也受到嚴格的監督。很不巧的是，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。

中國「逢低買入」

中國早在1970年代末就已經從清華派了學者和學生去參加Schulten的團隊， Schulten團隊被解散之後，中國以極低的價格買下了知識產權的執照和圖紙（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年建成併網，電功率為10MW。2005年商業版的示範堆在山東石島灣開建，雙機並聯，總電功率為200MW。

基本原理

從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里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，而我國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。

燃料球結構

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。

固有安全性

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：鈾235原子核吸收慢中子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里，也不會泄露。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。

為什麼沒有普及？

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，反應堆尺寸比壓水堆大30倍，功率反而只能做到100MW，而最新的壓水堆已經達到1400MW。

理論上模組和燃料球都可以大規模生產，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。

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。

安全性有多高？

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%的優良率，但是即使再提升一個數量級，也就是達到了99.9999%的優良率，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，就會有可能泄露放射性塵埃。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。

有沒有風險？

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，氦氣外泄，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布（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）。

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，一般民眾往往缺乏風險的概念，在被傳播媒體有意無意中傷的新科技上，為了極小的風險而因噎廢食；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）。

發展趨勢

各國高溫氣冷堆進展：2005年美國能源法案要求能源部必須在2021年前開發並示範利用高溫氣冷堆技術進行發電和（或）制氫的技術和經濟可行性；法國的法馬通公司也在積極開展高溫氣冷堆技術研究，並已參加美國愛達荷高溫氣冷堆項目的投標；日本已經建成了高溫工程試驗研究堆HTTR，用於研究高溫氣冷堆技術和高溫制氫技術；俄羅斯與美國共同開發利用高溫氣冷堆燒鈈(Pu)的研究；南非已經開展了建設高溫氣冷堆電站的前期工作；韓國政府已經決定在2015年前投入16億美元發展高溫氣冷堆。

本文主要參考了王孟源先生《高溫氣冷堆》一文

本期編輯：畢格博爾德

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