首页香港脉搏理财/管理
港股强化版MQ
方展策

方展策

少年时,曾研习 Geographic Information System,可惜学无所成,侥幸毕业。成年后,误打误撞进入传媒圈子,先后在印刷、电子、网络媒体打滚,略有小成。中年后,修毕信息科技硕士,眼界渐扩,决意投身初创企业,窥探不同科技领域。近年,积极钻研数据分析与数码策略,又涉足 Location Intelligence 开发项目;有时还会抽空执教鞭,既可向他人分享所学,亦可鞭策自己保持终身学习。

新核能争霸战爆发!美、英、加、日竞相开发小型反应炉

2023-01-06 18:25
1A+A-

  俄罗斯因受欧美制裁而削减供应天然气,令全球天然气出现供需失衡,于是本来依赖天然气的国家重新考虑拥抱核电。新一代核融合技术虽然零污染、零排放,但仍未能走出实验室。至于既有核分裂技术,现已发展出“第四代核反应炉”,具备低成本、高安全性等优点;如搭配风能、太阳能一起使用,更可组成高度稳定的零碳排电网。因此,第四代核电被视为应对气候变化与能源危机的新解方,使第四代反应炉开发演变成全球能源技术竞赛的新战场。

核电成太阳能和风能最佳拍档

  气候危机迫在眉睫,碳中和已成全球共识。太阳能和风能肩负实现零碳排的重任,惟却受制于天气和日照风吹的时间,有间歇性供电的问题,所以必需搭配另一个可靠的能源来源,能够快速填补绿能波动所造成的供电空缺,以维持稳定的电力供应。

  东欧国家斯洛文尼亚的核能学会会长托马斯·扎加尔(Tomaz Zagar)指出,俄乌战争前,该国洁净能源布局有两种规划,一是可再生能源搭配天然气发电,二是可再生能源搭配核能发电。但战争爆发后,全球天然气供应短缺,使核电搭配方案变得比天然气更加可靠。国际能源署(IEA)更认为,未来20年内核电规模要扩大接近1倍,才能达到全球净零排放的目标。

  2022年7月,欧洲议会通过将核能列为永续性的绿色能源,惟前提是新建的核电厂必需使用最新技术;至于借着技术改善而延长寿命的既有核电厂,则容许运作到2040年至2045年之间。

各国积极部署第四代核反应炉

  2022年8月,美国加州议会通过,将原定于2025年退役、州内仅存的一座核电厂“魔鬼谷核电厂”(Diablo Canyon Nuclear Power Plant),延长运作5年。同年9月,德国也决定,把国内最后3座核电厂的其中2座的运作死线,从原本2022年底延后至2023年4月前都维持待命,以免冬季供电不足。

  大宗商品交易商WMC Energy的主管詹德(Per Jander)表示,加州与德国是世上对核能最负面的地方,现在两地的核能政策均转向了,对全球市场带来很大冲击。此后,各国开始更积极部署核能设施,因应欧洲议会对核能绿电的要求,大多投入开发最新核电技术——第四代核反应炉。

  现时全球有440座核能反应堆,大多数属于第三代核电技术。第一代核反应炉意指1940年代末期至1960年代初期的原型反应堆,当时还未能投入商业营运;第二代是指1960年代中期至1990年代中期的首批商用轻水反应堆(Light Water Reactor),利用水作为反应堆的冷却剂;第三代仍是轻水反应炉,惟使用更可靠的核燃料与反应堆堆芯,以及被动冷却系统。

SMR小型反应堆成本平完工快

  一直以来,核电设施以集中式电厂为主,每座反应炉装置容量动辄900兆瓦(MW)以上,造价高达150亿美元(约1,170亿港元),需时至少20年始能完工运作,以致核电厂成本动辄超支。第四代反应炉的设计构想,正是要解决上述问题。

  在第四代核电技术中,目前以基于核动力潜艇的小型模组化反应堆(Small Modular Reactor,SMR)最被看好。有别于集中式核电厂,每座反应堆的发电量至少900兆瓦(Megawatt,MW)以上,SMR则仅为几十至几百兆瓦。



传统大型核电厂(左)的发电量动辄在700兆瓦以上,小型模组化反应炉(中)通常为300兆瓦左右,微型反应炉(右)则顶多有数十兆瓦。(图片来源:国际原子能总署官网)


  SMR的最大优势在于模组化,反应堆机组能够分拆成多个组件,可以在工厂大量规模生产,大幅制造成本;然后把组件从工厂运送到工地,直接在现场组装成小型反应堆,不易发生大型核电厂施工延误的状况。

  英国重工业集团劳斯莱斯(Rolls-Royce)旗下SMR公司评估,小型模组化反应炉的建造成本约为22亿至28亿英镑(约208亿至265亿港元),传统核电厂成本则为60至90亿美元(约468亿至702亿港元);SMR建造时间只需5年半左右,比传统核电厂快2年。



劳斯莱斯每座SMR约可供电470MW,占地约有10英亩,较传统核电厂小很多。(图片来源:劳斯莱斯官网)


SMR体积小可设于地底或海上

  它的另一优势是体积较小。例如日本三菱重工的SMR,机组高度为3公尺,宽度为4公尺,重量在40吨以下。如此小巧的反应堆,占地面积较小,既可设置于不适合大型核电厂的地方,又可在偏远地区充当整体电网的辅助角色,供电给农村或工业区。

  由于SMR机组较小,所以可适用于石油探勘、太空探索、军事布防等特殊用途,还可以设置于地底或是海上。例如俄罗斯建造的罗蒙诺索夫院士浮动核能发电厂(Akademik Lomonosov),便是全球首座海上浮动核电厂,已于2020年5月投入商业营运,设有2座35兆瓦的小型模组化反应炉。



罗蒙诺索夫院士浮动核能发电厂是一艘无自身动力的巨型海上载具,船身长度为144米、宽度为30米,重量达21,500吨。(图片来源:维基百科)


  一般而言,SMR的发电量大概为300MW,仅及传统核电厂的三分之一,加上其被动冷却系统纯粹靠物理现象运作(如自然循环、自然加压等),一旦发生紧急事故,可以在无需人员操作或电源要求下自行关闭系统,降低辐射外泄的机会。

  联合国国际原子能总署(IAEA)更指出,小型模组化反应炉对核燃料的需求更少。传统核电厂每一、两年便要更换燃料棒,SMR则每3至7年始需要一次,有些小型反应炉的设计甚至可以运转30年都不用补充燃料。

美国SMR初创公司群雄并起

  目前全球各地正在开发中的商用小型模组化反应堆已逾70款,美国、英国、日本、加拿大都有科技企业投入SMR项目。以美国初创公司NuScale Power为例,2022年8月获美国核能管理委员会(NRC)通过SMR设计认证申请,有望成为首家在美国建造小型模组化核反应炉的厂商,预计其首座核电厂将于2029年开始供电。



NuScale Power预计于2029年在美国爱达荷州西北部营运首座SMR核电厂,每座反应炉的发电量不到 100兆瓦,将按照当地需求合并多座反应炉进行供电。(图片来源:NuScale Power官网)


  NuScale Power的SMR方案名为“VOYGR”,属于轻水反应堆,每座反应炉高度为20公尺,直径则为2.7公尺,发电量约77MW。根据该公司估算,在美国国内兴建SMR核电厂的成本为每千瓦少于3,000美元(约2.34万港元),比起大型反应炉的每千瓦5,000美元(约3.9万港元),几乎便宜了一半。

  由微软创办人比尔.盖茨(Bill Gates)投资的美国初创泰拉能源(TerraPower),研发中的SMR方案唤作“Natrium”,采用钠冷快中子反应炉技术,用铀锆合金作为燃料,以液态金属钠充当冷却剂。钠的沸点比水高得多,能够吸收更多热能,减轻施加于反应炉上的压力。

  钠反应炉不需额外电源来驱动降温系统,故此不会像福岛核电厂般因外部电力被切断,致使反应炉无法降温而爆炸。泰拉能源拟斥资40亿美元(约312亿港元),在美国怀俄明州凯默勒市筑建世上首座钠反应堆核电厂,预计于2030年竣工。

  另外,韩国SK集团于2022年8月宣布,向泰拉能源投资2.5亿美元(约19.5亿港元),与盖茨并列该公司的最大投资者,藉此在韩国本土和东南亚国家推进商用SMR项目。



泰拉能源将会为其SMR小型反应炉加入熔盐储能系统,将电容量从345MW提高至500MW。(图片来源:TerraPower官网)


英加日竞相开发小型核反应炉

  英国将核能定位为“绿色工业革命”的重要支柱,积极推动国内SMR产业发展。英国政府不但要求核监管机构于2022年3月启动核电审批程序,更在11月向劳斯莱斯提供5.46亿美元(约42.59亿港元)融资,以建造英国首座小型模组核反应堆,预计发电量为470MW,希望在2030年代落成并并入电网。

  劳斯莱斯下一步计划是在英国兴建和经营10至15座SMR,预估到2050年有望带来520亿英镑(约4,890亿港元)的经济效益,出口总额可达2,500亿英镑(约2.35兆港元),以及创造40,000个工作机会。

  加拿大安大略省电力公司(OPG)于2021年12月宣布,跟日本日立与美国通用电气的合资公司GE Hitachi Nuclear Energy建立合作伙伴关系。OPG会采用该公司开发的小型模组核反应炉“BWRX-300”,发电量可达到300MW,预计2028年落成第一座反应炉。



日立与通用电气的合资公司GE Hitachi Nuclear Energy现正开发SMR轻水反应炉“BWRX-300”。(图片来源:GE Hitachi Nuclear Energy官网)


  日本三菱重工埋首开发小型轻水反应炉,基本设计已完成80%,每座反应炉的发电量为300MW。该公司拟将SMR核电厂部分设施修建在地底下,以降低地震或其他天灾带来的损害,目标是2030年代中期完工并开始供电。由此看来,各地科企都在努力让小型模组化反应炉能在2030年左右投入营运。

SMR反应炉仍有核废料问题

  然而,SMR始终是核反应堆,依然有核废料问题。美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory,ANL)的研究显示,反应堆产生核废料的数量,与燃耗效率有关。所谓“燃耗效率”,意指用一定数量燃料能产生多少热能的比值。



美国能源部委托阿贡国家实验室,针对SMR核废料进行研究。(图片来源:阿贡国家实验室官网)


  ANL研究人员指出,泰拉能源Natrium反应炉的燃耗效率较轻水反应炉为高,产出的核废料亦较少。NuScale 的VOYGR反应炉在技术上与现存轻水反应炉没什么不同,故此燃耗效率和核废料数量跟后者相若。

  劳斯莱斯SMR公司估计,假设一座小型反应炉运转60年,产生的核废料足以铺满整个网球场,厚度更达1公尺。该公司表示,核废料初期会暂存在核电厂,之后会转移至英国政府指定的长期存放位置。


易被好战份子盗用发展核武器

  另一个更严重的问题,因为SMR体积小巧,所以更容易被恐怖组织或好战份子盗用,偷运到政治动荡地区,制成核武器。哥伦比亚大学国际公共事务学院教授拉马纳(M. V. Ramana)估计,每座劳斯莱斯小型反应炉的核燃料足以制造10枚核弹。

  但无可否认的是,在极端天气与地缘政治的影响下,如今已没有一种能源是绝对安全的。例如欧洲在2022年遭受极端热浪与干旱侵袭,导致水力发电量大幅降低。更不用说,天然气因俄乌战争而减少供应,让欧洲一度陷入能源危机。

  由是之故,愈来愈多国家视SMR为永续能源的新选择。美国能源部预估,未来全球对第四代核电技术的需求,包括人力、设备、以及相关产业链等,将会形成1兆美元(约7.8兆港元)的庞大市场规模。


  《经济通》所刊的署名及/或不署名文章,相关内容属作者个人意见,并不代表《经济通》立场,《经济通》所扮演的角色是提供一个自由言论平台。

上一篇微软100亿重押OpenAI!Bing整合ChatGPT强化搜寻能力
下一篇人造太阳技术成真!点燃全球能源技术竞赛战火!
评论
我来说两句1