「先進」未必比較好(”Advanced” Isn’t Always Better)

編按:本文節譯自2021年3月21日憂思科學家聯盟《Advanced Isn’t Always Better》研究報告。作者萊曼博士(Dr. Edwin Lyman)為現任該聯盟核電安全主任。

核工業界習慣於稱非輕水反應爐為「先進反應爐」。不過就絕大多數現今的設計而言,「先進反應爐」之名,是個誤稱,此類「先進反應爐」的構想,幾十年前已然提出。例如提出液態金屬冷卻反應爐(the liquid metal–cooled fast reactor)設計的時期,就早於輕水反應爐。儘管如此,非輕水反應爐的開發業者仍然聲稱,此類型反應爐代表突破輕水機組的技術創新。

但是現今仍處於開發階段的非輕水反應爐既不新,太過資源密集,又太危險,更無法改善傳統的輕水反應爐的問題。

根據現有證據,非輕水反應爐設計,相較於現今的核電廠,不太可能更安全。事實上,某些替代反應爐設計,會比現有的機組設計帶來更多的核安、核武擴散和環境風險。

現今的非輕水反應爐主要包括鈉冷卻快速反應爐 (Sodium-Cooled Fast Reactors)、高溫氣冷式反應爐(High Temperature Gas-Cooled Reactors)、熔融鹽燃料反應爐(Molten Salt-Fueled Reactors)等,這些反應爐具有特定、各式各樣與衍生的安全問題,不但無法大幅改善傳統的輕水機組,以證明開發的必要性,同時成本和風險卻也很可觀。

鈉冷卻快速反應爐:該型設計有許多核安問題,但輕水反應爐卻不存在這些問題。鈉冷卻劑如果曝露於空氣或水中會燃燒,一旦燃料過熱,鈉冷卻劑沸騰,這類反應爐可能會經歷難以控制的快速功率增加,功率可能失控,繼而導致爐心損壞。在嚴重的事故條件下可能會像小型核彈一樣爆炸。

前蘇聯車諾比4號機雖非快中子反應爐,卻有著類似的設計缺陷,即「正空泡係數」(positive void coefficient),這是1986年反應爐發生爆炸的主因。為降低這類風險,快中子反應爐必須配備輕水反應爐並不需要的額外核安系統,如此一來資金成本也隨之增加。

高溫氣冷式反應爐:該型設計欠缺傳統輕水反應爐的圍阻體。該型反應爐的三結構各向同性(tristructural isotropic)燃料可達攝氏 800度,如果發生冷卻劑損失事故,它的放射性裂變產物,溫度可高達攝氏1600度。不過,燃料加熱到此一溫度,釋出的裂變產物遂驟增。高溫氣冷式反應爐所使用的燃料並非自我標榜的防熔燬,而是正好相反,其易於發生空氣或水洩漏至反應爐的意外事故。

熔融鹽燃料反應爐:這型反應爐使用溶解在至少攝氏650度的熔鹽中的液體燃料,該型反應爐可以使用石墨作為慢化劑,也可以不使用慢化劑的快中子反應爐。

所有熔融鹽燃料反應爐在運作時,都會就燃料進行不同程度的化學處理,以去除影響反應爐性能的放射性同位素。

這型反應爐通常會釋出大量氣態裂變產物,核工業者必須另行截留與儲存隨之而來的大量氣體裂變產物,如銫137,因為一旦釋出放射性核種,如車諾比核災與福島核災,就會造成持續和嚴重的環境污染。

聲稱熔融鹽燃料反應爐不會熔化,這是過度簡化反應爐所引起的安全問題。在某些情況,若熱液體燃料溫度驟升,會在幾分鐘內破壞熔融鹽燃料反應爐。

虛耗國家資源於高風險技術

有鑒於美國能源部在2017年的技術評估,該部於2020年10月選擇鈉冷卻反應爐與高溫氣冷式反應爐兩種設計。據能源部估計,計畫將耗資32億美元,用於建造反應爐及其配套燃料設施,供應商僅出資50%。

能源部要求反應爐應於7年內投入運行,7年是指包括美國核能管理委員會審核、許可、興建、燃料生產,測試的過程在內。在迫切需要解決氣候危機時,能源部卻虛耗資源於高風險的想法。

不須原型機測試

美國核管會早在1990年代主張,在放行任何一種類型的非輕水反應爐之前,開發者必須建立原型機,加以測試,以確保核安。

非輕水反應爐並未建造過任何原型機。而現今核管會顯然已經改變先前立場,決意不須原型機功能測試,就可放行反應爐,未經測試性能的機組可以直接商轉,這些計畫不僅可能面臨意料不到的風險,而且可能危及公眾安全,以及造成嚴重事故。

非輕水反應爐仰賴昂貴的新核子設施和基礎建設,方能生產反應爐所必須的各種核燃料,乃至於管理核廢料。

相較於非輕水反應爐,輕水機組技術已運作數十年,已獲得實際操作經驗。

目前鈉冷卻反應爐和高溫氣冷式反應爐的設計與過去的輕水反應爐大為不同, 熔融鹽燃料反應爐也非成熟設計。繞過製造原型機及驗證機組性能的相關測試,直接投入商業部署,只會造成高風險。

如果核工業堅稱,核電有助於因應氣候危機,與其堅持開發非輕水反應爐,倒不如確實改進現存的輕水機組,風險相對較小。

核電無助於緩解氣候問題

我們能否快速部署非輕水反應爐,在減少碳排放和避免氣候變遷上發揮作用?聯合國政府間氣候變遷專門委員會確立,到2050年能夠實現《巴黎協定》使全球平均氣溫增幅限制在攝氏1.5度目標的85種能源供應途徑。

到 2050年,這些途徑的核電裝置容量中位數,約為 2020年水準的150%。考量反應爐除役年度總數的現況,這相當於從現在到2050年,每年至少要達到裝置容量25,000 MW的非輕水反應爐併網,這是近年來全球新的輕水反應爐興建速度的5倍,方能有效降低碳排和避免氣候變遷的最嚴重影響,這根本是不切實際的觀點。

核廢不會消失

高溫氣冷式反應爐使用稱之為高含量低濃縮鈾 (high-assay low enriched uranium)的燃料, 鈾效率並未優於輕水反應爐,卻會產生大量高放射性廢棄物。

所有宣稱,核子反應爐本身可以自行「燃燒」或「消耗」核廢料的說法,皆是誤導和過度簡化。世上沒有任何一種核子反應爐可以直接利用用過核燃料,又稱為貧化鈾,作為核燃料。

反應爐實際上只能使用用過核燃料的一小部分,作為新燃料,但是再處理用過核燃料,以取得可用的元素,卻會增加核武擴散與恐怖主義的風險。

TerraPower 聲稱,自身開發行波反應爐可以使用貧鈾廢料庫存作為燃料,並提高鈾的使用效率。但在鈾相對廉價,且豐富的情況,核電開發商當然欠缺經濟動機,投入開發更有效率的鈾反應爐。

然而,即使業者願意開發,仍必須克服許多技術挑戰。例如TerraPower無法克服開發行波反應爐的技術挑戰 ,不得不暫停該計畫,轉而追求更傳統且鈾效率低得多的鈉冷卻反應爐,開發行波反應爐的技術難度,可見一斑。

再處理會增加核武擴散風險

用過核燃料必須再處理,就是經化學處理,以取得鈽和其他超鈾元素,繼而以取得的元素,再製成為新核燃料。鈽和超鈾元素亦可以用於核武。

再處理和回收使這等材料之時,該等放射性物質易於遭轉移或盜用,因而增加核武擴散和恐怖主義的風險。

使用高含量低濃縮鈾燃料的高溫氣冷式反應爐,遠比輕水反應爐更容易造成核武擴散,部分原因在於燃料製造系統會帶來額外維安挑戰。

如同鈉冷卻型的快速反應爐,通常需要使用鈽或高度濃縮鈾燃料。熔融鹽燃料反應爐的設計,必須要有現場持續運作的燃料再處理廠,如此一來,卻會增加轉移或竊取材料,用於核武的途徑。

因應這類核武擴散和恐怖主義的成本極高,而且並無法全面消除潛在風險,任何需要再處理的核燃料循環,相較於直接地質處置用過的核燃料棒,本質上具有更大的核武擴散和恐怖主義風險。

管制問題

美國核管會是個弱勢的管制機關。非輕水反應爐的管制架構應該要求額外的安全水準,以彌補設計本身的不確定性,以及彌補運作此類反應爐時,根本欠缺運作經驗 。

核管會可能在原型測試經驗缺乏的情況下,核可美國能源部所選定的鈉冷卻反應爐與高溫氣冷式反應爐的設計,因而面臨始料未及的可靠性問題,乃至於嚴重事故的風險。