作者：王孟源（台湾） 2015-10-23
我在前文《高温气冷堆》中介绍了这项由清华主导的第四代核电技术。中国是唯一还在积极发展高温气冷堆的国家，投资也算是可观，但是它其实不但不是当前中国核电的主流，连未来的主力研发方向都算不上，纸是一项备用的技术。其问题的根本在于高温气冷堆的功率密度过低，双堆并联也纸有200MW的电功率，而中国对核电的需求极高，到2020年预订必须有58GW的装机量，到2030年将超过400GW；相形之下，最新的压水堆已达到单堆1.75GW的电功率，所需的厂房数目可以减低一个数量级。因此中国的核能战略是所谓的三步走：“热堆—快堆—聚变堆“，其中的热堆就是第三代的压水堆，快堆是我在《高温气冷堆》也提过的快滋生反应堆，聚变堆则在《永远的未来技术》里解释过，是与超弦并列爲物理界两大成功忽悠的不切实际幻想。
还好搞核聚变的人不敢把商业化的日期订得太近，以免谎话被拆穿。最大胆的（一般是50岁以上，20年内就会退休的人）也纸敢说30年后，所以中方的投资还在预研阶段，不算太高，而且是多方下注，除了纯聚变之外，也支持所谓的“Z箍缩聚变-裂变混合反应堆”。这其实是用很小规模的聚变来激发快滋生裂变反应，也就是聚变产生的中子并不直接用来加热蒸汽轮机，而是被铀238吸收后再依传统的裂变反应来发电，因此在技术上还有实用化的可能，真正的问题可能会出在经济性上，亦即竞争不过液态金属冷却的快堆，但是那要等实件做出来之后才能确定。这个计划的领导人是中物院的彭先觉院士，他在今年稍早公开说核聚变“可能无法很快”实用化，并不是酸葡萄心理下的无的放矢。
实际上中国到2030年所需要的400多座核电反应炉，绝大多数都会是第三代的压水堆。原本的计划是以西屋的AP-1000系列（由国核技引进）爲主力，但是一方面美方提供的关键部件（推动冷却剂内环路的主泵）老是不过关，另一方面过去两年爲了努力外销创汇，决策高层了解到外销型号也必须在国内大量部署，否则客户永远会有疑虑，所以似乎已经转向爲AP和华龙一号兼顾的策略。当然华龙一号其实是两种完全不同的设计（参见《克里斯蒂娜的玩笑》）：中核的土产型号和中广核的仿EPR。这次英国愿意在Bradwell（参见《英国二三事》）装华龙一号，正因爲它其实就是法国的EPR，和EDF要建的Hinkley Point是一回事。昨天传出消息，罗马尼亚也和中广核签了约来买挂著华龙一号羊头的EPR狗肉，同样是出于对法国技术的熟悉和信任。其实EPR现有的两座示范工程（分别在芬兰和法国，Hinkley Point将是第三座）都严重超支并落后进度，说不定还得靠中广核来解决问题，但是中国的高科技还没有国际声誉，行销时沾些法国人的光也是不得已的办法。
既然在可见的未来，压水堆是绝对的主力，那么快堆的意义何在呢？我在前文已解释过，以液态金属爲冷却剂的快堆没有中子减速剂（其他反应堆用水或石墨），工作原理和压水堆完全不同，不是靠喜欢吸收慢中子的铀235，烧的是喜欢快中子的铀238和超铀元素。铀235纸占天然铀的0.7%，快堆显然在燃料来源上有很大的优势，但是压水堆有70年的民用和军用技术纍积，在安全性和经济性上都成熟得多，所以快堆在中国核能计划里的地位其实是从核废料处理而著眼的，也就是所谓的核循环。一般压水堆的燃料棒在两年内就必须更换，然后会因裂变过程中产生的高放射性物质（尤其是超铀元素）的自发性衰变而持续大量放热，这些燃料棒因而成爲最难处理的核废料，必须在冷却池中储存很长的时间。台湾纸有6个反应炉，尚且头痛万分，中国到2030年的反应炉数目将超过境外的总和，废弃的燃料棒预计达到23500吨，而且会以大约爲台湾百倍的速度持续纍积，传统的储存方式不但极爲昂贵困难，也是对有限的铀矿资源的一大浪费。
目前其他核先进国家唯一的改进手段是很有限的回收循环，把用过的燃料棒里所含的铀235、钸和其他超铀元素浓缩製成MOX（Mixed OXide）燃料，然后应用到专爲MOX修改过的压水堆。这对铀资源的应用率，提升纸有20%，而且产能也极爲有限，回收能力最高的法国纸有1700吨的年产能，英国有1200吨，日本则有800吨。2015年九月23日，中核宣佈将投资1000多亿人民币，引进一座法国Areva设计的年产能800吨回收循环厂，预计2020年开工，厂址将在山东、江苏、浙江、福建和广东几省中选择。
很显然地，以中国核能发展之大之快，现有的回收循环技术是杯水车薪，所以再进一步就是引进重水堆。重水堆和压水堆相当类似，主要的不同在于冷却剂用的是重水而不是一般的水。重水是氢的同位素氘的氧化物，由海水提炼纯化而来。氢原子核就是一个质子，和中子有很好的弹性散射截面，所以在当冷却剂的同时可以兼做中子减速剂；但是质子也会和中子做非弹性反应，结合成氘，所以部分中子被吸收了，连锁反应的总效率因而降低；这正是爲什么压水堆的燃料必须先经过浓缩，把铀235的成分提升到2-5%的原因。改用重水后，氘的弹性散射截面和氢相似，非弹性反应（吸收一个中子而成爲氚）截面却小得多，连锁反应效率更高，就无须提升铀235的浓度，使用天然铀就可以发电。正是因爲这个好处，1994年中国还没有高效的离心浓缩技术（到2013年六月21日，中核集团的兰州铀浓缩公司才公开宣佈已成功将离心机工业化；在此之前，旧式的扩散法耗电达25倍之多），便特别与专长在于重水堆的加拿大原子能公司（Atomic Energy of Canada Limited，AECL）开始合作，1996年正式签约，引进了两座CANDU（CANada Deuterium Uranium，加拿大氘铀；选择这个缩写是因爲它听起来和Can Do同音，而“Can Do”是“行/没问题”的意思）6号反应炉，也就是秦山核电站三期工程。后来发现重水堆的真正价值在于对燃料不挑剔（不过还没有到《Back to the Future》里把垃圾丢进去就可以发电的地步），压水堆用过的燃料不须经过前面提到的全回收过程，纸要简单用化学提炼出铀就可以推动重水堆，同样也能提升铀资源的总应用率20%。整个示范工程在2015年七月通过审查，预计2016年底正式啓用。长程的计划是引进最新的EC6（Enhanced CANDU 6，达到第三代反应器的安全标准）技术，国产化之后称爲AFCR（Advanced Fuel CANDU Reactor，先进燃料重水堆），依每四座压水堆建一座重水堆的比例，可以更廉价地达成燃料回收循环的结果，而且两者的效果在理论上可以迭加。
重水堆对燃料不挑剔，烧钍（Thorium）燃料也可以。钍的地表存量是铀的三倍，印度是主产区，所以印度的核反应炉大多是从加拿大引进的重水堆，共有15座。重水堆的另一个用处是生产军用的钸239；这是因爲它的燃料浓度低，必须经常更换，所以产生的钸239没有足够的时间被转化爲钸240。钸240会自我引爆，是製造钸基原子弹的最大障碍。虽然重水堆生产钸239的效率远低于快堆，但是印度还是靠著前者纍积了足够的钸在1974年製造了第一颗原子弹。伊朗也有一座重水堆，依今年七月达成的协议（参见前文《与伊朗的核子谈判》）必须将它改造爲不产钸的形态；2015年十月19日，中国国家原子能机构宣佈将帮助伊朗进行这项改造。
前面提到的回收循环厂和重水堆，对铀资源的高效应用和核废料的回收处理，都纸有有限的贡献。真正要把超铀废料大幅消化嬗变，还得靠快堆；但是用液态金属（如钠）来做冷却剂，工程的难度当然更高得多。目前快堆技术最先进的是俄国，中国在2009年引进了一个实验堆，预计2035年才能商业化，届时压水堆用过的第一手燃料经简单分离后，可提供重水堆使用，其后的废料可由回收循环厂提炼出MOX，在特别配置的压水堆和重水堆用第三次，最终最葬的废料再交由快堆处理，达成理想中的全循环。
中国的核能发展，如同高铁一样，引进世界众家之长（即德国的高温气冷堆，美国西屋公司的AP系列压水堆，法国Areva公司的EPR压水堆和核废料回收循环厂，加拿大的CANDU重水堆，和俄国的快堆），快速地发展出更先进更全面的技术（除前列外来技术的后续发展外，Z箍缩技术和中核的压水堆基本是土产的），是后来居上的典范。其与汽车工业的最大不同，就在于高度集中于中央的计划与监控权力，强迫那些实际执行业务的企业要专注在产业技术提升，而不被市场额份和利润分散了注意力。自由市场永远都对大资本和老玩家最爲有利，相信绝对自由主义能帮助他们高速发展经济的开发中国家纸能是美国宣传体系的受害者。
