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新核反應爐的新燃料


駐法國OECD/NEA一等秘書 羅偉華

核能在永續能源方面的挑戰是:節省資源的消耗、核廢棄物減量、以及加強其安全。為了達成這幾項目標,第四代核反應爐的研究正積極進行中。未來,尤其是,透過新核能電廠使用新的核燃料,這些目標將可以被達成。 
近來,關於資源耗竭的議題引發非常多的關切,核能界也無法置之度外。鈾資源並非無限的,而且放射性廢棄物減量亦是一項重大的挑戰。從最初之製造到最後之回收再處理利用,核燃料是法國CEA對未來新核能電廠進行相關研究的重心。面對這些眾所關注的議題,法國正聚焦在發展快滋生反應器(Fast Breeder Reactor, FBR)方面的研究。

快滋生反應器最大的優點在於它們產生可分裂物質的能力等同 (或更多) 於它們在燃燒過程中所消耗的量。這是因為快中子展現了奇特的性質,它們容易被原子核捕捉進而誘發滋生現象(Breeding)1。事實上,鈾-238(一種非可分裂物質)可以被誘發變成鈽-239,就像鈾-235一樣是可分裂物質2。也感謝因為有這種特性,透過持續的再循環利用快滋生反應器幾乎能夠探索開發鈾燃料中所蘊涵的所有能量。以目前法國核能發電總量為基準,換算成法國所有壓水式核能電廠所燃耗的鈾燃料量來作比較,快滋生反應器所需的鈾燃料使用量將減少至前述用量之1/100 - 1/50。CEA核燃料研究部門主管Philipe Brossard表示:「鈾濃縮3將不再是製造核燃料的必要步驟。」然而,這並不是快中子唯一的優點,它們也促進其他的反應,如: 少數高放射性錒系元素的質變4。這些元素在核分裂反應的核心產生,只佔用過核燃料(Spent Fuel)的0.1%,但它們卻代表了經再處理後90%的潛在長壽期放射性有毒廢棄物。利用快中子進行核分裂反應,在其銷耗高放射性錒系元素的同時也會產生高放射性錒系元素。將這些殘存於再處理的核燃料的高放射性錒系元素再注入反應器以取得零成長平衡是充分可行的。然而目前的作法是,少數高放射性錒系元素必須從用過核燃料中淬取出來,將之玻璃固化並包封存當作最終廢棄物。對於那些經過質變且已不含少數高放射性錒系元素的廢棄物,它們的生命週期將從原先建議的數千年縮減為數百年。總之,快滋生反應器是法國新核反應爐的首選。接下來的要考量的是,它們要使用哪種核燃料?

目前CEA正在研究的快滋生反應器有二種型式:第一種型式是SFR(Sodium-cooled Fast Reactor)使用液態金屬鈉(Sodium)作為冷卻液;第二種型式是GFR(Gas-cooled Fast Reactor)使用氦氣(Helium)來冷卻。就使用液態金屬鈉作為冷卻液的快滋生反應器來說,CEA已經持有從Phénix研究用反應器獲得的經驗。直到目前氧化鈾(UOx)一直都是核燃料的成份,然則將來可能被含有鈾與鈽的碳化物核燃料(MOX)所取代。因為這種鈾鈽碳化物核燃料的密度將會更高而且熱傳導效率更好,這使考量設計更簡單的且在較低溫運轉的反應器成為可能。CEA在Cadarache 與Marcoule的研究團隊已積極進行混合鈾與鈽來製造核燃料的方法,大約20個製成小顆粒狀的鈾鈽碳化物核燃料已經在Phénix研究用反應器中完成測試,其他相關的研究與試驗亦在積極探索研究中。上述二種型式的快滋生反應器都將會使用小顆粒狀的鈾鈽碳化物作為其核燃料。

根據目前已撰寫完成的技術報告,法國政府將作成決定並從二種型式的快滋生反應器(氣冷式GFR或液態金屬鈉冷卻式SFR)中做出選擇,俾於2020年完成建造新核反應爐原型。
核燃料製造與相關之模擬分析a       核燃料製造與相關之模擬分析b
圖(a),(b) 核燃料製造與相關之模擬分析


參考資料:CEA NEWS, "New Fuels for new reactors", Winter 2009. 
註: 
1.滋生現象: 指某些核反應爐可產生比本身銷耗量更多的可分裂物質的能力,利用質變將可孕同位素轉變成可分裂同位素。
2.可分裂物質: 指同位素,其原子核可被中子撞擊後產生分裂。如: 鈾-235; 鈽-239。
3.鈾濃縮: 一種工業製程,能增加燃料鈾產生可分裂同位素(鈾-235)的能力。
4.質變: 利用加速器以電子、質子或中子轟炸高放射性物質使其失去能量,轉變成不具放射性的物質和短半衰期的放射性同位素。亦即透過原子核的修造,將某一種元素轉變成另一種元素。


 

更新時間:2024-02-20 17:21
資料來源:綜合規劃組
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