目前世界上有 440 座核能反应堆，总发电量足以供电全球 10% 的电力，而现在正兴建中的反应堆还多达 50 座，除了数量增加，为了提高安全性、降低核能成本，核能技术也持续演进中，未来「第四代核反应堆」是否有机会跨出实验室并助力低碳供电?

过去的的核电主要以集中式电厂为主，每座反应堆装置容量动辄 900MW 以上，因此成本高达 150 亿美元、可能需要长达 20 年才能完工运转，过程也需要经过繁复且冗长的行政程序，需不断测试、修改、重新测试电厂设计与工程，经过严格的环安卫规范后，营运商还要负担废弃核燃料处理成本。

上述情形不仅可能导致电厂成本超支，自然也会拉长建置时间，如果想要降低成本、缩短建置时间，方法包括标准化设计、盖更多电厂留下技术和经验、精简管理措施，又或是透过解决最大的建筑成本，也就是提出新的电厂设计。

第四代电厂设计

如今核工业大厂跟各式新创团队正在寻找新的核分裂反应堆设计，其中不少厂商已经研究数十年，盼能降低建设和营运成本，还可以提高安全性和效率，同时降低核武风险。

当今核电厂属于「第三代」，其中第一代核电厂主要是指 1940 年代末期～1960 年代初期原型反应堆、还没商用的反应堆，第二代就是 1960 年代中期到 1990 年代中期的第一批商用轻水反应堆，第三代反应堆虽然也是轻水反应堆，但采用更可靠的燃料跟反应堆炉芯、被动冷却系统。

未来的第四代反应堆自然更先进，种类也更加多样化，透过新的反应堆技术、材料和制造技术，希望能降低成本并提高电厂安全性。

一、小型模块化核能反应堆(SMR)

顾名思义，相较于传统核反应堆，小型模块化核能反应堆的尺寸跟规模更小，基本上是希望能打造出小于 300MW 的核反应堆，甚至可以跟汽车一样大规模制造，希望引入工厂制造技术来降低核电成本。

该技术的优点在于，可以将机组拆分成多个部分，在现场一次安装多个小型反应堆，或是在工厂建置完后直接搬去现场，有利规模量产，又避免过去设置核电厂工程浩大、费时昂贵的老问题。也可以依照客户需求订制，对于小型、相对偏远的社区，能装置一座小型核反应堆为几千户家庭或企业供电，也可以一次设置多个反应堆，为大城市数百万人供电。

也因为规模不大，也能用在石油探勘、军事基地等特殊应用，装置在地底、船上或是海上，结合被动安全系统，不用操作员主动干预或电气反馈让反应堆进入安全关闭状态，也不用大型混凝土结构屏蔽核燃料棒。

二、高温气冷反应堆(HTGR)

高温气冷反应堆是种石墨慢化反应堆，为最近逐渐成熟的核能技术。传统核反应堆多采用浓缩铀或是钸燃料棒，但高温气冷反应堆的燃料是「球状物」，一颗颗由铀、碳和氧组成的「卵石」，它们被密封在三层碳或陶瓷材料中，提高耐热度、中子辐射、腐蚀、氧化，也可避免石墨遇高温燃烧，内里则是核燃料与充当缓冲的石墨，最后反炉内就有如球池，塞满好几千颗燃料球，不需要控制棒就能产生并维持高温核反应。

这些卵石燃料也不会在反应堆中熔化，反应堆可以在更高的温度下运行，卵石也会缓慢地在反应堆中循环，用过卵石会从底部移出，再用新的卵石替换。

三、气冷式快反应堆(GFR)

气冷式快反应堆为快中子增殖反应堆(Fast breeder reactor)的其中一种，这类反应堆在运转同时也可以合成出「核分裂材料」，让核燃料的制造量大于消耗量，主要以氦气或二氧化碳等气体做为冷却，功率密度比高温气冷反应堆还要高。

气冷式快反应堆透过用快中子，将传统反应堆的慢中子取而代之，将钍或非裂变铀同位素转化为钸或可裂变铀同位素，进而产生核燃料。新一代气冷式快反应堆的燃料核心为陶瓷一碳化铀(uranium monocarbide)，能在高温下运作，燃料配置也使得每体积燃料的铀原子密度较高。

四、钠冷快中子反应堆(SFR)

钠冷快中子反应堆以液态金属钠当作冷却剂，运转过程虽然会产生大量的热能，甚至超过驱动蒸气发电机所需的热量，但液态钠具备优秀的散热能力，因此在小型反应堆中仍能顺利运作，被动式安全机制也能顺利运作。

通常美国的钠冷快中子反应堆燃料是包裹着铀和锆的钢合金，俄罗斯、法国和日本则倾向使用氧化铀燃料，另外钠冷快中子反应堆具有封闭的燃料循环，铀和钸会做为核分裂反应的一部分，在反应堆内循环再利用，补充一次燃料就能使用数十年。

五、铅冷式快反应堆(LFR)

铅冷式快反应堆(LFR)是基于俄罗斯核潜艇开发的反应堆设计，主要使用铅做为冷却元件。最新版本使用氮化铀而不是二氧化铀，与钠一样，铅做为被动安全系统，如果反应堆开始失控就会自动调节核反应。

六、液态氟化钍反应堆(FHR)

液态氟化钍反应堆(FHR)不是用氦气来冷却，而是由氟化锂和氟化铍盐制成的熔融混合物，这些反应堆的功率密度是卵石燃料技术的 10 倍，而与氦气冷却的反应堆相比，氟化物盐使反应堆能够在更低的温度下运行。

七、熔盐燃料反应堆(MSR)

熔盐燃料反应堆(MSR)的燃料不是棒状、颗粒或卵石，而是被混合到氟化盐中，透过流经石墨或类似慢化剂来控制反应。熔盐燃料反应堆虽然可以在高温下运作，但会伴随腐蚀问题，因此目前多倾向低温版本，不过透过结合冷却剂和燃料，更容易清除核废料和补充燃料。

将来的核能技术会何去何从?

目前许多国家与政府纷纷设立净零碳排目标，希望可以在 2050 年达到碳中和，对此，不少国家对核能寄予厚望，尤其是期许新一代核能技术可以为 2030 年后带来新机遇，或许上述第四代反应堆有机会上场。

毕竟由它们的设计目的是更便宜和更快地构建，若有机会很可能会很快变得非常普遍，只是路途仍遥远，比如日本先前努力尝试的「文殊反应堆」，文殊反应堆也是属于「增殖反应堆」，日本耗资 85 亿美元，但由于出现故障事故、监管违规等争议，其实没有获得多少良好收益，再加上 2011 福岛核灾后，日本民众对于核电厂信任度下滑，最终该电厂在 2016 年退役。不过新核电设计基于利基应用也会有新的机遇，目前已经有计划在月球上建造小型核能反应堆等多样化设计。(来源：科技日报）