核反應堆也起革命

上文曾簡單地提到了第四代核反應堆技術，由於以製氫作為主題，所以先提到我國山東榮成石島灣核電廠所採用全球最先進的高溫氣冷堆技術，這種技術是作為量產製氫非常優良的方案。然而，第四代核反應堆是否僅此而已？不是的，第四代反應堆其實在核裂變方面，有重大的核能科技革新成果，就是俗稱「快堆」的「快中子增殖反應堆 (Fast Breeder Reactor)」。

在介紹「快堆」之前，先為大家解釋一下核燃料。長久以來，核燃料都是以鈾-235或鈈-239這兩種易分裂的同位素為主。以鈾-235為例，其實在地球上存量很少，一般由鈾礦開採出來的天然鈾，當中鈾-235含量只有0.73%；其餘99%以上都是鈾-238。所以開採出來後，需要進一步通過「鈾濃縮」這一艱鉅的工序，將鈾-235從中分離出來，直到濃度達3-5%時，就能提供穩定的核連鎖反應，而成為核電廠的燃料。可見鈾-235引致鈾礦的使用率非常低，需要大量的天然鈾；也令一些鈾含量較低的鈾礦沒有開採價值，若持續下去，地球上的鈾資源數十年之後就會耗盡。﹙題外話，如果把鈾-235進一步濃縮，當濃度超過90%時，就能用於核武器上﹚

為何不使用存量非常大的鈾-238？因為在傳統核裂變，需要使用中子去轟擊鈾原子，利用鈾原子受擊後分裂釋放熱能。鈾-235是很易產生裂變的，但鈾-238卻不是。如果能找到方法，讓鈾-238同樣的產生裂變，那就不用花費大量成本和時間去進行鈾濃縮直至能作為核燃料的最低濃度。如此，地球上鈾礦的價值就大幅提升，可使用的鈾資源也頓時大增。答案就是上方提到的「快堆」。在快堆中，通過鈾-235裂變時產生的快中子去轟擊地球上大量存在的鈾-238，解決了鈾礦源頭的使用率問題。同時，鈾-238給快中子轟擊後的裂變效果，跟傳統基於鈾-235的不同。鈾-235裂變後，燃料上的鈾-235就會被消耗掉。但快中子引起鈾-238的裂變，會產生更多的核燃料，愈用愈有。大概是每1公斤的鈾-238，能產生1至1.5公斤的鈈，鈈也是像鈾-235一樣，屬於易裂變的同位素，從而達到增殖效果，所以這種以快中子令到鈾-238產生裂變的反應堆，叫作「快中子增殖反應堆」。在這情況下，地球上鈾的利用率將由不到1%，提高到60-70%！也由於鈾-238的使用，提高了鈾礦開採價值，令地球上更多鈾資源能得以開採來產生更大的經濟價值。原來由於可運用的鈾資源所限，制約了各國通過核電來產生清潔能源的進程；但在快中子增殖反應堆的大量應用下，就可以在未來建造更多新型的核電廠，提供清潔能源，並同時生產大量的氫燃料。

作者：澳門大灣區人工智能學會理事長 陳永健