八爪博士 4ni！？《蜘蛛人》裡的人造太陽或將問世？（下）

隨著核電廠陸續退役，台灣也逐漸邁向零核家園，郭台銘突然提出的「一縣市一核電」把核能議題的熱度重新炒到高峰。

雖然看似激進，但有人認為如果是郭董提到的「小型核電廠 SMR」的話，或許就有可能。這個 SMR 到底是什麼？它安全嗎？再者，它真的是核電的未來嗎？

實際上已經有人成功運行小型核電廠，並且已經併網發電了，他們是怎麼做到的？

小型核電廠是什麼？

台灣現在僅存，還在運作的核電廠就是核三廠，核三有兩部機組，每個機組的發電量大約為 950MW。

小型核電廠正式的名稱是「小型模組化反應爐」SMR（Small Modular Reactor），發電量通常在 20~300 MW，比一般核電廠小上許多。還有甚至更小，發電量 1～20 MW 的 MMR（Micro Modular Reactor）的反應爐。

奇怪，發電量怎麼越發展越小了呢？這樣不就得要蓋更多核電廠？

小型核電廠的特點就是小發電量，因為這能創造三個優點：安全、造價便宜、易組裝。

核能那麼危險，為什麼還要用？

這三個優點實際上就是現在核電發展的最大瓶頸。核能發電也已經有 60 年歷史了，但至今全世界的發電量中，核電也只佔大約 10%。最大的問題不外乎就是安全性、造價昂貴和建造時間久。

就算撇除安全性，漫長的建設時間與昂貴的發電成本，是讓許多電力公司卻步的原因之一。根據能源研究公司 BNEF（彭博新能源財經）的調查，從 2009 年到 2021 年，12 年間核能的建設成本增加了 36%；加上核電廠動輒 5～10 年的建設時間，就算核能是屬於低碳排的發電方式，大家也都更傾向選擇發展成熟的再生能源。

核能有一個最大的優點，那就是穩定持續發電。太陽能與風力這些再生能源容易隨天氣與時間影響發電量，反之核能屬於基載電力，本來就與風力、太陽能定位不同。

小型核電廠如何克服安全性？

要好要快也要便宜，除了穩定與低碳，還想要兼顧安全跟造價低的核電，小型核電廠真的是那個完美的選擇嗎？

小型核電廠 SMR 主打的特點就是一個字，小！只要夠小、功率降低，反應爐就不會一口氣釋放太多的熱，甚至能免除外部冷卻設備，靠自然循環降溫。

福島核電廠發生意外的主因就是海嘯破壞了核電廠中做為緊急電源設備的發電機與電池，導致冷卻系統失效，最後反應爐內的溫度無法抑制、不斷竄高，將水分解成了易燃的氫氣，產生爆炸。

如果 SMR 的反應爐可以撇除對外部冷卻系統的依賴，靠自己就能降溫，就能最大程度避免發生爆炸以及爐心熔毀的事故。

我們以目前 SMR 發展最成熟的美國公司 NuScale 為例，在他們發展的 60MW 反應爐中，含有 37 個燃料束，整個反應爐高約 17.8 公尺，直徑約 3 公尺。這個大小甚至可以在工廠製造，透過貨車或火車運送至預定地再快速組裝起來，大幅減少建造的時間與成本。

NuScale 把水循環系統都包在了反應爐，一次冷卻劑藉由熱對流上下循環，完全不需要幫浦，減少停電時產生的風險，一次冷卻劑的熱則會傳給二次冷卻劑，讓二次冷卻劑變為蒸氣推動渦輪發電。

如果真的遇上斷電事故，反應爐也有緊急冷卻系統，直接將整個反應爐泡在大水槽中；根據計算，水會在 30 天後完全蒸發，而此時的反應爐功率已經降低為原本的 4% 以下，只要靠空氣循環就能穩定溫度。

中國的小型核電廠是怎麼做到的？

而現在，在中國已經有第一座陸上 SMR 併到電網了！2021 年年底，中國山東省「石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程」正式併網發電，發電功率 200MW，雖然發電廠的總體積不小，但以它的發電功率及主打安全的設計，是實實在在的一座 SMR。

所謂的「高溫氣冷堆」，指的是流經燃料棒，充當冷卻劑與熱交換的材料，所使用氣體如：氦氣。與壓水式反應爐用水作為冷卻劑的最大差別在於不僅熱轉換效率更好，也不用擔心水因高溫氣化而有爆炸風險，故可承受更高的反應溫度。

比起傳統反應爐，高溫氣冷堆可以用更少的鈾 -235 進行反應，也就是能在燃料棒中有更多的鈾 -238 可以在溫度飆高時吸收掉多餘中子，加上高溫氣冷堆本身就能承受高溫的特性，如果真的遇到失去電力的情況，整個反應堆的溫度，也會穩定在 1600℃ 上下。

除此之外，石島灣核電廠的設計十分有趣，是球狀反應爐。在如同沙漏般的大反應爐中，燃料棒被做成了一顆顆直徑約 6.7 公分的燃料球，兩萬七千顆燃料球像沙漏中的沙子一般填充在反應爐內。

鈾燃料會被包裹在球狀構造的中心，外頭則是作為中子減速劑的石磨；作為冷卻劑的高溫氦氣會從球的中間通過帶走熱量，燃料球可從下方取出，並從上方填充。

不過，高溫氣冷堆能否成功，還需要許多時間觀察，例如石磨包裹的燃料球是否容易摩擦造成破裂，都是需要進一步注意的。

小型核電廠的未來？

除了中國外，各國也都在發展不同形式的 SMR，甚至有人在發展功率 20MW 以下的微型核子反應爐 MMR。例如美國愛達荷國家實驗室正在建造的 MARVEL 反應爐，以及核能公司 Radiant，它們正在打造貨櫃大小、可以隨拉隨走的 MMR，希望能取代社區停電時使用的高污染柴油緊急發電機。

不論是小型還是微型核電廠，除了技術還有待發展，成本是否能壓低，也是個重要指標。當然，還有另一個大魔王，就是核廢料問題，還等著被解決。

根據研究推算，NuClear 各種機型每單位能量產生的核廢料可能會是傳統核電廠的 5.5～30 倍不等，球狀反應堆的體積因為球狀包裹物的設計，核廢料的體積也是明顯可見的變大，而這些核廢料的處置問題也是全球都在面對的問題。

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• 張博宇／目前專研於高能高密度電漿、電漿推進、核融合等領域。

Take Home Message

• 美國國家點火設施（NIF）在去年使用慣性控制核融合，首次在可控的核融合反應中，令能量的輸出大於輸入，朝核融合產能邁進了一大步。
• NIF 將 2.05 百萬焦耳（MJ）的雷射能量注入靶材，經過核融合反應產生了 3.15 MJ 的能量，靶材增益為 1.5。但若將產生雷射能量的耗能考慮進去，則並沒有真正的能量輸出。
• 臺灣各學校的物理系、核工系、電漿所其實都有學者針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究，期望這次NIF的成果能推動相關領域進展。

去（2022）年 12 月，美國能源部（Department of Energy, DOE）、DOE 所屬的國家核安全管理局（National Nuclear Security Administration, NNSA）、勞倫斯利佛摩國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL），以及 LLNL 所屬的國家點火設施（National Ignition Facility, NIF）召開了一場記者會。

在記者會中，他們共同宣布在實驗中實現增益值（gain）大於一的結果，意即實現了第一次在可控的核融合（controlled nuclear fusion）反應中，輸出的能量大於輸入的能量，朝核融合產能邁進了一大步。然而，這項結果是否代表著核融合發電即將被實現？

產生能量的核融合反應

在核融合反應中，若兩個較輕的原子核可以融合成一個較重的原子核，且反應之後的總質量減少，那麼根據愛因斯坦（Albert Einstein）質能互換的關係（E ＝ mc²），減少的質量將會轉換成能量。

最容易產生的核融合反應是將氫（¹H）的兩個同位素氘（²H，或稱為 D）及氚（³H，或稱為 T）的原子核融合，產生一個 α 粒子（即氦原子核，⁴He）加一個中子（neutron, n），同時產生 17.6 百萬電子伏特（MeV）的能量：

D⁺ ＋ T⁺ → α²⁺＋ n ——公式一

在公式一的核融合反應中，兩個帶有正電的原子核必須互相靠近才能融合在一起。然而，兩個帶正電的粒子互相具有排斥力，而且愈靠近排斥力就愈大。因此，除非這兩個粒子互相靠近的速度快到排斥力無法阻止它們相撞，核融合才能發生。除此之外，還必須要考量到庫倫散射（Coulomb’s scattering）的現象——若兩個帶正電的原子核沒有正面對撞，則兩者會因為排斥力的原因轉向——更增加了兩者靠近的難度。

因此，只能把氘與氚氣體加熱到高溫，長時間侷限這些高溫的燃料，讓極少數高速的原子核有機會互相靠近並發生核融合反應、產生能量。但即便是最容易發生的氘加氚核融合反應，也需要將燃料加熱到 50 千電子伏特（keV，約為 5.8 億 ℃）才能有最高的反應速率。

有什麼方法可以將燃料加熱到所需要的溫度呢？看回公式一，氘與氚的核融合產物中具有能量為 14.1 MeV 的中子，及 3.5 MeV 的 α 粒子。我們可以讓高能的中子將能量攜出後再轉換為電能，但讓帶有較少能量的 α 粒子保留在系統中加熱燃料。因此普遍實現核融合產能的系統，目標都是將燃料加熱到溫度約 10 keV（約為 1 億 ℃），讓核融合產生的 α 粒子能繼續加熱燃料。

帶來重大進展的核融合研究

目前國際間研究的核融合反應主要可分為磁場控制核融合（magnetic confinement fusion）與慣性控制核融合（inertial confinement fusion），NIF 去年的實驗便是使用間接驅動（indirect-drive）的慣性控制核融合。

在這次的實驗中，當 2.05 百萬焦耳（megajoule, MJ）的雷射能量注入環空器（hohlraum）¹並加熱中間的球殼靶材後，經過核融合反應產生 3.15 MJ 的能量，意即靶材增益（target gain）約為 3.15 / 2.05 ＝ 1.5，是人類首次在可控的核融合反應中，輸出的能量大於輸入的能量。

然而，若將產生 2.05 MJ 的雷射能量考慮進去，需要耗掉的能量約為 300 MJ；換言之，這次實驗的真正能量增益（energy gain）約為 3.15 / 300 ≈ 0.01，並沒有真正的能量輸出。

不過，NIF 使用的是 90 年代的雷射技術，它的建造目的是為了國防研究所需，因此並不是最適合核融合的研究場域，在雷射技術上還有很大的進步空間。再者，回顧 NIF 從 2011 年開始進行的核融合實驗，歷經了超過十年終於第一次實現靶材產生的能量超過了雷射的能量，對 NIF 而言可說是向前邁進了一大步。

更重要的是，在去年的實驗中，靶材都進入了 α 粒子能夠繼續加熱燃料的燃燒電漿（burning plasma）範圍，是過去核融合研究從未達到的條件，只要稍微最佳化實驗條件便能讓輸出能量有顯著的提升。因此，這次的重大突破顯示了核融合的可行性並非天方夜譚。

臺灣的核融合相關研究發展

核融合研究本身是一個複雜的系統，在科學上及工程上都有許多的挑戰，許多名字上並沒有「核融合」的研究，其實也都間接與核融合相關。以這次的慣性控制核融合為例，相關的研究就包含了雷射技術、靶材製作技術、粒子量測技術、高速攝影技術等。

若以磁場控制核融合來說，也包含了高溫超導、微波技術、高壓脈衝技術、粒子加速器等科技。當然，最重要的就是電漿科學、電漿加熱、電漿量測技術等研究，因為任何材料在高溫的條件下，都會變成電漿態。 

在臺灣各個學校的物理系、核工系、電漿所分別都有 1～2 位老師在研究電漿相關的領域，尤其成功大學的太空與電漿科學研究所，更有針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究。然而，相較於國外蓬勃發展核融合的環境相比，臺灣投入核融合研究的人數仍然明顯不足。

期盼這次NIF的實驗成果，能夠吸引更多臺灣的學生及研究人員投入核融合的相關研究，更刺激政府、民間團體投入更多的資源在核融合研究上。

兩種不同的核融合方式

當物質被加熱到 1 億 ℃ 時，原子內部帶負電的電子便會脫離帶正電的原子核，形成帶負電的電子及帶正電的原子核混合在一起的狀態，稱為電漿（plasma）。我們可以利用帶電粒子的特性侷限高溫的電漿，目前廣泛被研究的核融合反應可分為磁場控制核融合與慣性控制核融合，它們的原理有哪些不同？

磁場控制核融合

其中一種方式便是藉由稱為「托卡馬克」（tokamak）的環形容器產生核融合。透過環磁場線圈及延著環形方向的電漿電流（plasma electric current），在環磁場線圈的內部形成一個扭曲但繞著環磁場線圈的螺旋磁力線（helical magnetic field），讓電漿不斷延著螺旋磁力線移動，被侷限在環磁場線圈形狀的真空腔中但不與真空腔的腔壁接觸。

最後，再將電漿加熱到 10 keV的溫度。此核融合的方式能透過磁場將低密度（接近真空）的電漿侷限在真空腔中上百秒或更久的時間，讓高溫的氘、氚原子核有機會互相靠近並發生核融合反應。

慣性控制核融合

慣性控制核融合是利用電漿本身的「慣性」來侷限電漿。由於粒子本身的質量不等於零，所以離開系統需要時間，只要燃料在離開系統前反應完畢，那是否被持續侷限就不重要了。

因此，慣性控制核融合必須將氘與氚的燃料加熱到近 10 keV，並壓縮到高壓力（約千兆大氣壓，gigabar）及高密度，讓粒子間碰撞的頻率在極高的密度下大幅度提升，增加核融合發生的頻率。因此僅需要將系統維持／侷限在奈秒（ns）內，同樣能將燃料燒完。

慣性控制核融合可分為直接（direct drive）或間接驅動，不過兩種驅動方式都是為了快速加熱球殼外層。當球殼中心的氘及氚溫度達到 10 keV 時，核融合反應便會從中心開始發生，產生的能量可以由內而外藉由核融合反應燃燒球殼。

球殼內部在前述的過程中因為壓縮產生高壓，外部的雷射也會停止使得外部的壓力減少，因此球殼又會被向外推。然而，因為球殼本身的慣性，被向外推較為耗時，因此只要向外燃燒球殼的速度大於球殼被向外推的速度，便能將整個球殼再被外推前燃燒殆盡，產生能量。

註解

• 〔註 1〕環空器是一種腔壁與腔內達到輻射熱平衡的空腔，在慣性控制核融合實驗中燃料球會被放入環空器，再於環空器兩端孔洞射入雷射提供能量。

• 〈本文選自《科學月刊》2023 年 4 月號〉
• 科學月刊／在一個資訊不值錢的時代中，試圖緊握那知識餘溫外，也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

比爾蓋茲（Bill Gates）創立的「突破能源風險投資基金」（BEV）所投資的其中一家，是瑞典新能源開發公司「倍速羅得（Baseload Capital）」，這家公司在 2019 年選了台灣花蓮的紅葉村，作為亞洲地熱開發地點之一，顯示台灣在地熱發電的潛力。

不過你知道嗎？其實早在 1981 年台灣地熱發電就曾經領先國際，當時在宜蘭清水設置的地熱發電廠，是全世界第 14 個進行地熱發電的國家，但後來到 1993 年就關廠不用了，到 2021 年才重新再次運轉，為什麼呢？ 這次我們來聊聊臺灣在地熱發電上已經做了哪些開發？又有哪些實際的困難和需要突破的地方。

發展地熱發電的成本和考量

地熱開發就像談戀愛，不能在 App 上聊得愉快就直接把身家都交給陌生的他，還是得面對面深入交往才知道這人到底存不存在，值不值得真心託付，能不能長長久久。地熱能開發本身，也是件高度不確定的事，以探勘地熱來說好了，即使有科學研究資料輔助，最終還是要認真挖探勘井到一定深度，才有辦法判斷到底能否作為發電之用，無法保證一定有成果。

再說，就算確定有好的熱源，若要開發臺灣地底深處的熱能，就必須挖掘深的地熱井，也就意味著要付出高昂的成本。一般而言，鑽井成本少說占了整個地熱發電計畫的 30% 到 50%，甚至是更高。根據美國康乃爾大學（Cornell University）的研究團隊於 2013 年發表的估計，地熱井深度和鑽井成本的關係，大致可以用這張圖來表示。隨著深度增加，鑽井費用亦大幅上升。

而且，每個計畫會開發的地熱井，絕對不只一口，以宜蘭的利澤地熱電廠來說，就預計會有 11 口 6 公里深的井，所需費用的龐大可想而知。

同時，鑽井會遇到許多不同的困難。看過電影世界末日都知道，如果岩盤堅硬又粗糙，那麼不但鑽井的進度會變得緩慢，鑽頭也會磨損得特別快。另外像是卡鑽、穩定鑽頭的泥漿流失等等，都是必須面對的挑戰。

另一方面，在開發地熱時，依地區而異，可能會遇到腐蝕性流體，如含氯離子或硫酸根的地下水，因此必須選用耐腐蝕的機具和管材，或是用化學方法中和；而當熱液從地底冒出到地表時，也可能伴隨硫化氫等有害氣體，要是聞到臭雞蛋的味道還可以跑，要是濃度高到讓人嗅覺疲乏可能小命就要難保。

此外，地下水中的雜質和礦物質，可能會隨時間經過附著在管壁上，導致發電效率下降，定時清理也是個麻煩的差事。

隨著科技的進步，雖然這些麻煩在原則上都能夠處理，卻也是無法免除的成本，在規劃時就必須仔細考量因應措施。

說了這麼多，到底用地熱發出來的電貴不貴呢？發電成本會因地區、時間和技術的提升而異，不同單位做出來的評估也會不同。若我們比較近年來幾個不同組織評估的全球均化發電成本（Levelized cost of electricity），也就是電廠生命週期總成本除以生命週期總產生能源，大致可以看到這樣的結果，不同顏色代表著不同單位的評估。

以全球總體來說，目前地熱發電每發出百萬瓦小時電力的成本，跟太陽能和陸域風電相比稍微偏高，但跟其他能源相比倒也不至於比較貴。必須留意的是，這只代表近年的能源價格狀況，也跟電力公司發布的發電費用是完全不同概念，而且隨著未來地熱往深處探勘、或技術的成熟，成本還有可能提高或降低。

臺灣的地熱發電發展

事實上，臺灣在地熱發電曾經領先國際，1981 年就在宜蘭清水設置了地熱發電廠，是全球第 14 個進行地熱發電的國家。

只不過，臺灣的地熱發電量從一開始的 828 萬度一路下滑，到 1995 年完全歸零，從 2017 年之後才又往上提升。這中間到底發生了什麼事呢？

一來，清水地熱電廠早期進行發電時，利用完的熱水並沒有回注地底，而是直接排掉，造成地下水耗損；二來，像我們前面說過的，地下水中的礦物質於地熱井管壁結垢；這兩大因素使得清水電廠的出水量銳減，僅過一年發電能力就大幅下降，最終導致 1993 年的關廠。

從此，臺灣的地熱發電沉寂好一段時日，直到 2013 年清水地熱電廠重新建置示範機組，進行運轉測試，2018 年開始發電，並於 2021 年底正式重新啟用，才宣告復活，目前也有擴大發電規模的計畫進行中。當然，這一次，在地下水回注跟結垢問題的處理上，都比之前更好。

除了清水地熱這個示範點，從 2018 年開始，也有台東知本溫泉業者利用既有溫泉資源進行發電，且併入台電電網，成為臺灣小規模地熱發電首例。

那麼，臺灣的地熱發電就此熱熱鬧鬧熱到家了嗎？倒也不是。我們可以從兩個面向，行政流程和開發誘因分別討論。

臺灣的地熱發電關卡：繁複的行政流程

長久以來，臺灣在地熱資源的開發一直缺乏適當的法規和配套流程。若要進行開發，必須依照《溫泉法》和《水利法》申請，但卻沒有任何一項是跟發電直接相關，法規細節也不符合地熱發電的特性。

此外，土地使用根據涉及的區域，仍須依《都市計畫法》、《區域計畫法》、《森林法》、《國家公園法》、《地質法》、《災害防救法》、《水土保持法》等規定辦理，不但要面對中央和地方政府許多不同單位，行政程序亦曠日廢時，相當不容易。

就像兩人交往之前，得先經過她爸、她媽、二舅、大嬸婆、還有指導教授跟前男友同意才行。以才剛重新啟用的清水地熱電廠來說，雖然施工只要一年多，跑行政流程卻花了四年。這樣冗長繁複的申設程序，無疑拖累了臺灣的地熱發電發展。

有鑑於此，最近的「再生能源發展條例」修正草案，簡化了地熱發電申請的行政程序，也新增相關規範，並於 2022 年 12 月初在行政院通過，後續將送往立法院審議，值得我們關注後續的發展。

臺灣的地熱發電關卡：開發誘因不足

地熱發電要付諸實行，除了技術和法規必須到位之外，還必須有經濟效益，才可能成真。

我們可分別從計畫的探勘期、開發期、和營運期三個階段來說明。

首先，地熱發電計畫在探勘期風險極大，很有可能挖了探勘井，卻沒有好的熱源，回不了本。

舉例來說，從 2017 年底開始，台電在綠島進行了兩口地熱試驗井的鑽探工程，最終卻發現溫度並不理想，而暫時將計畫擱置。

而在開發期，臺灣目前沒有保障地熱探勘者優先開發的權利，就算找到熱源，卻可能被其他業者搭便車，捷足先登開發，得不償失。相關法規後續要怎麼訂定，是值得討論的議題。

最後，營運期的收入，若無法彌補成本並獲利，就也不可能吸引廠商投入。為此，躉購費率，也就是再生能源保證收購制度的訂定就非常重要。

縱上所述，因為地熱計畫存在諸多風險，初期又需要龐大的經費，如果沒有政府支持，民間廠商非常不容易投入。

目前來說，臺灣政府設有「地熱能發電系統示範獎勵辦法」，針對探勘給予補助；既有的地熱探勘初步資料在「地熱發電單一服務窗口」網站也都可查詢，並由經濟部中央地質調查所邀請國內 12 個與地科、地質相關校系，籌組「地熱探勘學研合作平台」，投入前期的地質調查，讓廠商有開發的參考依據。同時，地熱發電做為再生能源的一環，每年也會重新修訂躉購費率。

至於這些措施合不合宜、是否真能發揮效用，增加廠商投資意願，就有待我們觀察。

隨著再生能源越來越受到重視，全球的地熱發電於這十幾年內增加了許多。

雖然在總容量上，與其他主流能源還有不小差距，但因為技術的進步，地熱發電逐漸能夠擺脫地域的限制，更廣泛地被運用。

而台灣位處環太平洋火山帶，深具地熱發展潛力。可惜的是，即使是臺灣最容易開發、深度較淺的地熱能源，其潛能亦尚未完全發揮。經濟部原本設定 2025 年地熱發電目標要達 200MW，卻因為行政流程繁瑣和開發誘因不足等各種原因，導致開發進度緩慢，只能下修目標。

現在，台灣地熱累積的併網裝置容量約 5MW，雖然還有二十多個地熱計畫正在進行中，也有民間公司積極投入，宣布最快要在 2030 年累積建置達 200MW。但上述問題一日不解決，臺灣的地熱就難以真正施展拳腳。

如果我們希望臺灣的地熱發電能夠更蓬勃發展，那麼，相關法規的訂定和行政流程的簡化是一定要做的，接著要完善獎勵措施和補助機制，並設定合理的電價制度。在整個過程中，一些地熱發展良好的鄰近島嶼國家，如日本、菲律賓、印尼、紐西蘭的相關政策，也值得我們借鏡。另一方面，在土地的使用上，如何和在地民眾溝通與協商，也是重要的工作。

可以說，不需要燃料，極低碳排放，但是前期建置成本佔比高，營運費用相對低廉，是地熱發電的特色。儘管潛力巨大且有著諸多好處，但技術上的挑戰，和地理條件的限制也擺在那邊。

參考資料

• Beckers, Koenraad F., et al. “Introducing GEOPHIRES v1. 0: Software package for estimating levelized cost of electricity and/or heat from enhanced geothermal systems.” Proceedings, Thirty-Eighth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford, California. Vol. 11. 2013.