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- 發佈:2023-09-19
核融合並非淨零選項
國內多位商業與政治領袖對於近期國際核能的發展,都強調小型核能機組為各國積極投入研發重點,且核融合技術已有突破,因此臺灣不應堅持非核家園,而應重新佈局核電,但此類論述,則需從核電在淨零路徑中的角色,以及小型核電機組真正的發展狀況等來檢視,方可掌握全貌。
國際能源總署(IEA)的淨零路徑研究,指出核電要倍增才能達到淨零。但此引用並不準確。IEA所提出的淨零路徑中,電力系統要達到淨零,得需靠再生能源於電力結構之占比於2030年時提升至 61%,在 2050 年時達到 88%。2050 年時全球核能發電量倍增,然占比則是由目前的 10%降至 8%。全球核能發電裝置容量須從2022年的406GW,於2030年提升至515GW,2050年時達到812GW。但依據OECD核能署(NEA)分析,就算考慮到當前機組延役以及目前興建中大型核電,2050年時全球核電機組裝置量僅會達到479GW,僅為IEA淨零情境中的核電機組需求量的60%左右。
但討論如何補上此缺口時,無論是IEA、NEA或美國能源部,都未將核融合納入規劃。雖然2022年時,美國勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)中的國家點火設施(National Ignition Facility, NIF)完成首次具有凈能量輸出的核融合實驗,2.05MJ的雷射注入後,經由核融合反應產生3.15 MJ 的能量,但若計入雷射生產過程中所耗用的300MJ,整體上尚未達到淨能量產出。且依據核融合專家估算,就算已有此成果,但整體商業化時程仍是在2060至2070左右。目前IEA將核融合的技術準備度(Technology Readiness Levels)評定為2,認為仍屬於概念與應用研析階段,並未將其納入2050淨零路徑分析時可採用的減量技術。因此美國能源專業媒體金絲雀的主編Eric Wesoff便提出此評論:「對於核融合科學家而言,這是件大事。但是對於電網調度者而言,這對實務上毫無影響。」
因此當前的對於核電機組的討論圍繞在先進反應爐(advanced reactor),如表一所示。而近期所強調的小型模組化核能反應爐,乃是指裝置容量在50~300MW,可於工廠產線上模組化生產,無需如大型反應爐須在場址興建,但仍是採用核分裂方式生產蒸氣用於發電或供給熱能。
表1. 先進核能反應爐類別
|
第三代+ |
第四代 |
|||
---|---|---|---|---|---|
大型輕水式反應爐 |
輕水式小型核能機組 |
高溫氣化反應爐 |
溶鹽式反應爐 |
微型 |
|
裝置容量 |
1GW |
70~300 |
80~270 |
200~800 |
1~50 |
燃料類別 |
LEU |
LEU |
HALEU |
HALEU |
HALEU |
冷卻劑 |
水 |
水 |
氣,氦氣 |
金屬或鹽 |
多樣 |
機組案例 |
Vogtle 3,4號 |
NuScale |
X-energy |
TerraPower |
BWTX |
整理自DOE 2023
近期臺灣媒體屢見SMR具有突破性發展,甚至本年度工總白皮書更具文指出「參考法國發展新一代小型核能設施的可行性做法。實際上,若從檢視目前發展進度最快NuScale的VOYGR廠實際狀況,所謂SMR已趨成熟一事,並不精準。
NuScale的教訓 – 延遲與昂貴
NuScale自2000年起便開始推動SMR計畫,其首個案場乃是與Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS) 合作,預計將於美國能源部的愛達荷國家實驗室,興建共計6座77MW的反應爐,因此該案場的裝置容量總計達到462MW。近期各媒體報導其此案場的設計獲得美國核能管制委員會的認證(certification),但卻未說明其目前通過認證程序的乃為其2016年提出50MW設計,該公司已棄之不用。而其77MW的設計,在2023年1月才向美國核能管制委員會提出Standard Design Approval (SDA) Application。然而若以美國核電業的觀察經驗,此審查程序需耗時5年以上。因此NuScale要如其原定2029年時便可商轉,實則有其難度。況且回顧NuScale過往提出的商轉規劃,便可知SMR並未能擺脫大型核能機組的跳票紀錄。
表2. NuScale計畫商轉時程歷次承諾
NuScale對外宣示年份 |
商轉時程預估 |
---|---|
2008 |
2015~2016 |
2010 |
2018 |
2018 |
2026 |
2020 |
2029 |
IEEFA, 2022
SMR的發展,乃是強調其能克服大型核能機組興建期程過長、成本過高等因素。但依據美國能源經濟與金融分析研究所(The Institute for Energy Economics and Financial Analysis, IEEFA)針對NuScale的研究分析,其興建成本不斷飆漲。NuScale於2020年時,針對當時預估的12座60MW反應爐,總裝置容量為720MW的興建規劃所提出的成本估算為61億美元。而2021年底,針對當時已修正成總裝置容量調降為462MW的規劃,提出的成本預估為53億美元。但在2023年1月時,該公司提出的新成本估算則大幅跳升至93億美元。根據IEEFA估算,NuScale的單位發電成本,從2021年時的58USD/MWh,增加至89USD/MWh。若扣除到政府總計40億美元的補助,其單位發電成本更將達到120USD/MWh,將是光電加上儲能系統的單位發電成本的五倍以上。
除了成本飆升以外,此所提出的設計亦具有安全疑慮。依據美國環保團體Environment Working Group委託環境與能源研究所的Arjun Makhijani所長與不列顛哥倫比亞大學公共政策和全球事務學院M.V. Ramana教授兩位長期參與核能議題的專家,就NuScale提送NRC的文件所進行的分析,其指出由於NuScale的設計中,與任何已經運營的核電廠不同,其將在同一反應器壓力槽中容納反應爐核燃料和蒸汽產生器。傳統設計中,蒸汽發生器與燃料分開,位於反應爐容器之外。螺旋蒸汽產生器的設計在任何其他商業核電廠中從未使用過,這使得很難評估它在長期運行中的表現。而在認證審查中,NRC下的反應爐安全標準諮詢委員會成員Vesna Dimitrijevic博士,就指出:「蒸汽產生器的完整性對於NuScale設計認證來說是一個太重要的安全問題,不能不在NuScale設計認證中獲得確定。」而目前對於NuScale的蒸汽產生器的早期磨損和潛在失效並未進行適當分析。此外,憂思科學家聯盟的核安全家萊曼博士(Ed Lyman) 也指出NuScale強調其設計採用被動性安全性系統,因此出問題時可以自動停機,甚至無需人為干預或採取任何行動。但事實證明,在某些類型的事故中,它的被動式系統並無法確保安全性。此類系統不像擁有由操作員操縱的電動泵和閥門那樣,可以將水注入反應爐的核心,以防止出現輻射洩漏情況。被動式系統必須依賴重力等自然力來達到完成這項工作,但其在意外發生時,存在失效風險,故須設有備用系統。但在試圖削減成本的狀況下,NuScale未採用此般設計。
期程延誤、成本高昂、安全疑慮,NuScale近期更面臨了找不到買家的窘境。依據與UAMPS的協議,NuScale需要2024年時,購電意願者(subscription level)的總量需達到此案裝置容量的80%,否則將需賠償UAMPS。但今年首季時,僅達25%左右。雖然NuScale在其股東會上均表示深具達標的信心,但也可由此事可知,NuScale的發展前景,並非如國內媒體報導般順遂。
核廢與核安疑慮未解
NuScale案場遭逢的問題,並非孤例。整體SMR發展上,相關研究指出其核廢處理難度與核安風險並未較大型案場為低。
依據美國前核能管制委員會主委Allison M. Macfarlane 參與的研究團隊,近期於《美國國家科學院院刊》(PNAS)所發表「小型核電機組的核廢料評估」(Nuclear waste from small modular reactors )一文,其指出小型核能機組的核廢料產量為現行壓水式反應爐的2~30倍。除了體積增多以外,其一方面未能減少碘-129、銫-79的產量,更由於其核種濃度較高,因此需要發展新的評估方法,了解其在處置階段的臨界反應風險。
在核安方面,近期則見SMR的支持者主張,由於SMR比當前的核電廠更安全且更小,因此不需要滿足針對10英里緊急應變計畫區(EPZ)的要求。SMR業者和美國能源部將縮小EPZ半徑作為SMR的主要賣點,因為可使其擴大選址。如果EPZ半徑減小,SMR業者宣稱可以設置於以前燃煤電廠、工業用地或者實際上位於任何人口稠密的地區。而無需建立緊急應變計畫,估算居民疏散時間,無需通知和教育公眾進行疏散演習。例如Generation mPower聲稱,其所需的EPZ半徑可縮小到僅1000英尺,相當僅在電廠的用地範圍之內,此舉意味著SMR業者對於一般大眾根本不需要任何緊急計劃。
且SMR業者更極力推翻NRC的「第53條規則:先進反應爐的風險之情、科技兼容管制架構」(Part 53 – Risk Informed, Technology-Inclusive Regulatory Framework for Advanced Reactors),其主張這些新反應堆比目前運營的機組安全得多,因此在整體上需要遠少於目前的規管監督。第53條的規定是要求業者進行「概率風險評估」,以量化核安風險,協助鑑別安全系統的成效,但業者卻要求NRC免除此項規定。
從第53條規則制定過程看來,SMR在干預核安法規管制上達到了前所未有的程度。福島核災之後,核安文化是各國極為重視的問題,但SMR行業針對核安法規各類遊說行動,顯示其不願意接受一個具有特定、客觀標準的規則,以利管制單位可以用來評估合規性,並在發現違規時進行執法行動。均顯示其將核安的重要性置於申請時間、成本之後,在核安文化建構上大開倒車。
SMR前景真的可期嗎?
SMR的發展趨勢上,除了美國通膨抑制法提供的相關補助外,歐盟永續經濟活動分類標準,將其列入轉型類別,亦讓國內許多核能倡議者均藉此稱頌這證明核能發展仍是國際趨勢,要因應當前的能源危機與邁向淨零,核能扮演重要角色。但其忽略了政府間氣候變遷專家委員會(IPCC)在今年四月出版的氣候變遷減緩報告中,指出核電在未來低碳能源結構中的角色,受到其可否強化營建過程的管理以及反應爐設計,達到降低成本與拓展應用用途。否則將因為成本超支、高額的初始投資成本、核廢料處置以及公眾與社會接受度等因素受到限制。
根據國際能源總署在最新的世界能源投資報告中分析,近年核電投資金額雖有攀升,但2022年時,約僅有光電的五分之一、風力發電的三分之一,顯示即便將核能作為減碳選項,但當前公私部門仍是將絕大量資本投注於真正的綠能之中。
國際能源總署在2022年發布的「核電與安全能源轉型報告」指出,核電若要具有競爭性,則須將核電興建成本在未來十年內由每瓩9000美元降至5000美元,未來更需要降至3000美元,方能與其他低碳電力技術競爭。而美國能源部亦提出每瓩3600美元此目標值。但從NuScale新近提出的成本追加估算看來,其興建成本在每瓩2萬美元以上,距離此目標仍有落差。
但實際上在歐洲議會表決結果出爐後,歐洲投資銀行已明文表示其仍不會將此核能與天然氣納入投資標的,丹麥退休基金AkademikerPension的投資長也表示「天然氣與核能不應該跟再生能源一樣享有低廉的融資資源,因為這對綠色轉型的融資將產生排擠效應,延緩進程。」此類趨勢均代表核工業原希冀藉由納入分類標準之中,以吸引夠多投資的目的,尚難達成。
面對此波乘著SMR熱興起的核電復興論調,得要回到核電長期發展歷史分析,核能產業一直在嘗試不同的論述,將自己宣揚成人類的救星。但在現實中,這個產業經常未能達到它所承諾的安全、低廉、環保等。
因此諸多能源專家均指出能源公司、各州和政府應該停止在不會實現的核電上浪費納稅人的錢,應該專注於推動已經存在的可行的、清潔的電力解決方案,如風力、太陽能和分散式發電,以及相關技術。納稅人的血汗錢,應該只花在能夠對抗氣候危機,並且沒有持續、不可避免的的追加預算歷史的技術上,而核能和碳捕集和封存(CCS)都未能符合此標準。
實際上,鑑於核能與 CCS 為兩項較具爭議性技術,因此IEA在淨零路徑中,亦分析若先進經濟體將不會有核電機組延役或興建新機組的情形、且新興市場與開發中經濟體中亦建置速度延緩,導致全球 2050 年的核能發電量較淨零情境少60%,占比降至5%以下時,則可藉由提升風力與光電的裝置量10%左右,仍可達成 2040 年電力系統去碳化。
綜合前述SMR期程延遲、高成本、核安疑慮等點,臺灣要邁向2050淨零排放目標,不應該資源虛耗至各類先進核電機組發展之上,而應專注打造高再生能源占比的電力系統。
l 參考文獻:
Questions for NuScale VOYGR Reactor Certification: When Will It Be Done? And then, Will It Be Safe?
IEEFA U.S.: Small modular reactor “too late, too expensive, too risky and too uncertain”
Eye-popping new cost estimates released for NuScale small modular reactor
https://ieefa.org/resources/eye-popping-new-cost-estimates-released-nuscale-small-modular-reactor
The misguided push to weaken nuclear safety standards is gaining steam
The Department of Energy. 2023. Pathways to Commercial Liftoff: Advanced Nuclear.
International Energy Agency (IEA), 2021. Net Zero by 2050: A Roadmap for the Global
Energy Sector. OECD:Paris
作者 趙家緯 為台灣氣候行動網絡研究中心總監