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卡车拖着走的小型核电站,会是核工业的未来吗

2017-07-21 14:42:37    来源:南法在线     阅读()次    评论:0

原标题:可以用轮船甚至卡车拖着走的小型核电站,会是核工业的未来吗

长期以来,核电站象征着庞大。规模宏大、结构复杂的核工程耗资不菲,且有着漫长的建造周期。一旦工期延误,就意味着超支风险。核工程师们正在通过缩小核反应堆的体积来解决这些问题。未来的小型核反应堆也许只有传统反应堆的1/3大小,可以先在工厂内完工,再由卡车或船舶运抵现场组装。

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与传统大型核电站相比,这种采用模块化设计、设备系统模块化工厂预制和现场模块化组装建设的小型模块化核反应堆(SMRs,Small Modular Reactors),意味着更低的造价、更易于建造安装、建造周期更短、也更安全灵活。

美国是最早提出小型堆概念的国家之一,小堆也一直是美国先进核能研发的重点之一。近年来经历了大型核电项目建设拖期和严重超支后,美国政府对包括小堆在内的新型的、低成本的核技术青睐有加。在特朗普所倡导的美国核能复兴计划中,小堆也将扮演重要角色。

可用船舶、卡车或火车运输的小型模块堆

传统的核电站反应堆功率通常大于1000 MW(1MW=1000KW,1KW=1000W),但小型堆的功率仅为300 MW甚至更低。对于电力需求较小、电网基础设施薄弱的国家和地区,亦或是边远地区的供电供热、海水淡化、海上采油等,小型堆都被视为极佳的选择。

前总统奥巴马任上,美国政府对于小堆研发浪潮一直予以“高调”扶持。在将小堆落地的竞赛中,由美国政府资助的美国纽斯凯尔电力公司(NuScale Power,下称NuScale)走在了前列。

NuScale是一家致力于推广小型模块化反应堆并使之商业化的公司,总部位于俄勒冈州波特兰。2014年,美国能源部与NuScale签署了协议,为期5年向其提供2.17亿美元,以资助SMRs的设计研究。2016年12月31日,NuScale向美国核管会(NRC)提交了SMRs设计认证申请,这也是历史首个向NRC递交的SMRs设计认证申请。NRC预定的审查期限为40个月。一旦签发,设计资质的有效期为15年,配合建造许可申请(COLA)就可以建设和运营电厂。

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NuScale小型模块化反应堆基于成熟的压水堆技术,模块化特色十分鲜明。由于采用了反应堆结构一体化的设计理念,NuScale将核蒸汽供应系统的主要设备——堆芯、控制棒驱动机构、稳压器及蒸汽发生器等集成到一个模块内,从而实现了小型反应堆的模块化制造、运输、安装及换料。

官网资料显示,每个NuScale模块的热功率为160 MWt、电功率为50MWe,成本低于5100美元/KW。模块可以独立运行,也可以与其他模块一起组成多模块配置,一座NuScale电站最多可容纳12个模块。由于每个NuScale模块都具备自身的安全壳与反应堆系统及特定的汽轮发电机组,在一个装备了多模块的核电厂,单个机组的换料工作可以在不影响其他机组正常发电的状况下进行。

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每个NuScale模块(圆柱密封模块中包含反应堆和蒸汽发生器)约76英尺高(约合23米)、15英尺宽(约合4.6米),这一设计使其能够方便地以船舶、卡车或火车装运。虽然是传统轻水反应堆的精简版,但这种SMRs具有全新的、优良的安全特性。由于反应堆和安全壳都被置于位于地下的水池中,水作为冷却介质,反应堆在自然循环下运行。它还有一套非能动安全系统,即使在持续性失电情况下(比如福岛核事故中因海啸引发的失电),也能够自动关闭反应堆或是在没有人为干预的情况下冷却反应堆。

NuScale公司研发的小堆除了可以使用传统的轻水堆燃料外,还可以使用MOX燃料。

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NuScale计划的第一个SMRs核电厂厂址选在爱达荷国家实验室(INL),业主为犹他州联合市电力系统(UAMPS),西北能源(Energy Northwest)负责运营。如果一切进展顺利,它将在2026年开始发电。尽管这距离现在还有近十年,但一旦美国核管会批准了其SMRs设计方案,NuScale就可以建立起供应链和第三方制造流程,获取客户和推广反应堆也会变得快速和容易很多。当然,核电站选址仍需要通过额外的监管许可。

除美国外,NuScale还计划到2020年代中期,在英国运行第一座50MW的小型堆电厂。该公司曾作出保守估计,到2035年,全球将有约55-75GW(1GW=1000MW)的小型堆电力需求——相当于1000座 NuScale发电模块。

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反应堆更小,就更经济吗?

NuScale每个模块的施工周期为约为3年,这使得资金筹措更加容易,投资也可更快得到回报。该公司估计,一个电厂即使顶格配置12个模块,也只需花费30亿美元左右。相比之下,西屋公司位于佐治亚州沃格特勒厂址(Vogtle)的两台AP1000机组,最初预计耗资140亿美元,之后增加到超过200亿美元。

根据国际原子能机构(IAEA)的统计,全球范围内大约有50种SMRs正处于概念设计、设计认证、申请许可等开发阶段,其中已经在建的有:阿根廷的CAREM一体化PWR、中国的HTR-PM高温球床气冷堆和俄罗斯的KLT40s浮动核电站。

如果早期项目能获成功,大规模建设小型核电站的现实可能性将大大增加,进而降低核能行业的前期成本和风险。但另一方面,这些小型核电站在被现实证明可行之前,我们无法获知它们真正的经济效益。尤其是,相较于低成本的天然气而言,小堆的经济性如何?初期投资的大大降低并不一定意味着其电力成本低廉。

Third Way智库清洁能源项目的副主任瑞恩·菲茨帕特里克(Ryan Fitzpatrick)对《麻省理工科技评论》称,如果只是建造一个更小的核电站,每兆瓦时电力的成本不一定会下降,公司必须通过其他流程来节省成本。这些努力可以是更短的施工时间和以新设计降低管理费用等等。麻省理工学院(MIT)核科学与工程系教授尼尔·托德雷亚斯(Neil Todreas)表示,降低成本的关键在于,建立工厂来大批量生产此类反应堆。

然而,这将面临“先有鸡还是先有蛋”的难题:建设这些工厂需要大量订单以获得融资,但在公司能可靠地生产成本低廉的反应堆之前,它很难获得这些订单。

《麻省理工科技评论》同时提出,由于特朗普政府的预算提案中大幅削减美国能源部的核电项目,所以该公司能否拿到余下的 4700 万美元还是个未知数。事实上,一些共和党议员今年5月曾在一份信中力促特朗普支持SMRs的发展,他们强调了迫在眉睫的来自中国和俄罗斯的竞争压力。

此外,也有一些人担心,核反应堆变小而数量变多之后,可能诱发新型核扩散风险。

忧思科学家联盟(the Union of Concerned Scientists)针对现实中核电站的安全和安保提出了一些质疑,他们指出,一个分布广泛的、规模小但数量多的反应堆网络可能会让防核材料扩散变得更困难,除了其他危险外,它们可能会被用来制造脏弹。

最终,小型模块化反应堆是否能成为理想的或是最经济的核能发电形式还不得而知。“但在一个已经几乎不可能新建任何核电站的国家,它是能让整个行业再次前进的技术。”托德雷亚斯说道,“我无法确定未来几十年里小型模块堆是否会在美国大规模建造,或是完全取代大型发电站。但在短期内,它们对于美国核能行业的健康发展非常重要。”

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