距2024年總統大選不到十個月時間,核電再度成為話題。幾位「可能的」候選人不時口出驚人之語:「3座核電廠延役」、「核四重啟」與「一縣市一核電」;工商大老們亦推波助瀾力推小型核電。其實,小型核電是大型核電計畫行不通後才出現的「新願景」,小型核電不能免除核電運轉時的安全疑慮,會產生更多高階核廢料外,與大型機組相比,小型核電並沒有縮短建造時間,單位成本卻更高!核融合發電還在實驗初期,至少再需30年時間發展。以核能發電減輕氣候變遷問題,不但減量太少、過於昂貴,想擴充也緩不濟急。
2023年4月15日,國際媒體紛紛報導德國正式關閉境內最後3座運轉尚不滿40年的核電機組。同時間,美國喬治亞州的Vogtle-3與芬蘭OL-3兩座大型新核電機組先後併網連線,卻不見擁核人士熱烈慶祝,因為原本宣傳「便宜、興建快速」的計畫,卻成「昂貴、不停展延」的惡夢,完全不值得誇耀!
大核電機組讓核電復興變成夢靨
21世紀初,車諾堡核災逐漸被淡忘,氣候變遷衝擊日益嚴重,歐美各國紛紛啟動新核電機組建造計畫。最早是芬蘭OL-3,建造一座法國設計1.6 GW歐洲壓水式反應爐(EPR),2005年8月動工,預定2009年5月併網供電。計畫開始前,法國Areva公司對價格估算與工時掌握信心十足,希望藉此案吸引更多顧客,以固定總經費32億歐元承包,自行吸收所有超支,並附延遲完工罰則。但一開始因工程品質、工法與設計等問題,進度一再落後、經費持續追加,完工時經費已超過110億歐元,Areva公司因此案破產!法國2007年興建同型核電,經費至今已是原預算5倍多,完工從預定的5年內變成遙遙無期。
美國則在2010年前後,分別在喬治亞州與南卡州各蓋兩座西屋公司新型壓水式機組(AP1000)。此機組設計特色是所有主要設備都可以在工廠製作,預製的模組運到現場組裝,宣稱可以降低成本並改善品質。這兩州都通過法案,容許電力公司在核電機組興建時調漲電價,將建廠經費與風險轉嫁給消費者。兩州的電廠計畫都由西屋公司承包,西屋卻遲遲沒有提供業主可以整合各部門工作的完整建廠規劃。喬治亞州Vogtle核電廠計畫在落後7年、經費倍增情況下完成第一座機組。
南卡州的計畫則因缺乏嚴格監工,工程嚴重落後,經費從原估計98億美元增加到250億美元,電價調漲9次。2017年初西屋公司聲稱因這4座核電機組計畫,累計虧損90億美元,宣告破產;同年7月計畫業主Santee Cooper與南卡電力瓦斯公司(SCANA)同意終止計畫。事後,兩位SCANA主管因長期隱匿工程的延宕,欺騙股東與管制單位,被判刑入監,被稱為「核電門」(Nukegate)。
回歸小型核電是否犧牲運轉安全?
小型核電是小型模組化反應爐(SMR)的簡稱,寄望由「量產」解決核電高成本與工時過長問題。其實,核能發電早期就從小型機組開始,只是不時發生意外:加拿大粉筆河(Chalk River)核電廠10MW與135MW重水式機組分別在1952年、1958年發生爐心部分融毀及燃料破裂引發火災事件;1961年愛達荷州1.5MW沸水式實驗反應爐爆炸;1966年底特律南方69MW以鈉冷卻的快速滋生反應爐Fermi 1發生爐心部分熔毀事件等,機組小未必比較安全。隨著每次意外發生,核電廠增添安全防禦設施,為了分攤安全設施成本,核電機組愈蓋愈大。如今,倡議回歸小型核電機組是否會犧牲操作運轉的安全?
近期核電業者所提的SMR琳瑯滿目:沸水式、氣冷式、重水式、鈉冷卻滋生爐等等,都以五、六十年前的設計為基礎修改,並沒有解決過往的技術瓶頸與安全癥結。許多國家看似對SMR有興趣,但至今僅中俄兩國擁有,中國的兩座100MW氣冷式反應爐,建造時間從預估59個月變成9年,單位建造成本6000美元/千瓦,工時與成本都不輸大型機組!俄羅斯安放在拖船上的兩座40MW機組,花7.4億美元13年時間興建,換算單位成本為12,000 美元/千瓦,真正僅有45%與18%時間發電!
NuScale公司的SMR沒有足夠顧客
美國是下一個最可能實現SMR計畫的國家,2017年能源部協助NuScale公司與猶他州城市電力系統聯盟(UAMPS)合作,並分年提供14億美元補助,預計建造12座沸水式SMR。機組大小不斷變更,從最早40MW,改成45MW,50MW,再增加為60MW,目前定在77MW。第一個模組運轉時間從2016年延後為6座機組於2030年前完成。2017年NuScale公司非常樂觀地預估:2035年前全球將會有1000座類似的SMR。不過直到2022年底,參與計畫的27城鎮僅簽116MW電力需求,遠低於NuScale公司的期望。看來,能否找到足夠的顧客,決定NuScale公司SMR的未來。
許多人懷疑蓋茲高爭議的SMR能否成功
另一個受眾人矚目的是蓋茲(Gates)推動354MW以金屬鈉冷卻的快速滋生反應爐,因為可以用來生產核武的鈽,原本與中國合作計畫,被川普政府否決,改和日本三菱重工合作。鈉性質與鋰相似,遇水迅速起火燃燒。美國核子潛艇之父李高佛(Rickover)上將對此型反應爐評價極差:造價非常昂貴,操作過度複雜,細微的破損都會造成長時間停機,修理既耗時又非常困難。法國20多年前關閉的超級鳳凰與7年前日本政府廢棄的「文殊」反應爐同屬此類型。美、德、英也都曾經分別投入百億美元以上發展此類機組,最後全都放棄! 蓋茲團隊能否成功,令人懷疑。
與大型核電機組相比,SMR興建並沒有顯著縮減工時,可能更昂貴。以舊機型設計修改的SMR除了原本設計的安全疑慮外,修改後的設計還可能產生新問題。有學者質疑NuScale公司的自動防止核災設計不如宣稱的有效,事故發生後可能再度引發連鎖核反應,導致失控。美國前核能管制委員會(NRC)主席麥克法倫參與的研究估計,SMR單位發電所產生的高階核廢料比傳統大型核電多2至30倍。台灣對SMR有興趣的人士,要選擇NuScale或蓋茲的SMR,或其他類型?誰應該負擔SMR計畫的經費與風險?
核融合指日可待嗎?
核能是愛因斯坦「質能互換」的表現,「核分裂」將大原子以人為方式打碎,反應後減少的質量轉換變成大量的熱用來發電,破碎的產物許多是自然界沒有,生命期長且毒性高的高階核廢料。「核融合」則是在高溫高壓環境下,將兩個小原子擠壓成一個較大原子,同時產生巨大的能量,恆星如太陽就因持續的核融合反應才會發光;自然界各種原子是經過一次次的核融合產生,自然的核融合沒有需要特別安全處理的核廢困擾。
2022年底,美國能源部長宣布國家點火設施(NIF)的核融合實驗有突破性發展──首度實驗產生的能量比使用的高,不僅提升(美國)國防能力,也為未來(無限)潔淨能源鋪路!樂觀的媒體甚至預測2030年可能出現核融合原型電廠。許多核能專家對前述訊息感到困惑:NIF是因為美國不再進行核武試爆,為了獲取核武爆炸相關數據才設置。192道雷射聚焦胡椒粒大小的鑽石燃料膠囊,不到一秒鐘瞬間完成,一天只能做一次,實驗設計裡沒有考慮發電需要的持續性。
核融合發電至少再等30年
1985年美、日、蘇聯與歐盟共同發展核融合發電技術,後因經費問題美國退出後聯盟瓦解。2006年簡化原設計,團隊重組增加印度、中國與南韓成為7組國家合作計畫,2008年於法國起造「國際核融合實驗反應爐」(ITER)原型反應爐,目標希望以50MW產生500MW能量,核融合反應持續至少500秒。如果階段性目標達成,將另建更大的原型機組嘗試發電。完工期由2018年延至2025年底,目前看來2030年不可能有核融合原型發電設施。
自然界有環境可以直接將氫原子擠壓,人類為了讓核融合在較低的溫度(攝氏1.5億度)下進行,用氫的同位素氘(D)與氚(T)為燃料。海水中氘含量豐富,每1000公升約含31公克;放射性的氚自然含量極為稀少,半衰期12.3年,不用也逐漸衰變消失,目前用的氚是從核反應爐或以放射線撞擊含鋰金屬產生。估計全球氚總量不到30公斤,如果ITER完工,每年至少用1公斤氚,沒有多少氚可供商業核融合使用;也因為稀少,氚價格非常昂貴,每公克3萬美元,實驗用量少勉強可負擔,但這價格不可能大量用來發電!
此外,人為核融合與自然的核融合不同,前者必需在可控制的設備中進行,這些設備必須長期承受高溫、高壓與高速粒子撞擊,而受撞擊的設備也逐漸被轉換成高階放射性物質。這也就是說,人為核融合反應仍有高階核廢料需要處理!
地球絕大部分能量源自於太陽,化石能源是幾百萬年前儲存在動植物體內的太陽能,轉換成煤、油與天然氣,今日被人類取出利用。風、太陽能、水力等也都源於太陽,存在地球各角落,今天人類已經可以用合理的價格利用這些能源,它們就是「能源的聖杯」,實在不需捨近求遠,使用昂貴、風險高,還把沒有能力處理的核廢留給子子孫孫的核電技術。