小型反应堆取得大进展

IEEE电气电子工程师学会 2023-05-17 16:04

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100兆瓦核电站这次能否获得新生？

在中国南部的海南岛，在一个由混凝土和金属制造的紧凑迷宫中，正塑造着核能的未来。2022年7月，一台起重机将反应堆厂房钢制安全壳上部筒体吊装成功；与此同时，工人们正缓慢而稳定地组装一个微型核反应堆。

这就是“玲珑一号”，与如今主导核能领域的千兆瓦规模大型项目相比，其小巧的尺寸是一项巨大的转变。如果坚持不懈的核乐观主义者是对的，那么“玲珑一号”可能会成为清洁能源时代未来裂变技术的典范。

不过，小型反应堆还不能完全拯救世界；目前在国家层面，仍有许多监管和后勤保障问题有待解决。但专家们表示，21世纪20年代可能会为未来几十年的核繁荣奠定基础。

“这确实是一个激动人心的核工业时代。”美国核创新联盟智库的核工程师小维克托•伊巴拉（Victor Ibarra Jr.）说。

2026年投产时，“玲珑一号”的功率将达到125兆瓦，与约40台陆上风力涡轮机相当。与大型反应堆（比如1000兆瓦的发电站）相比，125兆瓦似乎微不足道。那么，为什么雄心勃勃的核反应堆设计师要发展小型核反应堆呢？部分原因是，大型反应堆造价高昂，而且有延期倾向。

美国佐治亚州沃格特勒发电厂的两个1117兆瓦反应堆是美国唯二在建的反应堆，投产时间将比计划至少晚6年。法国弗拉芒维尔在建的1650兆瓦反应堆已经延迟了十多年。更令人沮丧的是，2009至2019年间，核能电力的单位成本增加了26%，太阳能和风能电力的价格却暴跌。

尽管如此，人们还是有一个坚定的共识，那就是，核电不仅是清洁能源转型的理想，而且是必要的。有些核倡导者认为，将许多核“鸡蛋”放在一个大型项目的“篮子”里是不明智的。相反，他们认为，更好地实现清洁能源转型的方法是建造一大群更小型、更模块化的反应堆，即小型模块化反应堆（SMR），比如“玲珑一号”。

小型模块化反应堆比当今的一般反应堆规模更小，但它们造价低、风险小，更灵活。打个比方，建造小型模块化反应堆是造飞机，而不是建机场。如果核反应堆是飞机，那么如今的小型模块化反应堆就是20世纪10年代的双翼飞机，还处于初始阶段。

一旦制造规模扩大（如有可能），小型模块化反应堆的制造者希望能够在一个工厂里制造其组件，将其运出，然后像平板分体家具那样在现场组装。

“玲珑一号”是目前唯一在建的同类项目。据报道，如果取得成功，“玲珑一号”将用于为一些建设项目和海水淡化厂供电，实现“百花齐放”。除了俄罗斯在一艘北极船上的两个改进后的海军反应堆外，全球其他小型模块化反应堆都还只是假设。

但小型模块化反应堆计划并不少。至少有7家不同的开发商计划于2030年之前在美国部署小型模块化反应堆。这些小型模块化反应堆的大多数都是示范反应堆，它们没有接入大型电网，却是通往大型电网的关键跳板。

在中国以外，当今最大的小型模块化反应堆品牌是美国创业公司纽斯凯尔，该公司总部位于俄勒冈州泰格德。该公司开发了一个77兆瓦小型模块化反应堆，并设想将4个、6个甚至12个反应堆组装在一起，形成更大的发电厂。纽斯凯尔计划于2030年在美国爱达荷州建造一座电厂；此外，该公司还涉足英国、波兰和罗马尼亚。（值得一提的是，本刊2010年的一篇有关未来核能的报道曾经预测：“纽斯凯尔正在与几家未披露名字的公用事业公司谈判，预计第一座电站将于2018年投产。”）

2022年12月，罗尔斯•罗伊斯公司在英国为一家最终有望能生产470兆瓦反应堆部件的工厂备选了3个厂址。此外，该公司还希望于2029年前将第一个反应堆接入电网。

欧洲几个国家也对小型模块化反应堆表示出了兴趣，特别是与美国公司合作有兴趣。捷克国有能源公司在该国南波西米亚地区为小型模块化反应堆项目预留了土地；即使是传统核电大国法国，也计划在2030年前投资10亿欧元发展小型模块化反应堆产业。

“我认为，在未来15到20年里，小型模块化反应堆将真正有机会实现商业化并广泛部署。”米兰理工大学的核项目专家乔治•罗切里（Giorgio Locatelli）说。

但是，饱受诟病的监管部门长期采用警告限制措施，为小型模块化反应堆的发展带来了阻力。

有些监管机构担忧来自尚无答案的问题。小型模块化反应堆与大型反应堆一样，也会产生核废料。斯坦福大学和不列颠哥伦比亚大学最近的一项研究表明，小型模块化反应堆产生的核废料甚至比传统核电站更多。核当局将如何处理这些核废料？没有人知道，部分原因是，每个反应堆的设计都不同，也没有人能确定10年或20年后各个小型模块化反应堆会是什么样子。此外，一些分析人士担心，不良行为者可能会选择某些小型模块化反应堆设计来制造武器级钚。

不过，现在还不要熄灭小型模块化反应堆的希望，至少有几家监管机构已经开始倾向于小型模块化反应堆了。

核创新联盟的核监管专家帕特里克•怀特（Patrick White）表示，美国核管理委员会一直是参与小型模块化反应堆开发的监管机构之一。2019年，时任美国总统特朗普签署了《核能创新和现代化法案》，要求美国核管理委员会专门为未来反应堆的设计制定新的流程。预计2027年，这一被称为“第53部分”的法案将成为小型模块化反应堆开发者的一个选项，不过怀特表示，该选择可能最早于2025年公布。不过，尚不确定第53部分会是怎么样的。

英国政府大力支持小型模块化反应堆，并于2021年向小型模块化反应堆开发者公布了修改后的监管审批流程；罗尔斯•罗伊斯是第一个遵循该流程的企业，其他6家公司也提出了申请。2022年6月，法国、芬兰和捷克的监管机构宣布，正在共同审查Nuward，这是一个由法国政府提供部分支持的小型模块化反应堆设计项目；他们表示，该项目是未来小型模块化反应堆许可的预演。

那么，小型模块化反应堆运营者可以向哪里寻求燃料？

如今的大多数大型核反应堆使用的燃料都含有3%到5%的铀-235，这是一种天然可用的铀同位素，它可以维持核链式反应。虽然小型模块化反应堆的设计各有不同，但许多小型模块化反应堆需要的燃料是5%到20%的铀-235。后一种燃料被称为高含量低浓缩铀（HALEU）。目前商业化销售高含量低浓缩铀的公司只有一家：Techsnabexport（TENEX），是俄罗斯国家原子能公司的子公司。

截至2023年1月，俄罗斯国家原子能公司避开了俄乌冲突导致的西方国家制裁。但对于许多潜在客户来说，TENEX的供应还是难以为继。例如，TerraPower希望于2028年在怀俄明州一个废弃的燃煤电厂启动小型模块化反应堆示范项目，但由于燃料问题，该项目推迟了两年。

“除了俄罗斯的盟友之外，这不仅仅是一个障碍，现在已经成为了一个壁垒。”美国突破研究所的核能分析师亚当•斯坦（Adam Stein）说。

美国已经开始突破这一壁垒。《2022年通货膨胀削减法案》投资了7亿美元用于研究和开发在该国生产和运输高含量低浓缩铀的方法。核创新联盟的伊巴拉欢迎该投资，但他表示，这是一个“中短期解决方案”，这可能还不够。一项估计表明，补充的高含量低浓缩铀要到2028年才能到位。

对于许多小型模块化反应堆利益相关方，高含量低浓缩铀可能是在未来几年的关键目标：建立一个对俄罗斯依赖程度低、受世界地缘政治影响小的高含量低浓缩铀全球供应链。是让美国带头，还是自己采取行动，欧洲尤其是英国的应对尚有待观察。

作者：Rahul Rao

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