【圖解】全球都在瘋的「小型模組化反應爐」是什麼？與傳統核電差在哪？一文搞懂原理

(2024/10/17更新)
生成式AI發展方興未艾，但大型語言模型的訓練，需仰賴資料中心的龐大算力，而龐大的算力，意味著龐大的電力成本。因此，全球科技巨頭，抑或是各國政府，皆為日益漸增能源缺口大傷腦筋。

但另方面，淨零排碳已成全球共識，歐盟甚至祭出「碳關稅」來促使企業降低碳排。換言之，現在科技業亟需乾淨、可靠、穩定的綠能供應，以在淨零碳排與AI發展的衝突中達到平衡。

目前，科技界的主流看法，認為風電及太陽能恐非適合的基載電力，而被寄予厚望的是一種新型的小型核能廠， 其被廣泛稱為「小型模組化反應爐（Small Modular Reactor，SMRs），是比傳統核分裂反應爐更小的反應爐。

截至2024年10月許，包括微軟、Google、亞馬遜等公司紛紛與核能新創簽約購電，期盼新設的SMR反應爐能補足資料中心所在當地的能源缺口。

但回頭來說，SMR有何精確定義？

什麼是SMR？什麼是先進反應爐？

據國際原子能總署（IAEA）提供資訊，SMR為先進的核反應爐，每單位的發電能力可高至300千瓩（MW），約為傳統核動力反應爐發電能力的三分之一。例如，日前在7月27日停止運轉的核三廠一號機，輸出功率即為951千瓩（MW）。

據美國Dominio Energy指出，SMR一詞目前業界尚無普遍接受的定義，這個術語通常用於描述50千瓩至 350千瓩電力輸出範圍內的任何反應爐技術。

但根據IAEA文件，我們可以透過拆解SMR縮寫，來約略描述其定義：

小型（Small）：體積僅為傳統核能反應爐的一小部分。
模組化（Modular）：使系統和組件可以在工廠內組裝，並作為一個個單元運輸到安裝地點。
反應爐（Reactor）：利用核分裂（nuclear fission）產生熱能以生產能源。

精明的讀者或許已經發現，IAEA使用「核分裂」來指涉SMR的發電方式。舉例而言，剛與Google簽約的Kairos Power，其反應爐採用氟鋰鈹（Flibe）作為冷卻液，其為一種由（LiF）和氟化鈹（BeF2）混合產生的熔鹽，具有優異的熱傳遞性能和裂變產物溶解性。

原則上，美國核能管理委員會（NRC）將先進反應爐（Advanced Reactors）定義為「不使用普通水」為反應爐冷卻劑或中子減速劑（在核裂變過程中減緩中子的介質）的反應爐設計。因此，Kairos Power的反應爐，可說是符合先進反應爐定義的SMR。

不只核分裂！先進反應爐還有「核融合」

但，只有基於核分裂的先進反應爐嗎？

事實上，由OpenAI、微軟等科技巨頭投資的新創Helion Energy，所發展的技術即為核融合（Nuclear fusion）發電，根據其官網，核融合的定義如下：

核融合是太陽和恆星用來產生能量的過程。

當兩個原子在高溫和高壓下結合時，就會發生核融合。產物的質量比原來的兩個原子少。根據 E=Δmc²，這個過程中會釋放能量。

核融合與核分裂相反，後者是重原子（如鈾）分裂並釋放能量的過程。

我們的核融合能量以氫的穩定同位素為燃料，氫是宇宙中最豐富的元素。它不會產生溫室氣體，也沒有連鎖反應的風險。

換言之，核融合發電是模擬太陽產生巨大能量的原理，使用原子核聚合時產生的巨大能量來發電，1克燃料大約可獲得相當於8噸石油的能量，且最終產物是氦，發電時不產生二氧化碳，沒有傳統核電的放射性廢料疑慮。

對比傳統核分裂的核電廠，在核融合過程中，反應堆不會因失控而導致爆炸，反應產生的廢料也比核分裂發電更少，不會引發輻射災難，所以更加安全。

核融合所需的燃料都非常豐富，不易耗盡。例如，Helion Energy公司的核融合技術使用的原料為「重水」，可從海水中提煉。1加侖的海水透過此種核融合技術，就能產生出300加侖汽油所提供的能量。

核融合產業協會（FIA）調查，全球約三分之二新創認為，第一座核融合發電廠最晚2035年連結至電網。Helion Energy去年就與微軟簽署供電合約，力拚2029年前使發電量達50千瓩。

換言之，核融合發電的優點多多，但目前距離正式商轉與普及，仍有一段長路要走。

聚焦核融合技術2類型

磁性約束

磁性約束技術利用近億度高溫下的超強磁場來約束電漿，最具代表性的是位於法國的國際熱核融合實驗室（ITER）的托卡馬克反應爐。然而，這項技術面臨著諸如材料、長期電漿穩定性，以及核反應產生的輻射中子對爐壁的影響等問題。

慣性約束

慣性約束技術則通過向靶材輸入雷射能量來實現核融合，最著名的代表是美國勞倫斯利佛摩國家實驗室（LLNL）的反應爐，雖然它能產生核融合能量大於輸入雷射能量，但要克服的是雷射槍的效率問題。

核融合怎麼管？美、加、日主導政策性

美國核能管理委員會（NRC）已決定通過不同於核分裂的監管方式，來監管核融合技術，並通過相關法案撥款近10億美元，資助全國各地的商業核融合能源開發。

加拿大已確認核融合的新式核能是清潔能源，投資享有稅收抵免：包括小型模組式反應爐等都可享新投資稅收抵免（30％抵減範圍）；加拿大原子能公司（AECL）認為SMR在加拿大可成為安全、乾淨、取代煤炭、綠化採礦業及解決偏遠社區和工廠之能源；加拿大安大略省的安大略電力公司（OPG）計畫將興建該國首個電網級小型核電發電設備。

在亞洲，日本帶頭打造基礎平台，除了政策宣導，也研擬核分裂與核融合分隔的監管機制，並提出核融合能源新創策略，包括2024年3月成立核融合工業委員會，研擬相關技術開發及開拓銷路等良性循環、投資私人企業研究等。

日本去年已建置全球最大的核融合反應爐「JT-60SA」，而2024年6月日本岸田首相也於內閣會議上表明科學技術政策指導方針《綜合創新戰略2024》，強調不僅要擴大對人工智慧（AI）和核融合發電並確保安全等尖端技術的投資，還要主導國際規則制定，以提高國際競爭力。

歐盟則預計在2021年到2027年投入56億歐元，建立世界最大的國際熱融合實驗反應爐（ITER），並預計於2025年首次測試。

回頭來說，為何SMR是當前最佳解？

多家新創之所以能吸引到資金，多是強調SMR易於製造或組裝之便利性，且通過安全認證、無廢料、零碳排等潔淨能源的特點，而獲得關鍵投資者青睞。

例如，新創公司TAE Technologies、General Fusion、Commonwealth Fusion Systems和Helion Energy等共吸引近30億美元資金，其中Commonwealth Fusion Systems的近20億美元及Helion Energy的5億美元最顯著。重要投資者包括亞馬遜創辦人貝佐斯（Jeff Bezos）、微軟創辦人比爾．蓋茲（Bill Gates）、Salesforce創辦人馬克．貝尼奧夫（Marc Benioff），以及OpenAI執行長山姆．奧特曼（Sam Altman）等科技界領袖。

美國國防部也已資助至少3億美元給到BWX Technologies和X-energy等新創，發展出使用高溫氣體反應爐（HTGR）技術製作不會產生鋯水反應的Xe-100反應器，並在2024年初通過加拿大核能安全委員會（CNSC）標準認證，同時也發展出「可移動微核電系統」X-Mobile可應用於海上、空中、偏遠地區等。

又例如美國能源部選擇mPower小型模組化反應器計畫，預期大量生產可達每年50部機組，新標準化的設計比傳統大型核電廠更易於取得執照並使用。

另一家美國小型核能新創公司Last Energy已著手生產在工廠附近的20兆瓦微小型核能反應爐。而Kairos Power則獲得批准在田納西州建設示範項目，先專注於國內市場。總計自2014年以來，美國能源部已花費超過4億美元，來加速SMR反應爐的開發，未來預計共將資助至少來自7個州的8家公司，在2024年底前獲得資金。

美國至少有30家核融合公司，其中多數在過去10年內成立。美國政府力圖使SMR新式安全的潔淨能源落地，讓大多數SMR新創獲得一定的客戶訂單儲備，以利進入工廠式量產達到經濟規模。美國政府官員正積極拓展國際訂單，協助新創往海外拓展國際潛在客戶，包括波蘭能源公司Orlen，計畫建造由美國GE Hitachi Nuclear Energy公司所設計的SMR。

此外，美國進出口銀行和美國國際發展金融公司等，已提出為NuScale Power這家新創在羅馬尼亞建造的工廠提供約40億美元的融資，目標是於2029年或2030年將實現電力入網。且美國官員還正積極與保加利亞、加納、印尼、哈薩克和菲律賓等國家討論新創的小型核電項目中。

美國政府已瞄準未來SMR的海外輸出有利可圖，尤其在壽命安全須達50年以上的高規格項目上，美國協助其企業提供國際買主易於合作且安全的重大國際優勢，將讓國際買主的各項資源被斷供之風險，遠低於與俄羅斯或中國的合作，因與俄、中合作通常附帶未知或不利條件。

台灣也有戲！強化AI、ICT可助攻量產

新一代的安全潔淨能源供應關乎各國產業的競爭力，也涉及國安問題。我國產業若能運用AI、ICT強項——協助國際產業鏈加速SMR進入規模化量產，也將帶來經濟效益，預估可由4個面向切入：

一、直接站在「核融合生態系」巨人的肩膀上前進：如透過投資國外新創公司，直接接軌國際。我國國發基金和國科會2016年即聯手執行台矽計畫，投資美國中經合創投，透過獎勵機制，引導基金投資組合公司中的美國核融合技術新創Alpha Ring（首環國際），與台灣產學界產生連結。Alpha Ring目前在全球已有3座實驗室，各是美國加州的蒙特雷（Monterey）、加迪納（Gardena）及台灣內湖的聚界潔能，未來聚界潔能更將在台南沙崙綠能科技示範園區興建第4座辦公室。

二、透過教育系統培育人才向下扎根：讓學生有機會接觸核融合實際操作。除了教科書理論，透過操作讓學生融會貫通，例如學研機構核融合反應器所生成的綠色蒸氣，可試行應用於學生宿舍的熱水器、餐廳的加熱設備等，讓學生對安全的核融合潔淨能源更有感而培育更多人才，並排除民眾對此款可移動新式SMR的核安疑慮。

三、利用生成式AI來加速新超導材料或耐高溫最佳反應器的研發：要設計最佳反應的SMR仍有諸多探索機會——如核融合發電尚有高溫／高密度環境條件、高溫材料需求、燃料供應與能源轉換等挑戰要克服，傳統的設計多半仍依賴艱苦的實驗或計算工作，過程昂貴又耗時。若能用AI協助設計，像是識別SMR新型材料，或以機器學習和模擬技術提供探索新反應器的機會、探索參數設計空間，可望在短時間內快速篩選候選方案，而後才進行耗時的嚴謹試驗。

四、透過AI加速或優化關鍵零組件供應鏈的建構：AI科技可協助加速核融合的效率與安全控制——像是預測技術，可提前數秒預防電漿失控解體，並協助穩定核聚變、防止核融合程序中斷。我國雖不一定在大型發電的核融合供應鏈裡扮演主導的角色，但SMR所需的相關供應鏈構建，透過AI推薦關鍵技術參數並搭配工程師進行協作，再對照實際驗證。

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責任編輯：蘇柔瑋、李先泰

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