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中國的「核電寶」

13 中國的「核電寶」

文‧ 編輯室


在中國,我們稱之為「行動電源」的小型充電電池被叫做「充電寶」,那你可以猜到「核電寶」是什麼嗎?

從充電寶這個詞來推敲,核電寶指的就是「迷你核電廠」,也就是將核電裝置小型化。講很容易,但要將核電裝置小型化並不易實現,因為現有的核電裝置對核燃料的導熱性能有很高的要求,但中國最近在第四代反應爐—麒麟一號(鉛基反應爐)冷卻技術方面的研發有了重大的突破,可有效解決核電裝置高效導熱的問題,而且安全性也大幅提高。基於這項技術,中國已著手開發世界首座迷你核電廠,有望率先推出只有6米長、2.5米高的迷你型核電電源裝置—核電寶。

在解釋「鉛基反應爐冷卻技術」怎麼實現核電裝置小型化之前,我們先來了解一下核能發電的原理吧。核能發電其實就是高級版的燒鍋爐,是一個把熱能變成電能的過程。透過核燃料進行分裂反應時所釋放出的熱能,流經核燃料的循環水受到加熱升溫進而成為水蒸氣,這些水蒸氣通過氣輪機而轉化為機械能,再經過發電機將機械能轉為電能。



在一般反應爐運轉的過程中,水就是用來帶走熱能的物質,所以水就是反應爐的冷卻劑。水冷卻劑雖然成本低廉,但其安全加熱的上限溫度只能到攝氏三、四百度,對後繼發電部分來說,這樣的溫度卻會降低發電效率。所以在這幾十年間,科學家又陸續發明鈉冷卻劑、氦冷卻劑等流動式氣、液態冷卻劑,以及最近的固體冷卻劑—鉛。

可是,鉛冷卻劑不屬於流動式冷卻劑,怎麼把熱量帶走呢?是因為它的熔點較低,只有327℃,如果把鉛結合其他金屬做成合金(鉛基材料),則熔點更低,僅有攝氏一、二百度。當鉛或鉛合金熔化變成液態後,具有非常良好的流動性(與水銀相似)。在鉛冷卻劑吸收核分裂釋放出來的熱量後,固體的型態會轉變成液體,然後不斷的循環流動,帶走熱量並發電。整個過程其實就像是用核燃料不斷的燒一鍋「鉛基液體」。

相較於傳統的水冷卻劑,鉛冷卻劑的沸點高達攝氏兩千度,比水高出非常多,在水的沸點溫度時狀態仍非常穩定,不會是一組「壓力鍋」。另外,鉛冷卻劑的導熱率為水的30倍,可以帶走的熱量也比水更多,加上其化學性質並不活潑,幾乎不會與水和空氣發生反應,因此也可以避免像日本福島電廠發生氫爆那樣的事故。有效地提高發電效率與安全係數,都是核電裝置小型化能得以實現的原因。

相關研究研究人員表示,核電寶可生產1,000MWt 的電力,不需更換燃料也可以運轉數年的時間。也因為核電寶在運轉的時候不會產生任何的塵、煙,即使放置在小島上居民也不太容易發現它的存在,但因為仍有放射性物質外洩的可能性,要說服居民說核電寶是一項安全的技術,還是有其困難存在。



海上核電廠

除了「核電寶」之外,中國自產的海上核電廠也來勢洶洶。中國廣核集團(以下簡稱「中廣核」)於11 月初宣布,其開發的一座小型反應爐已進入工程階段,該反應爐將可滿足海上用戶的用電需求。中國在2016 年年初即透露國內海上浮動式核電廠已處於規劃階段,將對中國於海域資源的開發帶來非常大的利益。

海上核電廠,顧名思義即是把核反應爐安置在船舶上,由船舶開往需要使用電力的海洋。雖然中國在核動力方面的研發已有近半個世紀的時間,也擁有多艘核動力船艦,但屬民用的核動力船舶並無先例。中國工程院院士潘自強表示,不管是將反應爐安置在如潛水艇或航空母艦等的船艦,或是發電用的民用船舶身上,這在技術上都已經沒有任何問題。

中廣核研究院補充,中國的海上核電廠是參考陸上大型商用壓水式反應爐,將核電設備技術結合海上裝置技術,符合最高核安要求與海上用戶需求,建立分布式海洋綜合能源系統,打造「哪裡需要到哪裡去」的海上移動式核電廠。

目前中國開發中的海上核電廠的發電功率相當於陸上百萬瓩級的反應爐的1/5,根據國際原子能總署(IAEA)的標準來看,屬於小型反應爐。由於陸地與海洋存在巨大的差異,使用的技術也有所不同。基於海洋的特殊環境,海上核電廠的反應爐必須集中重量、重心低、抗傾斜,在設計時也須考量到海上颱風、冰雪載荷等對反應爐帶來的影響,也必須滿足國際對放射性物質排放的要求。

根據中廣核先前公布的資料顯示,這座反應爐預計2017年啟動示範建設,2020年建成發電。而在中廣核之前,中國就有其他核電集團已經、或正在布署海上核電廠,中國核工業集團(以下簡稱「中核集團」)已於2015年中完成該集團小型漂浮式核電廠的總體設計,其設計、試驗、設備研發等各環節均已貫通,預計2019年完工投入運轉。

另外,中國核工業建設集團以及中國國家電投集團也都在進行海上核電廠的布署,預計海上核電廠在實施大量建設後,預計每座的投資額為20億人民幣(約90億新台幣),就算建造20座海上核電廠都還比建造一座航母艦隊便宜,可見其未來的發展趨勢。

隨著技術不斷的進步,以後核電裝置的體積將越來越小,能量利用率也會越來越高,或許某一天我們真的能像漫威電影《鋼鐵人》一般,實現裝置於他胸口的「核能電池」,為持有者提供源源不絕的能量。



參考資料:
1. Nuclear Engineering International. “China Developing World's Smallest NPP.” 2016/10/12. Web.
2. 科普中國,「有點厲害!世界首台“核電寶”將只有集裝箱這麼大?」
3. 第一財經,「海上核電站:哪裡需要哪裡去」
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Last modified:2017-01-06 14:16:32 by nicenter Powered by TadBook2
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