國際上小型模組化反應器(SMR)現況及未來發展趨勢

廖識鴻＊主筆

*公元資訊公司資深顧問、國立海洋大學輪機系友會名譽理事長

一、小型模組化核反應器(SMR)是甚麼？

　　SMR就是Small(小型)+Modular(模組化)+Reactors(核反應器)，其輸出功率介於10〜300MW之間-包括1〜10MW的微型模組化核反應器(Micro Modular Reactors, MMR)，被認為是核電領域最具潛力的新興技術之一。SMR在效率、靈活性和經濟方面的獨特屬性，可使它們在清潔能源轉型中發揮關鍵作用，成為各國因應能源需求、氣候變遷和可持續(Sustainable)發展等挑戰的解決方案選項。

二、SMR具有那些特色？

　　SMR可降低初始投資成本與投資風險，因其小型化、佔地面積小，可適應更多、更廣的場址條件-包括海上核電廠的建造，除發電(包括配合再生能源以負載追隨方式改變發電量與取代燃煤電廠)外，並可應用於地區供熱/暖(distric Heating)、工業供熱(Industrial Heating)供汽、海水淡化、核能製氫、挖礦動力以及代替柴油機緊急供電等。

　　在核能安全方面，SMR因機組功率小、設計精簡與被動或固有安全(Passive or Inherent Safety)特性，可大幅降低因喪失冷卻劑(Loss of Coolant)導致燃料破損(Fuel Damage)與發生核子事故造成輻射外洩的風險。

 綜合而言， SMR的技術特色包括(參1)：

1.整合設計(Integral Design)：由於爐心小，可將傳統核能蒸氣供應系統(NSSS)的所有設備整合在單一反應器槽內，使得反應　器槽內的整體冷卻劑容積相對大於傳統外部循環冷卻系統，增加熱容量與熱惯性而強化固有安全性並簡化設計及運轉維護。

2.固有安全(Inherent Safety)：因爐心小、功率較小，面積體積比(Surface to  Volume ratio)相對較大，因而增加正常運轉與異常情況下的被動安全系統效率。

3.較小的爐心容量(Lower Core Inventory)：SMR爐心容量小，工作人員輻射暴露較少、意外事故發生機率較低、緊急計畫區域範圍亦較小。因此，SMR場址可更接近能源所需之處，增加場址選擇彈性。

4.模組化與易製造性：SMR的重量與體積較小，使得主要設備組件容易製造、運輸、吊裝與施工，有利於採用模組化與新製造技術。

5.容量擴增彈性：SMR因具有固有安全特性與視需要調整運轉模組數量的彈性，可提高負載追隨(Load Following)能力，並兼具發電與供熱能力。

三、SMR發展現況

　　目前美國、英國、加拿大、中國大陸、俄羅斯、法國、日本、南韓、印度與阿根廷等國家都積極推動SMR計畫(參考圖1與圖2)。基本上，都由政府出資協助發展SMR示範廠-包括吸取經驗以降低投資風險並訂定採用SMR的策略。其概要說明如后：

   (一)美國：

　　為協助業者發展包括SMR在內之新型核反應器，美國能源部(DOE)先行提供執照技術支援(Licensing Technical Support)，其後又提供財務與法規程序支援-包括提供實驗與測試設備、模型與模擬工具、重要數據、材料樣品等。DOE並在2020年啟動新型核反應器示範計畫(Advanced Reactor Demonstration Program, ARDP)，藉財務支援方式， 降低新型核反應器示範過程中技術、營運與法規程序上的風險，目前分別選定泰拉能源(TerraPower)與GE-Hitachi(GEH)合作研發的之Natrium(採液態鈉冷卻)與X-energy研發的Xe-100(採高溫氣體冷卻)等兩種機型，各提供8,000萬美元的財務支援，預計在未來7年內達成預定之功能目標。

　　由NuScale 公司研發且為第一個獲得美國核能管制委員會(NRC)設計認證(design certificate)的SMR，於2023年3月，在DOE的支持下(10年內每兩年資助1.4億美元)，NuScale與猶他州聯合市政電力系統公司（UAMPS）及其他數家參與業者簽約，啟動零碳電力計畫(Carbon Free Power Project, CFPP)，預定在愛達荷國家實驗室(INL)所在地建造美國第一座 SMR，規劃在2024年向NRC提送VOYGR-6 模組(由6部77Mwe SMR組成，NuScale命名為VOYGR)之聯合運轉執照申請(Combined Operation Licensing Application, COLA)文件。如順利取得執照，預計2026年開始施工，2029年第1個模組開始運轉，其餘模組2030年運轉。

   (二) 英國

　　英國核能及環境主管機關於2022年4月開始進行Rolls-Royce公司所研發SMR之通用設計審查(generic design assessment, GDA)。嗣後，Rolls-Royce 於2023年3月與芬蘭Fortum電力公司及烏克蘭Energoatom公司簽屬備忘錄，將合作探討在芬蘭、瑞典及戰後烏克蘭興建Rolls-Royce 所研發SMR之可行性。

   (三)加拿大

　　安大略省電力公司(OPG)及Synthos綠色能源公司(SGE)於 2023年3月共同投資約4億美元，與美國GEH公司及田納西河流域管理局(TVA)合作推動GEH-BWRX-300型SMR的全球部署計畫，重點在發展BWRX-300之標準設計，預定在美國、加拿大、波蘭及其他歐盟國家申請興建執照。目前OPG、SNG-Lavalin及Aecon工程顧問公司已簽約在OPG所屬達靈頓(Darlington)核電廠建造BWRX-300 SMR。

   (四)日本

　　除陸續重啟部分核電廠外，也積極開發SMR，並投資參與泰拉能源/GEH的Natrium SMR計畫。

   (五)韓國

　　尹錫悅總統就任後積極發展核電，除原停工的核電廠恢復施工外，也發展其SMART-SMR。韓國Doosan Enerbility與美國NuScale簽約供應SMR模組設備；韓國也投資參與泰拉能源/GEH的Natrium SMR計畫。另，韓國除Doosan Enerbility Co.、Samsung C&T Co. 與GS Energy等企業共同投資NuScale 2.5億美元外，GS Energy規劃於Uljin核電廠址興建6個NuScale研發之 VOYGR模組，以發展韓國核能製氫綜合工業體系，預定2023年正式啟動，2028年獲核管機關核准後開始施工。

   (六)中國大陸

　　由中國核工業集團公司（CNNC）開發的ACP 100「玲瓏一號」SMR機組設計已獲得國際原子能總署(IAEA)認證，於2021年動工興建，並預定於2026年12月商轉。

   (七)其他國家

　　阿根廷開發之CAREM 25-SMR正施工中，預定2026年完工；美國與日本、韓國以及阿聯等國於2023年5 月在G7會議中宣布，將提供2億7,500萬美元協助羅馬利亞發展NuScale SMR計畫；波蘭礦產公司與NuScale簽約建造SMR； 另，目前尚無核能發電之國家也在規劃或考慮引進SMR-例如菲律賓在IAEA協助下，評估重啟1984年所停建核電廠之可行性，並考慮引進SMR。

四、 SMR未來發展趨勢與挑戰

　(一)建造工期與經濟性：SMR相對於傳統大型核能機組建廠工期較短，一般估計，後者大約需5〜8年，而SMR首創(First-of-a-kind, FOAK)機組估計約需4〜5年，接續機組(nth-of-a-kind, NOAK)約3〜4年(參2)，但依俄羅斯KLT-40S與中國HTR-PM等首創SMR之經驗，其興建過程都遭遇工期延長與建造成本增加問題。2021年NuScale預估其SMR建造成本為53億美元，2023年提高至93億美元(增加75％)；發電成本由原估$58/MWe提高至$89/MWe(已納入降低通膨法IRA優惠措施)，主因為原物料平均漲幅55％及施工期間利率提高5％，顯見首創SMR之經濟性仍有待提升。

　(二)核能法規：美、英、中、俄、加、日等國已全面檢視現行核能法規，評估其對SMR等新型核能機組之適用性。另，美國、加拿大與英國等核能管制單位合作尋求建立「調和SMR法規(Harmonize SMR Regulation)」之機制。多年來，IAEA也致力於SMR法規之研究，以提供各會員國研擬或修訂法規之參考。

　(三)安全性：目前SMR尚缺乏足夠之運轉經驗，未來的運轉安全仍有待時間加以確認。SMR因採用模組化工廠組裝，核能管制單位如何配合對模組製造過程進行監測管制、小型化是否影響機組的維護保養等議題都需進一步探討。

　(四)核廢料：SMR核廢料產量主要取決於燃料燃耗(Fuel Burn-up)、鈾濃縮度(Uranium Enrichment)、熱效率與SMR的爐心設計。美國阿岡國家實驗室(ANL) 針對NuScale、Natrium、Xe-100三種SMR進行核廢料分析(參3 )，結論為NuScale產生的核廢料(以用過核燃料為主)數量與傳統壓水式核反應器(PWR)相當； Natrium因其燃耗、鈾燃料濃度與熱效率都較傳統PWR為高，所產生的核廢料量體都較少； Xe-100亦如此，但因其大量採用石墨材料，所產生的低放射性廢料量體亦較大。基本上，就所產生核廢料之量體而言，不同SMR的設計各有其優點與缺點，但對現行核廢料管理方式不致形成重大挑戰。

五、結語

　　如前所述，SMR因小型化，具有較高的選址彈性、較好的併網韌性與多元的應用方式，或可作為缺乏自產能源的台灣邁向淨零碳排的選項。如要引進SMR，可參照IAEA之建議，採用國際上已取得設計認證且獲核能安全管制機關核准興建的機組，以降低投資風險。當然，引進SMR亦須考量經濟規模、執照與核能法規的配合、財務投資與政策支持、公共認知與支持、核燃料供應、核廢料處理等議題。更重要的是，核能人才培養需要相當時間，如要引進SMR，須及時啟動培育核能人才。歐盟為發展SMR，提出「歐盟2030 SMR宣言(Declaration on EU SMR 2030)」，推動教育與培訓計畫，積極培訓核能人才即為例證。

圖1 全球發展SMR計畫數量(參4)       圖 2 具短期里程碑的各型SMR (參5)

參考資料

1.Small Modular Reactors：Challenges and Opportunities

2.Small Modular Reactor Deployment and Obstacles to be Overcome

3.Argonne Releases Small Modular Reactors Waste Analysis Report

4.Global Number of Small Modular Reactor Projects in 2022

5.Nuclear Power and Secure Energy Transitions-From today’s challenges to tomorrow’s clean energy systems