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2018-10-01比爾．蓋茲的新一代核反應器
442 期
Author 作者
門立中／核能研究所退休研究員，主要研究領域為分析化學，核子化學及再生能源技術。
能源企業跨國合作，各取所需
2017年11月《雪梨晨鋒報》（Sydney Morning Herald）報導，美國微軟公司比爾．蓋茲（Bill Gates）所擁有之核能公司泰拉能源（Terra Power）公司與中國核工業集團公司（Chins National Nuclear Corporation, CNNC）簽署一份合作協議書，將一同發展世界第一座可使用現行商業運轉反應爐用過燃料（spent fuel）的新一代核反應爐，並將新研發之行進波反應爐（traveling wave reactor, TWR）提升為商業運轉發電廠。
雙方繼2015年簽署合作備忘錄後，再一次擴大合作內容，以在未來20年內建立1150MW（百萬瓦）的第四代核反應爐為目標。此行進波反應爐可將其他核反應爐用過之耗乏燃料（depleted fuel）作再循環使用，不但使用前無須分離其中所含之鈽（plutonium）元素，甚至在不裝填新燃料的前提下可以連續使用40年。
泰拉能源聲稱，美國境內現有70萬噸耗乏鈾（depleted uranium）待處理，目前正為深層地盤之處置、再純化取出鈽及分裂產物等後續事宜傷透腦筋。若相關問題持續未得到解決，將衍伸其它全球性問題，尤其世界各國為防止恐怖組織取得鈽以製造核彈所簽署之《核武禁擴條約》（Treaty on the Non-Proliferation of Nuclear Weapons, NPT）也將會失去意義。
中國積極與泰拉能源合作的重要原因在於，行進波反應爐每年只需80噸耗乏鈾，不需再處理程序，即可滿足2500萬家庭之用電需求。光是美國境內待消耗的耗乏鈾，就足以供這些家庭用上一輩子，顯見該合作案背後的收益有多可觀。
新型反應爐的理論基礎
泰拉能源所使用的行進波反應爐，與第四代核反應論壇所發展的「鈉冷快中子反應爐（sodium-cooled fast reactor, SFR，圖一）」，理論基礎相當接近。據了解，該反應爐使用液態金屬鈉為冷卻劑，將熱帶出爐心並使其降溫，並以鈾作為推動渦輪發電之熱交換劑，將熱傳導給水產生蒸氣。燃料的使用上有天然鈾、乏鈾或輕水式反應爐用過之核燃料（目前均以高放射性廢料為主，並耗用大筆資金、置放於岩盤以深層處理方式操作）等選擇，唯啟動反應器仍需使用濃縮鈾。
由於一旦反應開始（即有了足夠的快中子），就可以繼續連鎖反應，因此被認為可省去鈾濃縮程序及高放射性廢料（用過核燃料）之使用，並省下反應爐的運轉經費，這個概念早在1950年代就已被提出。直到1958年，俄羅斯物理學家芬伯格（Saveli Feinberg）提出模型闡述其爐心可自行產出所需之燃料元素，如鈽－239（Pu-239），故又被稱作「產燒合一反應爐（breed and burn reactor）」。行進波反應爐即是利用此一概念，將核裂解反應集中在爐心，再以每年約1厘米的龜速如水波一樣向外擴散，使外圍核燃料裂解；而泰拉能源的設計是讓燃料棒移動、裂解區域不動，故冷卻系統也不需移動，反應爐可持續運轉40~60年且不必添加核燃料。
各界意見
危險的可能性
然而，因為鈉的化學活性很高，容易造成管線破裂而洩露，使鈉和空氣中的水分劇烈作用，這也使得美國能源與環境研究機構（Institute for Energy and Environmental Research, IEER）於2013年9月刊出專文批評此一構想。此外，過去也曾有類似的案例發生，如1994年起爐的日本文殊號反應爐（Monju Reactor），在隔年即發生鈉管洩漏，關閉至2010年測試仍然失效、停機迄今；法國超級鳳凰反應爐（Superphenix）也於1996年也因類似原因關閉，至今未再投入資金。其他國家的小型實驗爐，均有類似爐心熔毀之狀況，這些反應爐都不如現在商轉的輕水式反應爐成熟，仍需投入資金作材料研發，否則風險太大。
由於鈾燃料不需太多處理程序，且可直接使用現有輕水式反應器用過之燃料，避免燃料再處理（nuclear reprocessing）過程中，鈽元素被拿去製作原子武器，反成行進波反應爐的另一亮點。若考慮運轉成本，燃料費用僅占2％左右，佔比不大且相當便宜，至於鈽元素被盜用的問題，是在管理程序上要嚴謹，不是改變原料。
泰拉能源聲稱，2022年將建立所謂的「示範爐（demonstration reactor）」，然而因其設計、運轉操作和現在美國核能管制總署（Nuclear Regulation Commission, NRC）發出運轉執照之反應爐全然不同，以美國現有發表數據來看，要在2020年代建立商轉爐是不可能的。要為新型爐重寫管制及審核文件，NRC就需重新成立委員會，獲取足夠的數據及文件，由專家寫成法規和各項導則，並依這些導則訂定危險因子，再作安全評估。因此，光是示範爐所需的設計審定、安全評估與發照時間，就不能如泰拉能源所預期之時程完成，這也是為何其決定在美國境外建立此類爐子。
中子劣化狀況難預測
美國阿岡國家實驗室（Argonne National Laboratory）退休核反應物理學史丹佛（George S. Stanford）曾作過計算，行進波反應爐仍需有核燃料再處理廠，以取得起爐原料，且爐運轉仍產生分裂產物存在爐心中，只是延後其核燃料最終處置時間至60年後，用過燃料中仍有鈾及錒系元素，其再循環處理程序並未交待清楚。
此外，反應爐中各項元件、組件、管路之材料在快中子撞擊劣化條件下，仍沒有顯示詳細的數據。目前使用的原子爐，核燃料棒不超過6年，而且有多年運轉經驗及真實數據；行進波反應爐要放入30~60年，中子劣化狀況不是現有數據可以推算的。泰拉能源的工程師將數千種材料放入俄國反應爐中作測試，以6年的劣化推估30年後之狀況，恐怕太樂觀了些，更何況鈾－238分裂產物有一部分是氣體，現有資料在6年內可忍受此一壓力，但30年照射後，其壓力就不得而知了。
結論
這是一個值得投入人力、物力和財源去探討的議題，如Terra Power聲稱有許多優點；但也要考量材料在長期高通量中子照射下對材料的可能影響。當然，在實驗之初多方考量，提出足夠有說服力的數據，於執行過程中不斷修正，再找出一種新能源，對世界極端氣候變遷就有很大助益。