先進的核能製氫技術

此前的文章曾提到潔淨能源之核能，也提到過氫燃料應用的光明前景；當然也用了不少篇幅描述日本福島核電站的意外事件，證明當今核能發電的潛在風險。今周，我們嘗試為大家從另一角度來一個整合。先為大家回顧一下前文要點，核能的確是很有前景而超低成本的潔淨能源，只是由於核燃料以核裂變的方式發熱，通過水蒸汽推動渦輪發電機產生電力；當中最大的風險是輕水冷卻部份，這些水在高壓之下由於沸點更高所以能對核反應堆進行冷卻，但若在冷卻過程中失效，核燃料棒便會繼續通過裂變而發熱，最後達到堆芯熔蝕的事故；而且若管道受損，這些水會是核污染源。至於氫能，前景非常之好，但要大量生產氫氣，以現時主流的化石燃料製氫技術，必須引致大量二氧化碳釋放，不見得是長遠可行方案。

2021年12月，山東榮成石島灣核電廠第一期正式投產。一般人可能不曉得這座核電廠的利害，它可是全球首座使用最先進高溫氣冷堆技術的商業應用第四代反應堆的核電廠，也是全國的高溫氣冷堆核電廠示範工程。作為第四代反應堆技術最主要的特點是非常安全，以石島灣核電廠的高溫氣冷堆為例，它的核燃料是呈球型，而非傳統的棒型，整個球型核燃料球的芯是直徑只有0.5mm的氧化鈾，由非常堅硬的陶瓷包裹，外圍再利用鋯合金殼組成。鋯合金的特點是高硬度、耐腐蝕，與核燃料有很好的相容性。這些球型核燃料在反應過程中所釋放的熱量，由穩定見稱的隋性氣體 – 氦氣帶走至另一具備蒸汽發生器的容器，產生蒸汽推動渦輪發電機。由於不使用水來冷卻，所以不會出現如福島核電站因冷卻失效引致的風險。通過鋯合金、氦氣，以及石墨作為慢化劑，形成三層防線。氦氣與反應堆的結構，也令到在任何情況下，都不會出現核燃料顆粒的溫度超過允許限值。換來是極高安全系數的核反應堆，將以往核電廠最大的短板解決。 同時這種高溫氣冷堆也同時是非常好的製氫方案，在800至1000 攝氏度之下，能使水熱分解成為氫和氧；也可在500至700攝氏度，在鎳催化之下令甲烷熱分解成為氫和固體碳，這些碳產物可以用來作為碳纖維原料加以再利用。利用核能的熱量來製氫，不單不會產生溫室氣體，而且非常高效。例如利用核能進行甲烷熱解製氫，耗能比將水電解製氫低8倍，產生的氫也比水電解多幾倍。所以在第四代核反應堆的多種技術路線中，我們國家優先採用高溫氣冷堆技術，反映背後「一舉多得」的智慧。

作者：澳門大灣區人工智能學會理事長 陳永健