快滋生反應器


1978年 6月102期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1978、06 ＃期號：0102 ＃專欄：＃標題：快滋生反應器＃作者：江祥輝．前言．快滋生反應器的原理．快滋生反應器的發展．今日快滋生反應器發展所遭遇的主要問題．結論．表：各型發電價格比較（１９８７年價格）		快滋生反應器前言公元1942年12月2日，美國芝加哥連鎖反應堆首次成功地達到臨界運轉，為人類的能源應用開啟了核能（核分裂能）這一新途徑。經過大約十五年的不斷研究發展，各種型式的小型商用發電核分裂反應器陸續誕生；再經過這二十年來的運轉經驗與改進，100萬瓩左右之大型商用發電核分裂反應器技術已經成熟，發電成本比傳統燒油、燒煤之火力電廠經濟很多。如今全世界運轉中的商用發電核分裂反應器共約有200座，總裝置容量約為1億1千萬瓩〔註一〕。所有這些反應器幾乎都是熱中子反應器，不過其中也已開始有三座30萬瓩左右屬於原型（prototype）性質的快滋生反應器（Fast Breeder Reactor──簡寫FBR），作為今後發展的基準：它們分別是蘇聯的BN-350（1972年6月運轉）、法國的PHENIX（1973年12月運轉）和英國的PFR（1976年8月運轉）。由於核能工業的篷勃發展，核能在總能源中所佔比重越來越大，隨之亦將發生與石油危機相類似的所謂核燃料供應問題。目前熱中子反應器核能發電主要是利用鈾235分裂所產生的能量。自然鈾中，鈾235只佔0.72％；佔99.27％的鈾238目前尚未能有效利用。今日已知的鈾儲藏量合乎經濟標準的大約有200萬噸鈾金屬。如果只利用目前最普遍的輕水式熱中子反應器來發電，預測到公元2000年的累積鈾需求量約將達500萬噸鈾金屬，已知的鈾儲藏量只相當於大約到公元1990年的需求量。雖然經由廣泛的探勘和技術的改善，將有更多的鈾礦被發現，經由大規模的生產，較貧瘠的礦也將能以相當經濟的價格提煉，但是如果不在輕水式熱中子反應器之外再引入其他型式的核反應器，則本世紀末時鈾價將大幅上升的危機並未消除。改變這種情況的治本辦法便是引入所謂快滋生反應器。快滋生反應器在其運轉過程中，可從自然鈾或耗乏鈾（depleted uranium）〔註二〕轉換成比它運轉所需量還多的高價值鈽燃料。由於快滋生反應器的引入，鈾的利用率可增加大約50倍，熱中子反應器所產生的鈽燃料亦可在快滋生反應器中獲得更有效的利用；核燃料的供應問題即將迎刃而解。因此，快滋生反應器的發展實是當前解決能源危機刻不容緩的課題。快滋生反應器的原理用做核反應器燃料的材料包含兩種成份：一種是可裂（fissile）材料，如鈾235、鈽239和鈾233等同位素，任何速度的中子都可誘發其分裂；另一種是可孕（fertile）材料，如鈾238和釷232等同位素。可孕核種捕獲一個中子後可轉變成相對應的可裂核種，如鈾238轉變成鈽239，釷232轉變成鈾233，故稱可孕。可孕核種可由高速中子誘發分裂，但低速或熱中子〔註三〕則無法誘發其分裂；也就是說，它們對於中子的分裂截面有一個低限能（threshold energy），超過此一能量的中子才能誘發其分裂。此值對於鈾238和釷232分別為1.3和1.5MeV〔註四〕。可孕材料雖可由高速中子誘發分裂，但因分裂釋放出來的高速中子很容易跟原子核發生非彈性碰撞，使能量立即降至1MeV以下而無法再誘發其他分裂，故單獨可孕材料無法達成連鎖反應，亦即反應器燃料必須含有相當數量的可裂材料。依據用以誘發分裂之中子速度的不同，核分裂反應器可分為快中子反應器和熱中子（或稱慢中子）反應器兩種。每次核分裂平均釋放出2至3個中子，這些中子都是快中子，其平均能量約為2MeV。如反應器核心內無緩和劑（或稱減速劑），則大部份核分裂係由快中子誘發核燃料內可裂原子核所產生，此種反應器稱為快中子反應器。因為熱中子遠較快中子容易誘發分裂，熱中子反應器在核心內引入緩和劑，將高速的分裂中子減速成熱中子；所以在熱中子反應器內，核分裂幾乎都是由熱中子所誘發的。雖然每次核分裂平均釋放出2至3個中子，這些中子並非都能用來誘發其他分裂，因其中有些逃離反應器核心，有些被核心內其他材料吸收，甚至有些被燃料本身捕獲。如果每次核分裂所產生的中子，除了上述逃離核心，被其他材料吸收，以及被燃料本身捕獲者以外，能剩下至少一個中子以誘發其他分裂，則反應器可維持連鎖反應。快中子反應器之中子洩逸比例較大，分裂截面較低，因此核心內所含可裂材料之比例需較高，亦即燃料中可裂材料之濃化度需較高。在連鎖反應器中，可裂材料一方面由於分裂而消耗，一方面卻由於可孕材料捕獲中子轉變成可裂材料而增加。如果產生的可裂材料比消耗的多，即稱為滋生反應器。反應器要達到滋生的目的，一方面需有效利用中子，使反應器核心內之中子，除維持連鎖反應所需外，能盡量被可孕材料捕獲轉換成可裂材料；因此通常便在反應器核心外圍環包上一層可孕材料組成的圍包（blanket），以捕獲由核心洩逸出來的中子。另一方面，需設法使可裂核種每吸收〔註五〕一個中子所釋放出來的分裂中子數目（此數目稱為η值）增加。原則上η值須大於2才有可能滋生。如果η值等於2，其中一個中子用來維持連鎖反應；在沒有其他損失時（事實上是不可能），另一個可由可孕材料捕獲轉變成可裂材料：可裂材料之消耗與產生正好相等。鈾235、鈽239和鈾233等可裂核種的η值在熱中子反應器中分別為2.06、2.04和2.26；在快中子反應器中則分別為2.10、2.45和2.31。由此可知在快中子反應器中η值較高，亦即快中子反應器之滋生潛能較高；尤其是以鈽239為可裂材料、以鈾238為可孕材料者是最理想的快滋生反應器。以鈾235或者鈽239為燃料的熱中子反應器很難有可能達到滋生；不過以鈾233為可裂材料、以釷232為可孕材料，亦可做成熱（中子）滋生反應器。快滋生反應器的發展滋生的原理早在核反應器開始發展的時期就已為人所知。早在公元1944年，Fermi和Zinn兩人在獲知η值屬於快中子誘發之分裂者較大後，就已開始著手設計快滋生反應器，這是快滋生反應器發展的先聲。由這時起一直到1960年左右，這段時期所發展的快滋生反應器通常稱為第一代快滋生反應器，其中比較著名的有美國的CLEMENTINE、EBR-Ⅰ、EBR-Ⅱ，英國的DFR，以及蘇聯的BN-1、BN-2和BN-5。CLEMENTINE是世界上第一座快中子反應器，也是第一座使用鈽燃料的核反應器；EBR-Ⅰ則是第一座用以發電的。早期的這些快滋生反應器，大都採用金屬鈾為燃料。由於核心小，功率密度高，需要有一種效率高的方法將熱量帶出；液體金屬，特別是液體納，便被選做冷卻劑──故亦稱液體金屬快滋生反應器（LMFBR）。由於核心中子洩逸大，滋生幾乎都在圍包區域，很少在核心發生。這些第一代快滋生反應器的設計建造主要注意的是滋生能力，至於核心燃料存量和燃料循環價格並沒有特別考慮。1960年左右，熱中子反應器技術已經成熟且已商業化，促使快滋生反應器的發展方針有了很大的改變──由只注重滋生能力轉移到考慮全盤的燃料循環。這時已經明白，要想達到經濟目的，燃料的燃耗（burn up）〔註六〕一定需要大幅提高。自然鈾反應器燃料的燃耗只需達到7000MWD/ton便可將燃料中原有的可裂材料有效地「燃燒」掉；快中子反應器由於燃料濃化度高，燃耗需高達100,000MWD/ton以上才能使每單位可裂材料產生相同量的MWD。1960年時，經過仔細的研究發現，二氧化鈾∕二氧化鈽之陶瓷燃料最有可能達到此高燃耗，因此就開始了以陶瓷材料為燃料的快滋生反應器，也就是所謂第二代快滋生反應器。由於燃料的不同，第二代快滋生反應器的性質與第一代相差很大。第二代FBR所用燃料較稀，核心必須較大，因此功率密度也就較低。又由於受到燃料中氧的的減速影響，中子能譜變得較軟，亦即中子能量範圍移至較低之能量區域。其他主要差異是燃耗較高，部份滋生係在核心內產生，以及由於能譜較軟，滋生率變得較低等。反應器之設計，負的反應率效應（negative reactivity effect）是決定反應器之內在穩定及能否安全控制的因素。在第二代FBR中值得特別探討的有兩種反應率效應：一種是都卜勒效應（Doppler effect）〔註七〕，另一種是鈉空泡效應（sodium void effect）〔註八〕。首先大家都集中於都卜勒係數的研究，譬如美國的實驗快滋生反應器SEFOR便是特別為此而設計的。等到確知都卜勒係數是一個足夠低的負值後，接下去便開始研究鈉空泡效應。正的鈉空泡效應是第二代FBR設計上所遭遇的主要困難之一。一旦發生核心鈉漏失，功率將急速上升而至來不及控制。但此種核心鈉漏失意外只有在非常不可能的事件中，例如整個閉停系統完全失效或冷卻循環系統組件堵塞，才會發生。雖然採用特殊設計，譬如將核心建成扁平的形狀，可以減低正的鈉空泡效應，但如此將損害到FBR的固有滋生特性。為了很不可能的意外而不惜任何代價以壓抑鈉空泡效應，是否合理實在值得懷疑。所以第二代FBR對於鈉空泡效應，係另外採取積極的工程預防措施，使意外的發生由於工程預防裝置而成為更加不可能。 1966至1967年間，在熱中子和快滋生反應器中照射的燃料棒已陸續有達到70,000至80,000MWD/ton之高燃耗；結果指出，只要混合氧化物燃料之密度足夠低，燃料棒均能保持相當完整。所以採用50,000MWD/ton之燃耗值為始以設計原型快滋生反應器核心，被認為是相當合理和安全；世界各地快滋生反應器發展中心都紛紛決定開始設計建造300MWe〔註九〕原型鈉冷卻快滋生反應器。在西方國家中，英國最早開始它250MWe的PFR；法國推展它250MWe的PHENIX；稍後德國聯合比、荷、盧三國，也開始它們300MWe的SNR-300；美國則決定進行它380MWe的Clinch River。日本決定建造它300MWe的Monju在後；但是在蘇聯，350MWe之BN-350早於1972年6月就已開始運轉。除了BN-350以外，今天已經開始運轉的在前言中曾指出，還有法國的PHENIX（1973年12月）和英國的PFR（1976年8月）。陶瓷燃料之大型快滋生反應器，比起第一代快滋生反應器來，一方面所含可裂原子少了約一倍，另一方面陶瓷密度比金屬密度也低了約一倍，造成功率密度至少低四倍。由於功率密度較低，除了高效率的金屬鈉之外，也可使用其他冷卻劑。首先許多發展中心考慮用乾蒸氣來做冷卻劑，其用意是想將已臻完善之輕水式反應器水蒸氣技術引用到快滋生反應器來。雖然滋生率由於中子能譜變軟而降低，仍然很明顯大於1，整個過程似乎很有利；但是最後由於燃料棒設計困難而不得不放棄此項企圖。燃料棒設計的困難主要包括燃料護套承受巨大外壓，乾蒸氣之腐蝕，高溫，及需要緊密之燃料棒晶格等，需要經由試驗床做廣泛的試驗，以求解決。但此種試驗床並不存在，必須新建，燃料棒之設計勢將曠時費事。如今已沒有任何地方繼續發展乾蒸氣冷卻之快滋生反應器。雖然鈉冷卻快滋生反應器之燃料棒亦須進行試驗床之試驗，但是現有的第一代FBR正好可用做試驗床。近來，由於高溫氣冷式熱中子反應器發展的大幅推進，以氦氣為快滋生反應器之冷卻劑亦漸引起興趣。雖然燃料棒亦須經由適當的試驗床做廣泛的測試，同樣需要很長的時間遲延，不過與水蒸氣冷卻的情況不同：氦氣冷卻有它長遠的潛能，尤其是可以達到很高的溫度，並直接使用氦氣渦輪發電機。鈉冷卻快滋生反應器之長遠目標是採用改進式燃料（目前研究的對象是碳化物燃料），使燃料額定值（fuel rating）能提高一倍左右達到2MWt/kg可裂材料，亦即中子通率約為10¹⁶中子∕cm²、sec；因此鈉冷卻快滋生反應器最後亦需有高通率之試驗床。有鑑於此，美國已開始建造鈉冷卻快中子試驗反應器FFTF，中子通率可達7.2、10¹⁵中子/cm²、sec，並有幾道管路可處理其他冷卻劑，如氦氣等。跟隨第二代快滋生反應器之後，已有許多更進步的鈉冷卻快滋生反應器（LMFBR），亦即所謂第三代FBR之研究或設計在進行；其中有法國的Superphenix（1200MWe），英國的CFR-1（1300MWe），德國的Na-1（1000MWe）和SNR-2（2000MWe），以及美國五家核能設計公司各別對於1000MWe LMFBR的研究。蘇聯的BN-600（600MWe）應屬於第二代和第三代之間的FBR，預計今年內可以開始運轉。這些第三代FBR功率一般在1000MWe以上；燃料使用氧化物或碳化物。冷卻系統之安置，由於優劣互見，或採用池式（pool type）（反應器、泵和主熱交換器均沈浸在鈉池內），或採用環路式（loop type）。核心之設計，採用傳統的內層核心外層圍包的均質排列抑或採用核心內插入圍包層的混質排列，則尚未定論。今日快滋生反應器發展所遭遇的主要問題根據長程政策研判，為了使鈾礦資源能獲得最有效的利用，公元2000年後將需要大量的大型快滋生反應器，為了應付這大量的需求，第一個1000MWe大型快滋生反應器應在1980年起開始引入。世界各地的快滋生反應器發展計畫大都按照這個時間表制定推展。不過很明顯的，今日快滋生反應器的發展已經遲延了很長一段時間，譬如德國的原型快滋生反應器SNR-300的興建，原定1975年完成，後來一再拖延，現在預測最早1981年才能開始運轉，至少已遲了六年。並非反應器建造技術有問題，實在是因為每一步驟的建造工程申請執照都非常困難；另外社會上反對核能潮流的壓力也是一個主要原因。去年四月美國卡特政府發表核能政策，取消Clinch River原型快滋生反應器之建造預算，並無限期延擱商用鈽燃料的再處理與再循環，實在是美國發展快滋生反應器的嚴重打擊。除此之外，今日發展大型商用快滋生反應器所面對的主要問題或困難可概列如下：經濟有效的再處理技術的發展，以大量處理鈽燃料。每瓩投資價格仍比輕水式反應器高，需要反而減低。安全可靠的大型蒸氣發生器之建造問題──小型LMFBR蒸氣發生器試驗發展的建造方法不見得適用於大型單位的建造。對於假設核心崩潰意外過程細節分析之改善以及災害程度之精確預測將是今後LMFBR研究計畫內容制定的決定因素，而其成果對於執照申請過程將大有助益。結論快滋生反應器經過長期的發展，雖然遭遇到某些困擾及遲延，整個技術已漸趨成熟。以現有的技術，大型快滋生反應器之發電成本雖仍比輕水式反應器稍微昂貴，但比傳統的燒油、燒煤發電已便宜很多。下表列出各種型式發電之價格比較〔註十〕。雖然商用FBR之發電成本仍比輕水式反應器稍高，但如考慮到鈾燃料終將漸趨匱乏而昂貴，快滋生反應器之優勢即顯而易見。大量輕水式反應器的裝置產生了很大數量的鈽。這些鈽再循環到輕水式反應器使用時，其價值只相當於鈾235的80％；但如將這些鈽引入快滋生反應器中，其價值可提高至140％。因此，快滋生反應器與輕水式熱中子反應器自然形成一種理想的搭配。除了這種短程的經濟誘惑外，快滋生反應器更具有長程的滋生潛能，因而能有效利用鈾礦資源以及不斷增加的鉅量耗乏鈾。公元2000年後，核燃料的滋生必須大量進行；無疑地，快滋生反應器將提供解決廉價核能問題的答案。註一：此數據取自Nuclear News Industry Report 1976─77，1978年5月標準。註二：自然鈾經過同位素分離後所剩含鈾235量很少的鈾料。註三：與其周圍介質之原子核熱運動達到平衡時之中子稱為熱中子。熱中子之速度在室溫（20℃）為2200公尺∕秒，其對應之能量為0.025電子伏特。註四：能量單位，百萬電子伏特。註五：吸收包括分裂作用和捕獲作用。註六：燃料燃燒程度，通常以每噸燃料所產生的能量（功）來表示，單位為百萬瓦、天∕噸（MWD/ton）。註七：溫度升高將使中子對燃料作用截面之共振峰變寬且變矮，但共振峰下之面積則維持不變，又由於中子通率之自我屏蔽效應，兩者相乘導至反應率之增加稱為都卜勒效應。分裂共振峰將會產生正的都卜勒效應；捕獲共振峰則產生負的都卜勒效應。註八：反應器核心內一部份或全部鈉漏失所產生的反應率改變，稱為鈉空泡效應。註九：百萬瓦。e表示電功率，以別於t表示熱功率。註十：美國Burns & Roe公司Clinch River計劃建造工程主持工程師1978年3月資料。江祥輝現任教於清華大學核工系。
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1978年 6月102期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1978、06 ＃期號：0102 ＃專欄：＃標題：快滋生反應器＃作者：江祥輝．前言．快滋生反應器的原理．快滋生反應器的發展．今日快滋生反應器發展所遭遇的主要問題．結論．表：各型發電價格比較（１９８７年價格）		快滋生反應器前言公元1942年12月2日，美國芝加哥連鎖反應堆首次成功地達到臨界運轉，為人類的能源應用開啟了核能（核分裂能）這一新途徑。經過大約十五年的不斷研究發展，各種型式的小型商用發電核分裂反應器陸續誕生；再經過這二十年來的運轉經驗與改進，100萬瓩左右之大型商用發電核分裂反應器技術已經成熟，發電成本比傳統燒油、燒煤之火力電廠經濟很多。如今全世界運轉中的商用發電核分裂反應器共約有200座，總裝置容量約為1億1千萬瓩〔註一〕。所有這些反應器幾乎都是熱中子反應器，不過其中也已開始有三座30萬瓩左右屬於原型（prototype）性質的快滋生反應器（Fast Breeder Reactor──簡寫FBR），作為今後發展的基準：它們分別是蘇聯的BN-350（1972年6月運轉）、法國的PHENIX（1973年12月運轉）和英國的PFR（1976年8月運轉）。由於核能工業的篷勃發展，核能在總能源中所佔比重越來越大，隨之亦將發生與石油危機相類似的所謂核燃料供應問題。目前熱中子反應器核能發電主要是利用鈾235分裂所產生的能量。自然鈾中，鈾235只佔0.72％；佔99.27％的鈾238目前尚未能有效利用。今日已知的鈾儲藏量合乎經濟標準的大約有200萬噸鈾金屬。如果只利用目前最普遍的輕水式熱中子反應器來發電，預測到公元2000年的累積鈾需求量約將達500萬噸鈾金屬，已知的鈾儲藏量只相當於大約到公元1990年的需求量。雖然經由廣泛的探勘和技術的改善，將有更多的鈾礦被發現，經由大規模的生產，較貧瘠的礦也將能以相當經濟的價格提煉，但是如果不在輕水式熱中子反應器之外再引入其他型式的核反應器，則本世紀末時鈾價將大幅上升的危機並未消除。改變這種情況的治本辦法便是引入所謂快滋生反應器。快滋生反應器在其運轉過程中，可從自然鈾或耗乏鈾（depleted uranium）〔註二〕轉換成比它運轉所需量還多的高價值鈽燃料。由於快滋生反應器的引入，鈾的利用率可增加大約50倍，熱中子反應器所產生的鈽燃料亦可在快滋生反應器中獲得更有效的利用；核燃料的供應問題即將迎刃而解。因此，快滋生反應器的發展實是當前解決能源危機刻不容緩的課題。快滋生反應器的原理用做核反應器燃料的材料包含兩種成份：一種是可裂（fissile）材料，如鈾235、鈽239和鈾233等同位素，任何速度的中子都可誘發其分裂；另一種是可孕（fertile）材料，如鈾238和釷232等同位素。可孕核種捕獲一個中子後可轉變成相對應的可裂核種，如鈾238轉變成鈽239，釷232轉變成鈾233，故稱可孕。可孕核種可由高速中子誘發分裂，但低速或熱中子〔註三〕則無法誘發其分裂；也就是說，它們對於中子的分裂截面有一個低限能（threshold energy），超過此一能量的中子才能誘發其分裂。此值對於鈾238和釷232分別為1.3和1.5MeV〔註四〕。可孕材料雖可由高速中子誘發分裂，但因分裂釋放出來的高速中子很容易跟原子核發生非彈性碰撞，使能量立即降至1MeV以下而無法再誘發其他分裂，故單獨可孕材料無法達成連鎖反應，亦即反應器燃料必須含有相當數量的可裂材料。依據用以誘發分裂之中子速度的不同，核分裂反應器可分為快中子反應器和熱中子（或稱慢中子）反應器兩種。每次核分裂平均釋放出2至3個中子，這些中子都是快中子，其平均能量約為2MeV。如反應器核心內無緩和劑（或稱減速劑），則大部份核分裂係由快中子誘發核燃料內可裂原子核所產生，此種反應器稱為快中子反應器。因為熱中子遠較快中子容易誘發分裂，熱中子反應器在核心內引入緩和劑，將高速的分裂中子減速成熱中子；所以在熱中子反應器內，核分裂幾乎都是由熱中子所誘發的。雖然每次核分裂平均釋放出2至3個中子，這些中子並非都能用來誘發其他分裂，因其中有些逃離反應器核心，有些被核心內其他材料吸收，甚至有些被燃料本身捕獲。如果每次核分裂所產生的中子，除了上述逃離核心，被其他材料吸收，以及被燃料本身捕獲者以外，能剩下至少一個中子以誘發其他分裂，則反應器可維持連鎖反應。快中子反應器之中子洩逸比例較大，分裂截面較低，因此核心內所含可裂材料之比例需較高，亦即燃料中可裂材料之濃化度需較高。在連鎖反應器中，可裂材料一方面由於分裂而消耗，一方面卻由於可孕材料捕獲中子轉變成可裂材料而增加。如果產生的可裂材料比消耗的多，即稱為滋生反應器。反應器要達到滋生的目的，一方面需有效利用中子，使反應器核心內之中子，除維持連鎖反應所需外，能盡量被可孕材料捕獲轉換成可裂材料；因此通常便在反應器核心外圍環包上一層可孕材料組成的圍包（blanket），以捕獲由核心洩逸出來的中子。另一方面，需設法使可裂核種每吸收〔註五〕一個中子所釋放出來的分裂中子數目（此數目稱為η值）增加。原則上η值須大於2才有可能滋生。如果η值等於2，其中一個中子用來維持連鎖反應；在沒有其他損失時（事實上是不可能），另一個可由可孕材料捕獲轉變成可裂材料：可裂材料之消耗與產生正好相等。鈾235、鈽239和鈾233等可裂核種的η值在熱中子反應器中分別為2.06、2.04和2.26；在快中子反應器中則分別為2.10、2.45和2.31。由此可知在快中子反應器中η值較高，亦即快中子反應器之滋生潛能較高；尤其是以鈽239為可裂材料、以鈾238為可孕材料者是最理想的快滋生反應器。以鈾235或者鈽239為燃料的熱中子反應器很難有可能達到滋生；不過以鈾233為可裂材料、以釷232為可孕材料，亦可做成熱（中子）滋生反應器。快滋生反應器的發展滋生的原理早在核反應器開始發展的時期就已為人所知。早在公元1944年，Fermi和Zinn兩人在獲知η值屬於快中子誘發之分裂者較大後，就已開始著手設計快滋生反應器，這是快滋生反應器發展的先聲。由這時起一直到1960年左右，這段時期所發展的快滋生反應器通常稱為第一代快滋生反應器，其中比較著名的有美國的CLEMENTINE、EBR-Ⅰ、EBR-Ⅱ，英國的DFR，以及蘇聯的BN-1、BN-2和BN-5。CLEMENTINE是世界上第一座快中子反應器，也是第一座使用鈽燃料的核反應器；EBR-Ⅰ則是第一座用以發電的。早期的這些快滋生反應器，大都採用金屬鈾為燃料。由於核心小，功率密度高，需要有一種效率高的方法將熱量帶出；液體金屬，特別是液體納，便被選做冷卻劑──故亦稱液體金屬快滋生反應器（LMFBR）。由於核心中子洩逸大，滋生幾乎都在圍包區域，很少在核心發生。這些第一代快滋生反應器的設計建造主要注意的是滋生能力，至於核心燃料存量和燃料循環價格並沒有特別考慮。1960年左右，熱中子反應器技術已經成熟且已商業化，促使快滋生反應器的發展方針有了很大的改變──由只注重滋生能力轉移到考慮全盤的燃料循環。這時已經明白，要想達到經濟目的，燃料的燃耗（burn up）〔註六〕一定需要大幅提高。自然鈾反應器燃料的燃耗只需達到7000MWD/ton便可將燃料中原有的可裂材料有效地「燃燒」掉；快中子反應器由於燃料濃化度高，燃耗需高達100,000MWD/ton以上才能使每單位可裂材料產生相同量的MWD。1960年時，經過仔細的研究發現，二氧化鈾∕二氧化鈽之陶瓷燃料最有可能達到此高燃耗，因此就開始了以陶瓷材料為燃料的快滋生反應器，也就是所謂第二代快滋生反應器。由於燃料的不同，第二代快滋生反應器的性質與第一代相差很大。第二代FBR所用燃料較稀，核心必須較大，因此功率密度也就較低。又由於受到燃料中氧的的減速影響，中子能譜變得較軟，亦即中子能量範圍移至較低之能量區域。其他主要差異是燃耗較高，部份滋生係在核心內產生，以及由於能譜較軟，滋生率變得較低等。反應器之設計，負的反應率效應（negative reactivity effect）是決定反應器之內在穩定及能否安全控制的因素。在第二代FBR中值得特別探討的有兩種反應率效應：一種是都卜勒效應（Doppler effect）〔註七〕，另一種是鈉空泡效應（sodium void effect）〔註八〕。首先大家都集中於都卜勒係數的研究，譬如美國的實驗快滋生反應器SEFOR便是特別為此而設計的。等到確知都卜勒係數是一個足夠低的負值後，接下去便開始研究鈉空泡效應。正的鈉空泡效應是第二代FBR設計上所遭遇的主要困難之一。一旦發生核心鈉漏失，功率將急速上升而至來不及控制。但此種核心鈉漏失意外只有在非常不可能的事件中，例如整個閉停系統完全失效或冷卻循環系統組件堵塞，才會發生。雖然採用特殊設計，譬如將核心建成扁平的形狀，可以減低正的鈉空泡效應，但如此將損害到FBR的固有滋生特性。為了很不可能的意外而不惜任何代價以壓抑鈉空泡效應，是否合理實在值得懷疑。所以第二代FBR對於鈉空泡效應，係另外採取積極的工程預防措施，使意外的發生由於工程預防裝置而成為更加不可能。 1966至1967年間，在熱中子和快滋生反應器中照射的燃料棒已陸續有達到70,000至80,000MWD/ton之高燃耗；結果指出，只要混合氧化物燃料之密度足夠低，燃料棒均能保持相當完整。所以採用50,000MWD/ton之燃耗值為始以設計原型快滋生反應器核心，被認為是相當合理和安全；世界各地快滋生反應器發展中心都紛紛決定開始設計建造300MWe〔註九〕原型鈉冷卻快滋生反應器。在西方國家中，英國最早開始它250MWe的PFR；法國推展它250MWe的PHENIX；稍後德國聯合比、荷、盧三國，也開始它們300MWe的SNR-300；美國則決定進行它380MWe的Clinch River。日本決定建造它300MWe的Monju在後；但是在蘇聯，350MWe之BN-350早於1972年6月就已開始運轉。除了BN-350以外，今天已經開始運轉的在前言中曾指出，還有法國的PHENIX（1973年12月）和英國的PFR（1976年8月）。陶瓷燃料之大型快滋生反應器，比起第一代快滋生反應器來，一方面所含可裂原子少了約一倍，另一方面陶瓷密度比金屬密度也低了約一倍，造成功率密度至少低四倍。由於功率密度較低，除了高效率的金屬鈉之外，也可使用其他冷卻劑。首先許多發展中心考慮用乾蒸氣來做冷卻劑，其用意是想將已臻完善之輕水式反應器水蒸氣技術引用到快滋生反應器來。雖然滋生率由於中子能譜變軟而降低，仍然很明顯大於1，整個過程似乎很有利；但是最後由於燃料棒設計困難而不得不放棄此項企圖。燃料棒設計的困難主要包括燃料護套承受巨大外壓，乾蒸氣之腐蝕，高溫，及需要緊密之燃料棒晶格等，需要經由試驗床做廣泛的試驗，以求解決。但此種試驗床並不存在，必須新建，燃料棒之設計勢將曠時費事。如今已沒有任何地方繼續發展乾蒸氣冷卻之快滋生反應器。雖然鈉冷卻快滋生反應器之燃料棒亦須進行試驗床之試驗，但是現有的第一代FBR正好可用做試驗床。近來，由於高溫氣冷式熱中子反應器發展的大幅推進，以氦氣為快滋生反應器之冷卻劑亦漸引起興趣。雖然燃料棒亦須經由適當的試驗床做廣泛的測試，同樣需要很長的時間遲延，不過與水蒸氣冷卻的情況不同：氦氣冷卻有它長遠的潛能，尤其是可以達到很高的溫度，並直接使用氦氣渦輪發電機。鈉冷卻快滋生反應器之長遠目標是採用改進式燃料（目前研究的對象是碳化物燃料），使燃料額定值（fuel rating）能提高一倍左右達到2MWt/kg可裂材料，亦即中子通率約為10¹⁶中子∕cm²、sec；因此鈉冷卻快滋生反應器最後亦需有高通率之試驗床。有鑑於此，美國已開始建造鈉冷卻快中子試驗反應器FFTF，中子通率可達7.2、10¹⁵中子/cm²、sec，並有幾道管路可處理其他冷卻劑，如氦氣等。跟隨第二代快滋生反應器之後，已有許多更進步的鈉冷卻快滋生反應器（LMFBR），亦即所謂第三代FBR之研究或設計在進行；其中有法國的Superphenix（1200MWe），英國的CFR-1（1300MWe），德國的Na-1（1000MWe）和SNR-2（2000MWe），以及美國五家核能設計公司各別對於1000MWe LMFBR的研究。蘇聯的BN-600（600MWe）應屬於第二代和第三代之間的FBR，預計今年內可以開始運轉。這些第三代FBR功率一般在1000MWe以上；燃料使用氧化物或碳化物。冷卻系統之安置，由於優劣互見，或採用池式（pool type）（反應器、泵和主熱交換器均沈浸在鈉池內），或採用環路式（loop type）。核心之設計，採用傳統的內層核心外層圍包的均質排列抑或採用核心內插入圍包層的混質排列，則尚未定論。今日快滋生反應器發展所遭遇的主要問題根據長程政策研判，為了使鈾礦資源能獲得最有效的利用，公元2000年後將需要大量的大型快滋生反應器，為了應付這大量的需求，第一個1000MWe大型快滋生反應器應在1980年起開始引入。世界各地的快滋生反應器發展計畫大都按照這個時間表制定推展。不過很明顯的，今日快滋生反應器的發展已經遲延了很長一段時間，譬如德國的原型快滋生反應器SNR-300的興建，原定1975年完成，後來一再拖延，現在預測最早1981年才能開始運轉，至少已遲了六年。並非反應器建造技術有問題，實在是因為每一步驟的建造工程申請執照都非常困難；另外社會上反對核能潮流的壓力也是一個主要原因。去年四月美國卡特政府發表核能政策，取消Clinch River原型快滋生反應器之建造預算，並無限期延擱商用鈽燃料的再處理與再循環，實在是美國發展快滋生反應器的嚴重打擊。除此之外，今日發展大型商用快滋生反應器所面對的主要問題或困難可概列如下：經濟有效的再處理技術的發展，以大量處理鈽燃料。每瓩投資價格仍比輕水式反應器高，需要反而減低。安全可靠的大型蒸氣發生器之建造問題──小型LMFBR蒸氣發生器試驗發展的建造方法不見得適用於大型單位的建造。對於假設核心崩潰意外過程細節分析之改善以及災害程度之精確預測將是今後LMFBR研究計畫內容制定的決定因素，而其成果對於執照申請過程將大有助益。結論快滋生反應器經過長期的發展，雖然遭遇到某些困擾及遲延，整個技術已漸趨成熟。以現有的技術，大型快滋生反應器之發電成本雖仍比輕水式反應器稍微昂貴，但比傳統的燒油、燒煤發電已便宜很多。下表列出各種型式發電之價格比較〔註十〕。雖然商用FBR之發電成本仍比輕水式反應器稍高，但如考慮到鈾燃料終將漸趨匱乏而昂貴，快滋生反應器之優勢即顯而易見。大量輕水式反應器的裝置產生了很大數量的鈽。這些鈽再循環到輕水式反應器使用時，其價值只相當於鈾235的80％；但如將這些鈽引入快滋生反應器中，其價值可提高至140％。因此，快滋生反應器與輕水式熱中子反應器自然形成一種理想的搭配。除了這種短程的經濟誘惑外，快滋生反應器更具有長程的滋生潛能，因而能有效利用鈾礦資源以及不斷增加的鉅量耗乏鈾。公元2000年後，核燃料的滋生必須大量進行；無疑地，快滋生反應器將提供解決廉價核能問題的答案。註一：此數據取自Nuclear News Industry Report 1976─77，1978年5月標準。註二：自然鈾經過同位素分離後所剩含鈾235量很少的鈾料。註三：與其周圍介質之原子核熱運動達到平衡時之中子稱為熱中子。熱中子之速度在室溫（20℃）為2200公尺∕秒，其對應之能量為0.025電子伏特。註四：能量單位，百萬電子伏特。註五：吸收包括分裂作用和捕獲作用。註六：燃料燃燒程度，通常以每噸燃料所產生的能量（功）來表示，單位為百萬瓦、天∕噸（MWD/ton）。註七：溫度升高將使中子對燃料作用截面之共振峰變寬且變矮，但共振峰下之面積則維持不變，又由於中子通率之自我屏蔽效應，兩者相乘導至反應率之增加稱為都卜勒效應。分裂共振峰將會產生正的都卜勒效應；捕獲共振峰則產生負的都卜勒效應。註八：反應器核心內一部份或全部鈉漏失所產生的反應率改變，稱為鈉空泡效應。註九：百萬瓦。e表示電功率，以別於t表示熱功率。註十：美國Burns & Roe公司Clinch River計劃建造工程主持工程師1978年3月資料。江祥輝現任教於清華大學核工系。
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