小型模組化反應器於淨零轉型的應用與發展潛力
童武雄* 主筆
*國家原子能科技研究院研究員
一、前言
經濟暨合作發展組織(Organization for Economic Cooperation and Development)核能署(Nuclear Energy Agency)在達成氣候變遷目標的核能角色報告[1]中，引述政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)於2018年的研究結果[2]指出，IPCC評估了90種使全球溫升小於1.5 °C的路徑，就各種路徑的平均結果而言，核能發電量在2050年時須達到1,160 GWe，相較於核能在2020年的總發電量394 Gwe，增加接近2倍。在IPCC的評估中，核能發電包括現有機組延役、新建大型機組及新建小型模組化核反應器(Small Modular Reactor, SMR)。第29屆聯合國氣候變遷大會(COP29)上，包括美國和日本在內的31個國家共同倡議在2050年前將核電裝置容量提升至2020年水準的三倍。
目前國際上有兩大能源發展趨勢：第一個是2050淨零排放，第二個是能源安全。表1為各種能源的電力排放係數[3]，核能每度電排放的二氧化碳當量與風力發電相當，不到太陽能發電的1/3，但核能為可調度的能源，因此是低碳能源中的優選。由於核能具有碳排放量低及穩定可調度的特性，近幾年來有越來越多的國家將核能納入其能源組合中。例如，2023年6月，瑞典國會修正了能源目標，否決40年前的「逐步淘汰核電」政策，並在條文中明確表示建造更多核反應器，以達成淨零排放；瑞典國營公共事業公司Vattenfall並希望與國際合作，建造2座實驗性質的SMR。瑞典的水力發電占比為40%，風力發電占比為19%，太陽能發電占比為1.3%，再生能源發電合計之占比為60.3%[4]。另外，被譽為「綠能模範生」的挪威也規劃興建SMR核電廠，以取代所有工業部門所使用的化石能源，這些化石能源不是用來發電，而是用來提供工業生產過程中所需要的熱能[5]。
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二、小型模組化反應器之發展潛力
國際原子能總署(International Atomic Energy Agency, IAEA)將SMR定義為發電量小於300 MWe的核反應器，可以在工廠以模組化方式製造與組裝後，再運送至廠址現場安裝。IAEA將SMR分為6類[6]，分別是陸地型水冷式、海上型水冷式、高溫氣冷式、熔鹽式、液態金屬冷卻式及微型模組化核反應器(Micro-Modular Reactor, MMR)。依據IAEA的定義，MMR的發電功率小於10 MWe。
依據IAEA的報告[7]，SMR具有安全高、緊急應變計畫區(Emergency Planning Zone, EPZ)小及應用彈性高等多項優點，分列如下：
1.反應器的安全性提升並可提供無碳電力；
2.較小的緊急應變計畫區使選址更有彈性；
3.較先進的被動式安全(Passive Safety)系統及較少的輻射源項，使其較易為公眾接受；
4.模組化的設計使除役更為容易；
5.可利用現有的化石燃料電廠廠址作為 SMR 廠址及較短的建廠時程，使 SMR 電廠有較佳的財務彈性；
6.每部機組發電量小，適合應用於小型電網及偏遠地區，並能與再生能源電網整合或取代老舊的化石燃料電廠；
7.易於升降載以搭配間歇性的風力與太陽能等再生能源；
8.先進設計之 SMR 有較高的容量因子(Capacity Factor)；
9.可依用電量需求的成長逐漸增加機組，降低財務負擔；
10.除了可產生電力外，亦可提供工業製程、產氫或海水淡化所需的熱能。
相較於傳統大型核電廠，SMR的主要優勢為安全性較高、EPZ較小、選址及應用較具彈性。以美國NuScale Power Inc.所設計的SMR為例，其爐心熔損機率為3x10-10/(反應器x年)，而傳統大型輕水式反應器的爐心熔損機率約為10-5/(反應器x年)[8]。NuScale設計的SMR已於2023年2月獲得美國核管會的設計認證(Design Certification)，其EPZ可縮小至廠址邊界內，估計半徑不到300公尺[8]。SMR由於EPZ小，使其選址更具彈性，因而具有設置在熱能應用地點附近的潛力，以提供工業生產過程所需的熱能。另外，SMR單一機組的發電功率小，適合應用於小型獨立電網，或應用於分散式區域電網中，有助於整體電網運作的穩定性。
傳統大型核電廠的興建常有工程延誤導致預算超支的問題，且建造成本高，對投資興建者而言，財務風險大。國際上近期完工的幾部大型核能機組，皆歷時10餘年才完成：美國Vogtle核電廠3號機及4號機，從2013年開始建造，3號機在2023年完工商轉，4號機在2024年完工商轉，兩部機的建造費用是368億美金[9]；芬蘭Olkiluoto核電廠3號機從2005年開始建造，2023年正式商轉，建造費用約124億美金[10]。表2比較NuScale SMR與前述2座大型核電廠的單位電力建造成本。SMR因為可以在工廠內進行模組化製造的特性，核電廠建造完工所需時間可以大幅縮短，預期建造完成所需時間約為3年。由於總建造經費較低(總發電量亦較低)及建造所需時間較短，可以大幅降低投資興建核電廠的風險。
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註1：NuScale將其核電廠命名為VOYGR，目前尚無確定之廠址。
註2：預估之建造費用[11]。
由於上述SMR的優點，有許多國家看好SMR的發展，紛紛投入相關研究。IAEA於2024年出版的報告[12]指出，全球發展中的SMR設計超過80種，積極發展中的有68種設計，投入SMR設計研究的IAEA會員國有19個，分別是美國、英國、法國、加拿大、俄羅斯、中國、日本、韓國、印尼、南非、阿根廷、義大利、瑞士、瑞典、荷蘭、丹麥、捷克、波蘭、沙烏地阿拉伯，各類型積極發展中的SMR數量如圖1所示。
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三、SMR於淨零轉型之應用
SMR由於體積小、EPZ小、應用及選址彈性等特性，國際上除了規劃應用SMR作為協助達成淨零目標的電力基載能源外，相較於傳統大型核能電廠，可有更多方面的應用以協助達成淨零轉型的目標，相關實例說明如下。
1.AI資料中心
AI資料中心由於耗電量大，且不斷快速增加，在淨零趨勢及穩定供電的要求下，國際科技大廠逐漸轉向核電，尋求資料中心所需電力。2024年10月，Amazon宣布投資高溫氣冷式SMR廠商X-energy 5億美金，預計於華盛頓州興建4部SMR，每部SMR的發電量為80 MWe，由Energy Northwest興建與運轉[13]。同樣在2024年10月，Google與Kairos Power簽署合作協議，購買Kairos Power所建造7部SMR的電力，Kairos首座商業用核反應器預計在2030年前運轉，2035年前完成擴增反應器數量，供電Google資料中心，協助Google達成全天候無碳電力的目標[14]。
2.海運業脫碳(Decarbonization)
航運業每年消耗約3.5億噸化石燃料，占全球碳排放總量約3%。2023年7月，國際海事組織通過新的溫室氣體減排目標，目標是在2050年前後實現淨零排放。荷蘭核能開發與諮詢公司ULC-Energy已於2024年2月完成由全球礦業公司BHP委託進行的研究，調查民用核能技術在商業海運船舶中的潛在應用。ULC-Energy的首席執行官Dirk Rabelink表示，民用核能解決方案有潛力成為其他海運燃料選項中可靠且具成本效益的替代方案[15]。另外，挪威的NuProShip計畫於2025年1月完成第一階段的研究，目的為評估SMR技術在商業航運應用中的可行性，經過初步篩選，已有三種SMR技術被選中進入下一階段的進一步評估[16]。
3.工業脫碳
工業部門的碳排放，可分為直接排放與間接排放。在製造生產過程中因使用電力所產生的碳排放為間接排放，在製造生產過程因需要熱能而使用化石燃料所產生的碳排放為直接排放。因此，工業部門的去碳化除了要使用零碳排電力外，也需要使用零碳排能源來提供熱能。被譽為「綠能模範生」的挪威正在規劃興建SMR核電廠，以取代所有工業部門所使用的化石能源，這些化石能源不是用來發電，而是用來提供工業生產過程中所需要的熱能。不同類型的核反應器輸出的工作流體溫度不同，可分別提供不同工業製程所需的熱能，如圖2所示。煉鋼業約占全球碳排量的7%，美國煉鋼業者Nucor與SMR的廠家NuScale合作，評估在煉鋼廠附近設置SMR核電廠以提供電弧煉鋼用電的可行性[17]。
4.取代燃煤電廠
隨著全球對減少碳排放的需求日益增加，許多燃煤電廠正面臨淘汰或轉型的壓力。SMR佔地面積小，具有在原燃煤電廠場址安裝的潛力，燃煤電廠的電網連接與人力資源可直接轉用於SMR，降低轉型成本。目前，美國、加拿大、歐洲和亞洲多國均在推動SMR替代燃煤電廠的計畫，以降低電力部門的碳排量。例如，美國的鳳凰計畫(Project Phoenix)旨在加速全球清潔能源轉型，透過支持可行性研究並提供技術協助，推動燃煤發電廠轉型為可靠且安全的零碳排SMR核能發電[18]。美國TerraPower公司的首座鈉冷式SMR核電廠即興建於懷俄明州一座退役燃煤電廠的舊址附近，為全球第一個“Coal-to-Nuclear”計畫[19]。
5.混合能源系統
IAEA認為低碳能源的兩個主要選項是再生能源和核能，由核能-再生能源構成的混合能源系統(Hybrid Energy System, HES)通過將這些能源結合，發揮各自的優勢，不僅能為電網提供可靠且可持續的電力，還能為其他能源使用部門提供低碳能源[20]。當SMR與再生能源(如風能、太陽能、水力或生質能)結合時，該系統能同時發揮核能的穩定供電能力與再生能源的低碳環保特性，為電網或獨立電力系統提供最佳能源解決方案。核能與再生能源的結合可以克服單一能源技術的限制。SMR可提供基載電力，確保供電穩定，而風能與太陽能則因天氣變化具有間歇性，SMR可在再生能源發電不足時提供補充電力。現代SMR設計可透過負載追隨(load-following)技術調整輸出功率，以適應再生能源的波動性。傳統大型核反應器雖然也具有負載追隨的能力，但SMR可以更快速的調整功率以配合電力負載的變動，比傳統大型反應器更適合應用於混合能源系統。另外，多樣化的能源供應來源可降低對單一能源的依賴，提高能源供應韌性，特別適用於偏遠地區或獨立電網。
6.產氫
鋼鐵、化工、煉油產業對氫氣需求大，氫氣也可用於氫燃料電池車或作為航運與航空燃料，而SMR可同時提供產氫所需的熱源或電力，且SMR為非間歇性能源，可持續與穩定地生產氫氣。SMR可透過多種技術生產氫氣，主要方式包括高溫電解(High-Temperature Electrolysis)產氫、熱化學水分解產氫(Thermochemical Water Splitting)及傳統低溫電解產氫。高溫電解及熱化學循環產氫因需要較高的溫度，適合使用高溫氣冷式或熔鹽式SMR，而輕水式SMR則適合用於低溫電解產氫。IAEA的研究[21]指出，高溫氣冷式SMR HTR-PM的產氫成本約為2至3 USD/kg-H2。荷蘭核能開發與諮詢公司ULC-Energy的研究指出，SMR搭配固態氧化物電解池(Solid Oxide Electrolysis Cell)產氫的成本約為3.5 EUR/kg-H2，可望在2050年之前降低到2.0 EUR/kg-H2[22]。
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四、結語
相較於傳統大型核電廠，SMR的主要優勢為安全性較高、EPZ較小、建廠時程短、財務風險較低、選址及應用較具彈性。國際上除了規劃應用SMR作為協助達成淨零目標的電力基載能源外，也規劃多方面的應用以協助達成淨零轉型的目標，包括應用於AI資料中心、海運業脫碳、工業部門脫碳、取代燃煤電廠、混合能源系統及產氫等。然而，SMR的發展仍然有一些挑戰需要克服，包括成本及技術成熟度等。
1.SMR因為單一機組的發電量小，較不具規模經濟，發電成本可能較高。如表2所示，NuScale第一座6部SMR機組的核電廠建造成本估計約為93億美金，雖然總建造成本較低，但單位電力的建造成本20,130 USD/kWe則較表中另外2座大型核電廠高。不過，SMR仍然可以透過一些方法，降低其建造成本。例如，SMR因為功率小，需要興建多部機組以達到一部大型反應器機組相同的發電量，由於興建的機組數量較多，可以透過學習或經驗得到較高的成本效益。另外，SMR具有在工廠模組化製造的優勢，有利於製造經驗的累積，更容易透過學習曲線達到成本降低的效益。
2.雖然全球SMR如雨後春筍般蓬勃發展，但大部分尚在研發設計階段，運轉案例較少，仍需持續觀察技術成熟性。目前在運轉中的SMR分別是中國大陸石島灣核電廠的高溫氣冷式反應器HTR-PM、俄羅斯浮動式核電廠的壓水式反應器KLT-40S，以及日本原子力研究開發機構(Japan Atomic Energy Agency)的高溫氣冷式研究用反應器HTTR-30。國內可持續關注國際間的SMR技術發展趨勢，並進行相關研究，維繫國內核能技術與人才，以利接軌國際技術發展潮流。
參考文獻
1.Nuclear Energy Agency, Meeting climate change targets: the role of nuclear energy, 2022.
2.Intergovernmental Panel on Climate Change, Global Warming of 1.5°C - An IPCC Special Report on the impacts of global warming of 1.5°C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty, 2018.
3.低碳力，https://lowcarbonpower.org/zht/type/nuclear。
4.中國時報，瑞典否定過時的「穩健減核」 改成「無化石燃料」，https://www.chinatimes.com/realtimenews/20230625003512-260408?chdtv。
5.中國時報，綠能模範生挪威決定建造核電廠 徹底取代化石燃料，2023年11月，https://www.chinatimes.com/realtimenews/20231106004973-260408?chdtv。
6.International Atomic Energy Agency, Advances in small modular reactor technology development, 2022.
7.International Atomic Energy Agency, Technology roadmap for small modular reactor deployment, 2021.
8.José N. Reyes, Jr. and John Hopkins, A Promising Innovation in Nuclear Energy, The 7th Round-TabIefor Studying Energy Situations, Next-Generation Technologies and Innovation for Decarbonization, Feb. 2018.
9.Wikipedia, Vogtle Electric Generating Plant, https://en.wikipedia.org/wiki/Vogtle_Electric_Generating_Plant.
10.Wikipedia, Olkiluoto Nuclear Power Plant, https://en.wikipedia.org/wiki/Olkiluoto_Nuclear_Power_Plant#cite_note-64.
11.Institute for Energy Economics & Financial Analysis, Eye-popping new cost estimates released for NuScale small modular reactor, Jan. 2023, https://ieefa.org/resources/eye-popping-new-cost-estimates-released-nuscale-small-modular-reactor.
12.International Atomic Energy Agency, SMR Catalogue, 2024.
13.World Nuclear News, Amazon invests in X-energy, unveils SMR project plans, Oct. 2024, https://www.world-nuclear-news.org/articles/amazon-invests-in-x-energy-unveils-smr-project-plans.
14.World Nuclear News, Google and Kairos Power team up for SMR deployments, Oct. 2024, https://www.world-nuclear-news.org/articles/google-and-kairos-power-team-up-for-smr-deployments-in-us-first.
15.World Nuclear News, BHP considers nuclear-powered cargo ships, Feb. 2024, https://www.world-nuclear-news.org/articles/bhp-considers-nuclear-powered-cargo-ships。
16.World Nuclear News, Three SMRs selected for evaluation in ship propulsion study, Jan. 2025, https://www.world-nuclear-news.org/articles/three-smrs-selected-for-evaluation-in-ship-propulsion-study。
17.World Nuclear News, Steel maker considers use of NuScale SMRs at its mills, 2023年5月，https://www.world-nuclear-news.org/Articles/Steel-maker-considers-use-of-NuScale-SMRs-at-its-m。
18.Project Phenix, https://www.state.gov/bureau-of-international-security-and-nonproliferation/releases/2025/01/project-phoenix, Accessed Jan. 2025.
19.TerraPower, TerraPower Begins Construction on Advanced Nuclear Project in Wyoming, June 2024, https://www.terrapower.com/terrapower-begins-construction-in-wyoming.
20.IAEA, Nuclear–Renewable Hybrid Energy Systems, NR-T-1.24, 2022.
21.International Atomic Energy Agency, Examining the Technoeconomics of Nuclear Hydrogen Production and Benchmark Analysis of the IAEA HEEP Software, TECDOC-1859, 2018.
22.World Nuclear News, SMRs cost-effective in hydrogen production, study finds, May 2024.
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