中央研究院淨零科技

黃恩浩博士/永續科學中心淨零科技工作小組

        隨著全球對淨零排放的承諾，電力部門轉型為生產無碳電力已成為達成 2050 年淨零目標的關鍵策略。然而，僅依靠快速發展的再生能源，要在 2050 年前實現全面淨零排放仍具相當挑戰。在當前全球能源轉型的背景下，核能技術再次受到關注，憑藉其高能量轉換效率、低碳排放特性與持續穩定供電能力，核能在未來能源結構中的角色愈加重要。隨著技術不斷演進，核能從第一代試驗型反應爐發展至目前開發中的第四代技術，在安全性、燃料利用效率及經濟性方面皆有顯著提升。因此，各類新型核能發電技術似乎又重新回到淨零排放電力的討論項目之一。本文將介紹核反應爐各世代的技術特性，探討第四代核反應爐的定義，並介紹目前廣受關注的小型核能發電技術 SMR 與第四代核能的關聯性。

核反應爐世代特性

        核分裂反應爐依演進世代，可分為第 1、2、3、3+和4代反應爐(如下圖)。

         第1代為實驗型進行技術驗證，技術成熟後之商轉始於第2代，每噸燃料約可產生7億度電，歷年發生事故的前蘇聯車諾比(1972)、美國三哩島(1968)、日本福島(1967)等核電廠皆屬於第2代技術，我國的核一(1971)、核二(1974)及核三(1981)亦屬於此類(括號內為興建年代)。

        全球當前操作或建造中的核反應器多屬於第2代或第3代技術，後者相較於前者已有顯著的進步，如數位化控制與被動安全系統，我國原規劃興建的核四亦屬於第3代，每噸燃料約可產生14億度電。相對於第2代，第3代核能除了單位燃料產電量提高之外，亦將控制系統進行數位化，對反應爐結構與事故停機的因應機制已加以改良。

相較於第3代，較新的第3+代具有免人為介入之被動式安全(passive safety)特性之外，每噸燃料產電的效率也較高，發生事故機率比第2代小2個數量級，同時具有快速提升負載能力的新設計。

圖1 核反應爐世代特性

(資料來源：A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems¹. 2002及本院整理)

        許多國家與企業已投入第4代核反應器技術發展，為能進一步提高反應器的經濟效益和安全性，並努力減少產生出的放射性廢棄物。第4代核反應器²依設計的不同，每噸燃料所能產生的電力為9~120億度不等，相對於第3+代，設計上大幅提升每噸燃料所能產生的電力。有些第4代設計可對使用過的核燃料重複利用，為核廢料的處置減輕負擔；第4代設計的反應爐走向小型化、模組化，理想上可大幅縮減建廠與維修時間，亦可應用於偏遠地區、石油探勘及軍事基地等，並導入被動式安全機制對免人為介入安全停機做進一步優化。

        根據第4代核反應器，國際論壇GIF(GENIV International Form) 明確定義有6種型式：

1. 超高溫氣冷式反應爐(very-high-temperature reactor, VHTR)
2. 鈉冷式快中子反應爐 (sodium-cooled fast reactor)
3. 超臨界水冷式反應爐 (supercritical water reactor)
4. 氣冷式快中子反應爐(gas-cooled fast reactor)
5. 鉛冷式快中子反應爐 (lead-cooled fast reactor)
6. 熔鹽反應爐 (molten salt reactor)。

        為確保第4代核反應器的安全與其可能對環境影響，GIF並明確指出第4代核反應器應在4個領域：永續發展、經濟效益、安全可靠及防止擴散上，達到明確的目標、標準與指標。如下表所示。

表1 GIF第4代核反應器指標

  (資料來源：第4代核反應器國際論壇GIF³(GENIV International Forum)

        第四代核反應爐技術的一大發展方向是小型模組化反應爐SMR(Small Modular Reactor)，其設計強調模組化建造、被動安全系統，以及適應多種應用場景，如偏遠地區供電、工業熱能供應及軍事基地等。SMR 以小型化和模組化設計提供更大的選址彈性，並能有效縮短建設時間與降低成本，且其功率較低、具備被動安全機制與完全封閉的冷卻系統，使嚴重事故風險大幅降低。然而，某些設計特性可能導致放射性廢棄物的體積和放射毒性相對增加，使得核廢料的管理仍是值得關注的議題。

        國際原子能總署IAEA (International Atomic Energy Agency) 對SMR量體定義(詳下圖)，與傳統的大型核電廠(700MW以上)相比，SMR以其小巧的設計(通常介於20-300MW)而受到注意⁴。

圖2  國際原子能總署IAEA對SMR量體定義⁵

        IAEA小型核能進展報告中將SMR大致分為六類⁶：

1. 陸地型水冷式(Land-based water-cooled)
2. 海上型水冷式(Marine-based water-cooled SMRs)
3. 高溫氣冷式(High Temperature Gas cooled Reactor, HTGR)
4. 液態金屬冷卻式(Liquid Metal-cooled Fast Neutron, LMFN)
5. 熔鹽式(Molten Salt Reactors, MSRs)
6. 微型反應器(功率 <10 MWe)。

        目前已約有半數的SMR反應器採用第4代核反應器技術進行設計， 對照如下：

圖3 第四代反應器型式與SMR分類對照

        核能技術的發展已歷經數個世代的演進，從第一代的實驗性反應爐，到第二、三代商轉機組的逐步改良，再到目前正積極發展的第四代技術，各世代核反應爐在安全性、燃料利用效率與經濟性方面都有顯著提升。特別是小型模組化反應爐(SMR)，因其模組化建造、被動安全設計及適應多種應用場景的優勢，已成為未來核能發展的重要方向。然而，儘管第四代核反應爐在提升能源效率、減少核廢料與強化安全性方面展現出極大潛力，其商業化應用仍需克服多項挑戰，包括技術成熟度、監管合規性以及放射性廢棄物管理等問題。未來，隨著相關技術的進一步突破與國際監管機制的完善，第四代核能技術能否成為全球能源轉型的重要推動力，仍有待觀察。無論如何，在追求低碳能源與能源安全的目標下，核能仍將在未來的能源佈局中扮演關鍵角色。

1. The Generation IV International Forum. A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems. 2002. https://www.gen-4.org/gif/jcms/c_40481/technology-roadmap
2. 李敏，核分裂反應器的發展歷程，科學月刊，2011，42(2)。
3. 同前揭註1
4. Benefits of Small Modular Reactors (SMRs), US Office of Nuclear Energy, https://www.energy.gov/ne/benefits-small-modular-reactors-smrs
5. 同前揭註4
6. International Atomic Energy Agency(IAEA) (2022), Advances in Small Modular Reactor Technology Developments.