整合型壓水式小型模組化核反應器設計理念探討

以美國NuScale 核反應器為例

*陳條宗  主筆

*核能科技協進會顧問

壹、前言

    美國NuScale公司於2025年5月29日宣告其77 MWe整合型壓水式（integrated Pressurized Water Reactor, iPWR）小型模組化核反應器（Small Modular Reactor, SMR）的標準化設計（Standard Design）獲得美國核管會審核同意^[1&2]。在美國，NuScale 77 MWe和50 MWe的標準化設計是目前唯二獲得美國核管會審核同意之輕水式SMR^[1]。基於我國核安會之審查標準一向參採美規與台美核能和平利用合作協定^[3]，將來我國若考慮使用SMR，NuScale 核反應器勢必會被列入考慮。為提供有興趣者瞭解其特性，作者對NuScale核反應器的設計理念之探討初步結果詳述於以下章節。

貳、設計理念探討

一、源自核潛艇之設計需求

    為瞭解NuScale整合型之設計理念與特色，必須探討其發展的來源。整合型壓水式核反應器（iPWR）之發展源自美國海軍核潛艇反應器 ^[4-8]。

    由於核潛艇艙內空間有限，核動力反應器所需空間必須儘量減少。於是將傳統壓水式反應器的蒸氣產生器（Steam Generator）和調壓器（Pressurizer）整合併入核反應器內，並取消一次側冷卻水泵（Primary Coolant Water Pump），改採用冷卻水自然循環。如圖1^[9]、圖2^[10]所示。

    iPWR（含核潛艇與NuScale）的設計，一次側冷卻水絕大部分僅在核反應器內部自然循環，無需設置大口徑管路。因此，傳統核電廠最大設計基準事故「大管破裂流失冷卻水事故（Large Pipe Break Loss-of-Coolant Accident, LOCA）」將不復存在。

    為更進一步減少核反應器所占空間，iPWR（含核潛艇與NuScale）取消蒸氣分離器（Steam Separator）與蒸氣乾燥器（Steam Dryer），改採過熱蒸氣（Superheated Steam）代替傳統飽和蒸汽（Saturated Steam）來推動蒸氣渦輪機（Steam Turbine）。如圖3所示^[11]。同時，其設計上儘量採取固有安全（Inherent Safety）特性，以減少安全相關系統之設置。因此，與傳統壓水式核電廠相比，NuScale的iPWR安全相關系統由原先傳統壓水式核電廠的20多個，減少至8個^[11]。

    此外，與一般核電廠不同，核潛艇因為作戰需求，可能需要不斷移動，而無法以抽取海水當最終熱沉（Ultimate Heat Sink）。又因作戰時可能遭受炸彈爆炸所產生之衝擊震波影響，潛艇核反應器需要設置減震設施。同時，船員在潛艇運作期間需生活於船上，由於核潛艇空間狹小，反應爐艙之設計須將艙外輻射劑量減少至極低水平。因此，需要增加輻射屏蔽設施以保護船員^[4]。如圖2所示^[10]，核潛艇將反應器置於一個大水池中恰可滿足以上三個需求。NuScale的設計也依據此理念，將反應器和圍阻體安置在一個大水池中（包括反應器水池、核燃料更換水池、用過核燃料貯存池），詳如圖4所示^[12&13]。並發展出事故發生時，前3天以衰變熱移除系統和蒸汽產生器進行熱交換；3天至30天以池水自然循環和蒸發來冷卻爐心；而30天後則以空氣自然循環冷卻爐心來達到安全停機，詳如圖5所示^[14&15]。

    由於核潛艇因作戰需求需長期靜音潛航，不宜設置備用柴油發電機，以防曝光其蹤跡。倘若使用柴油發電機供給動力，則需燃燒大量氧氣，將造成核潛艇需浮出水面補充氧氣，曝光其位置。因此藉核反應器置於一個大水池（最終熱沉）之設計理念，達到事故時不需要使用交流電或直流電來確保安全（即不需要安全等級之Class 1E AC與DC電源進行爐心救援）。也因此消除了造成嚴重事故最大機率之電廠全黑事故相關問題。NuScale亦依此核潛艇需求建立其設計理念。

二、源自雙層真空保溫鋼瓶之設計理念

    為能使圍阻體（Containment）和反應器能模組化在工廠生產，圍阻體和反應器之間採用雙層真空保溫鋼瓶設計概念。圍阻體為外鋼筒，反應器壓力槽為內鋼筒。正常運轉時，圍阻體和反應器壓力槽之間抽真空（< 1 psia），形成隔熱效果（詳如圖6所示^[16]）。因此，反應器池水不會冷卻一次側冷卻水、二次側冷卻水和蒸汽。事故時，一次側冷卻水由反應器洩壓閥洩漏至圍阻體和反應器壓力槽之間，等到水位達一定高度時，反應器循環閥打開，使圍阻體和反應器壓力槽中間之集水和反應器內部之水互通並保持爐心被水完全覆蓋。屆時將藉由圍阻體和反應器壓力槽中間之集水提供熱傳導和對流而將反應器內熱量傳到圍阻體外，而達到散熱效果，詳如圖7所示^[11]。另，因正常運轉時，圍阻體和反應器壓力槽之間抽真空，在事故發生時，因缺乏氧氣，氫氣不會燃燒或爆炸，所以不需要設置氫氣再結合器（Hydrogen Recombiner）系統。

三、反應器廠房為二次圍阻體設計理念

    依NuScale之設計，因反應器廠房（詳見圖4^[12-13]和圖8^[17]）為二次圍阻體，不需氣密功能，廠房牆壁內部亦不需設置金屬襯裡（Metal Liner）。因不需要考慮抗內壓設計，廠房建築以長方形方式設計、興建，且不需有預力鋼腱設計。而傳統壓水式反應器廠房則為一次圍阻體，廠房建築為圓柱體，需考慮氣密功能，廠房內部牆壁需要設置金屬襯裡，事故時為抗內壓及避免輻射物質外釋，廠房還需設置預力鋼腱。反應器水池、核燃料更換水池、用過核燃料貯存水池全部建在地表以下以增加耐震能力和結構強度。池壁需設置金屬襯裡以防止漏水。

四、消除低人口密度區、緊急應變計畫區需求之設計理念

    以我國核三廠為例，低人口密度區（Low Population Zone, LPZ）指以核三廠反應器為中心，半徑2.5公里之區域。緊急應變計畫區（Emergency Planning Zone, EPZ）則以核三廠反應器為中心，半徑8公里之區域^[18&19]。低人口密度區需控制廠外人口成長。緊急應變計畫區平時每年需有一次核安演習，嚴重事故發生時，民眾可能必須被撤離。所以NuScale設計致力於消除低人口密度區、緊急應變計畫區需求。在其NuScale 77 MWe和50 MWe執照申請中均順利獲得美國核管會審查同意，低人口密度區、緊急應變計畫區限縮僅在廠區範圍內。

參、結論與建議

    整合型壓水式小型模組化NuScale反應器為第3+代（Gen III+）輕水式核反應器，其設計理念源自於極高標準且成熟的核潛艇技術。須知，核潛艇為戰略性，其重要性可能影響一次戰爭之輸贏或一個國家之存亡。其設計非常重視它的安全性（Safety）、可靠度（Reliability）、堅固性（Robustness）。NuScale除了反應器與圍阻體一體化模組設計、製造較為新穎外，其餘均與傳統核電廠相似且更簡化。若未來我國有考慮引進其設計，作者建議應儘早進行規劃：在產業界應展開技術交流與投資合作、在管制機關方面應展開相關管制法規研析與制定、在學術界應開設相關課程並引入產業資深顧問，以培育相關人才。

肆、參考文獻

1.NuScale, 2025, “NuScale Power’s Small Modular 
Reactor (SMR) Achieves Standard Design Approval  from U.S. Nuclear Regulatory Commission for 77 MWe,” U.S. NuScale Power, LLC, Tigard, Oregon, last modified May 29, 2025, accessed Jun. 23, 2025, https://www.nuscalepower.com/press-releases/2025/nuscale-powers-small-modular-reactor-smr-achieves-standard-design-approval-from-us-nuclear-regulatory-commission-for-77-mwe.

2.U.S. NRC, 2025, “Standard Design Approval for the NuScale Power Company, LLC US460 Power Plant Design,” U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC), Washington, DC, (ADAMS Accession No. ML25129A004).

3.TECRO, 2014, “Agreement for Cooperation Between The Taipei Economic and Cultural Representative Office in The United States and The American Institute in Taiwan Concerning Peaceful Uses of Nuclear Energy,” The Taipei Economic and Cultural Representative Office in the United States (TECRO), Washington, DC, last modified Dec. 20, 2013, accessed Jun. 23, 2025, https://www.nusc.gov.tw/english/Administration-Regulations/Taiwan-U.S.-79.html.

4.FAS, 2000, “Nuclear Propulsion,” Federation of American Scientists (FAS), Washington, DC, last modified Feb. 29, 2000, accessed Jun. 01, 2025, https://man.fas.org/dod-101/sys/ship/eng/reactor.html.

5.Dick Storm's Thoughts on Energy, Education, Economic Prosperity & Environmental Blog, 2022, “History of Energy and Electricity Generation Part 2: The Golden Age of Nuclear, Once Proclaimed to be “Too Cheap to Meter” 1955-2010,” last modified Jan. 20, 2022, accessed Jun. 01, 2025, https://dickstormprobizblog.org/2022/01/20/history-of-energy-and-electricity-generation-part-2-the-golden-age-of-nuclear-once-proclaimed-to-be-too-cheap-to-meter-1955-2010/.

6.U.S. Navy, 2025, “NEW TO N94 - NAVAL NUCLEAR PROPULSION OVERVIEW,” accessed Jun. 01, 2025, https://www.navsup.navy.mil/Viper-Home/NNPO/.

7.Christopher DiOrio, 2016, “Evolution of Naval Reactor Design,” last modified Mar. 07, 2016, accessed Jun. 01, 2025, http://large.stanford.edu/courses/2016/ph241/diorio2/.

8.ANS, 2017, “iPWR: Integral Pressurized Water Reactor,” American Nuclear Society (ANS), Westmont, Illinois, last modified Jan. 20, 2017, accessed Jun. 01, 2025, https://www.ans.org/news/article-1915/ipwr-integral-pressurized-water-reactor/.

9.Ye, D., Wu, J., Liu, A., Chen, J., Zhai, F., Lai, X., 2023, “Investigation of Unsteady Pressure Pulsations of Reactor Coolant Pump Passage under Flow Coast-down,” Machines, Vol. 11, pp. 55. https://doi.org/10.3390/machines11010055.

10.Webber, J., “flow diagram of a closed-loop nuclear reactor for submarines,” last modified Dec. 22, 2018, accessed Jun. 01, 2025, https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/SUBMARINE_CLOSED-LOOP_NUCLEAR_REACTOR.jpg.

11.Welter K., Reyes JN Jr., Brigantic A., 2023, “Unique safety features and licensing requirements of the NuScale small modular reactor,” Frontiers in Energy Research, Vol. 11. https://doi.org/10.3389/fenrg.2023.1160150.

12.Rao, V., Gould, C., 2022, “Carbon-Free Power: The Role of Small Modular (Nuclear) Reactors” https://doi.org/10.3768/rtipress.2022.bk.0027.2301.

13.Philip, L., 2022, “Floating Power Plants: Is Nuclear the Key in the Net-zero Energy Transition,” last modified Feb. 14, 2022, accessed Jun. 01, 2025, https://www.marinelink.com/news/floating-power-plants-nuclear-key-netzero-494278.

14.José N. Reyes, Jr., 2017, “Safety and Reliability Aspects of Nuclear Energy,” Presentation to IAEA International Ministerial Conference on Nuclear Power in the 21st Century Seminar at its October 30, 2017 meeting. https://www.iaea.org/sites/default/files/17/11/cn-247-reyes.pdf.

15.Mirco, D., G., 2014, “Severe Accident Simulation in Small Modular Reactor,” Ph.D. dissertation, University of Bologna, Bologna, Italy.

16.POWER, 2009, “The Race to Commercialize Mini–Nuclear Reactors,” last modified Jan. 01, 2009, accessed Jun. 01, 2025, https://www.powermag.com/the-race-to-commercialize-mininuclear-reactors/.

17.NuScale, 2019, “NuScale Comprehensive Vibration Assessment Program Analysis Technical Report,” U.S. NuScale Power, LLC, Tigard, Oregon, (ADAMS Accession No. ML19212A776).

18.台灣電力股份有限公司，「核能三廠緊急應變計畫」，民國110年09月。

19.核能安全委員會，「核安會如何管制核電廠附近低密度人口區?」，last modified Apr. 26, 2024, accessed Jun. 01, 2025, https://www.nusc.gov.tw/%E4%BE%BF%E6%B0%91%E6%9C%8D%E5%8B%99/%E6%B0%91%E7%9C%BE%E9%97%9C%E5%88%87%E5%95%8F%E7%AD%94%E8%B3%87%E8%A8%8A/%E6%A0%B8%E8%83%BD%E9%9B%BB%E5%BB%A0%E5%AE%89%E5%85%A8%E7%AE%A1%E5%88%B6/%E5%85%B6%E4%BB%96/%E6%A0%B8%E5%AE%89%E6%9C%83%E5%A6%82%E4%BD%95%E7%AE%A1%E5%88%B6%E6%A0%B8%E9%9B%BB%E5%BB%A0%E9%99%84%E8%BF%91%E4%BD%8E%E5%AF%86%E5%BA%A6%E4%BA%BA%E5%8F%A3%E5%8D%80%3F--220_237_2271_2282_3987.html.