小型核反應(yīng)堆是核電領(lǐng)域的下一個(gè)大事件嗎?

　　導(dǎo)讀 2019年，世界上第一座浮動(dòng)核電站，即“羅蒙諾索夫院士”(Akademik Lomonosov)號(hào)浮動(dòng)核電站，開(kāi)始了從俄羅斯摩爾曼斯克到東西伯利亞海佩韋克港口的4700km的旅程，它將在該港口為楚科奇自治區(qū)提供電力，是世界最北部的核設(shè)施。“羅蒙諾索夫院士”號(hào)浮動(dòng)核電站也是人們首次投入使用的屬于小型模塊化核反應(yīng)堆(SMR)的一種新型反應(yīng)堆。盡管發(fā)電量少于大型核反應(yīng)堆的發(fā)電量，但它們能夠克服全尺寸核反應(yīng)堆所面臨的一些問(wèn)題，如建造成本更低，使用將更靈活、更安全，可為核工業(yè)提供急需的動(dòng)力等。

　　2019年9月9日，西伯利亞?wèn)|北部佩韋克地區(qū)的居民看到了他們的新核電站駛?cè)敫劭凇?ldquo;羅蒙諾索夫院士”(Akademik Lomonosov)號(hào)浮動(dòng)核電站(圖1)長(zhǎng)144 m，配備有兩個(gè)核反應(yīng)堆，它將為佩韋克及其周邊地區(qū)的家庭和工廠提供高達(dá)70 MW的電力和50 Gcal·h−1(注：1 cal = 4.19002 J)的蒸汽熱。

　　圖1 2019年8月23日，第一座浮動(dòng)核電站開(kāi)始了它從俄羅斯摩爾曼斯克到東西伯利亞海佩韋克港口的4700 km的旅程，它將在該港口為楚科奇自治區(qū)提供電力。該浮動(dòng)核電站能夠?yàn)橐粋€(gè)擁有100 000居民的城市提供能源，它將成為世界最北部的核設(shè)施。Akademik Lomonosov號(hào)由圣彼得堡的波羅的海造船廠(Baltic Shipyard)建造，該造船廠歸俄羅斯Rosatom公司所有。圖片來(lái)源：Elena Dider，Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0)

　　Akademik Lomonosov號(hào)不僅是世界上第一個(gè)浮動(dòng)核電站，也是人們首次投入使用的屬于小型模塊化核反應(yīng)堆(SMR)的一種新型反應(yīng)堆。盡管它們的發(fā)電量少于大型核反應(yīng)堆的發(fā)電量，但它們能夠克服全尺寸核反應(yīng)堆所面臨的一些問(wèn)題。SMR的支持者指出，SMR的建造成本將更低，其使用將更靈活、更安全，并且它們可以為核工業(yè)提供急需的動(dòng)力。

　　其他國(guó)家也在盡力建造SMR。位于美國(guó)愛(ài)達(dá)荷州愛(ài)達(dá)荷福爾斯市的愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(INL)最早可能在2023年將開(kāi)始建造一座核電站，該核電站最終可容納12個(gè)核反應(yīng)堆。中國(guó)也將開(kāi)始建造自己的艦載SMR，目前，中國(guó)正在開(kāi)發(fā)陸上核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)，其中包括一些用于供暖的核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)。

　　麻省理工學(xué)院的核科學(xué)與工程學(xué)教授Jacopo Buongiorno說(shuō)：“SMR可能會(huì)改變核工業(yè)。”但是，正如他和其他核專家所提醒的那樣，這些微型核反應(yīng)堆的自身潛力能否得到發(fā)揮還有待進(jìn)一步證明。目前的大型核反應(yīng)堆通常產(chǎn)生約1000 MW的能量。相比之下，SMR通常產(chǎn)生300 MW或更少的能量。其實(shí)，小型核反應(yīng)堆已經(jīng)存在了數(shù)十年，在20世紀(jì)50年代和60年代美國(guó)就已經(jīng)建造了幾座小型核反應(yīng)堆。但是，SMR的支持者認(rèn)為，他們現(xiàn)在可以利用新技術(shù)和采用新的建造方法來(lái)極大地降低成本和提高安全性。

　　在美國(guó)以及其他一些國(guó)家，建造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)模的核反應(yīng)堆的成本在不斷上漲，這是促進(jìn)SMR發(fā)展的主要?jiǎng)恿Αuongiorno指出，現(xiàn)在建成一個(gè)大型核電站需要大約10年的時(shí)間，并且平均花費(fèi)約為100億美元。他說(shuō)：“這種資金方面的理由極大地推進(jìn)了小型核反應(yīng)堆的發(fā)展。”

　　建造SMR可能更便宜的一個(gè)原因是，與通常為某個(gè)特定地點(diǎn)量身定制的大型核反應(yīng)堆不同，SMR使用的是標(biāo)準(zhǔn)組件，這些組件是由工廠制造，然后再運(yùn)送到核電站進(jìn)行組裝。SMR的支持者說(shuō)，這種預(yù)制方法可以節(jié)省大量資金。例如，美國(guó)俄勒岡州的NuScale Energy公司計(jì)劃在位于愛(ài)達(dá)荷州的INL建造12個(gè)SMR，每個(gè)小型核反應(yīng)堆將產(chǎn)生60 MW的電力。這些核反應(yīng)堆合在一起將具有與大型核電站相同的發(fā)電能力，而該公司估計(jì)這一項(xiàng)目的總成本僅為30億美元。

　　顧名思義，SMR是模塊化的，這是它們的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它們就像串聯(lián)電池一樣可以被連接起來(lái)以增壓輸出，從而提高發(fā)電量和電力需求之間匹配的靈活性。隨著電力需求的不斷增長(zhǎng)，公用事業(yè)或國(guó)家可以逐漸多建一些價(jià)格合理的小型核反應(yīng)堆，而不必建造在初期需要大量資金支出的大型核電站。Buongiorno說(shuō)：“你可以通過(guò)增加小型核反應(yīng)堆的數(shù)量來(lái)擴(kuò)建自己的能力。”

　　新一代小型核反應(yīng)堆也可能更安全。Buongiorno說(shuō)，它們總體上產(chǎn)生的輻射較少，而且它們的尺寸允許人們能夠使用不同的策略來(lái)控制輻射并冷卻核反應(yīng)堆堆芯。傳統(tǒng)的核反應(yīng)堆位于安全殼內(nèi)，安全殼有助于防止輻射釋放。對(duì)于最先進(jìn)的AP1000型號(hào)，如位于美國(guó)佐治亞州沃格特勒的兩個(gè)正在建設(shè)的核電站，其鋼筋混凝土蓋板高82 m、寬44 m。相比之下，NuScale公司的每個(gè)核反應(yīng)堆正好可以被裝入高25 m、寬4.6 m的魚(yú)雷形鋼制外殼中(圖2)。由于該魚(yú)雷形鋼制外殼比標(biāo)準(zhǔn)的安全殼小得多，所以它的承壓能力將比標(biāo)準(zhǔn)安全殼的大15倍以上。

　　圖2 NuScale公司的SMR依靠被動(dòng)水循環(huán)來(lái)冷卻堆芯。隨著堆芯中的水越來(lái)越熱，核反應(yīng)堆的密度變得越來(lái)越小，并且開(kāi)始從堆芯中升起來(lái)。這些水將核反應(yīng)堆的部分熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器中的水，然后堆芯開(kāi)始冷卻，同時(shí)它的密度變得越來(lái)越大，最終沉到堆芯底部并開(kāi)始循環(huán)。圖片來(lái)源：NuScale，Wikimedia Commons(CC BY-SA 3.0)

　　對(duì)于堆芯冷卻，SMR通常依靠的是被動(dòng)機(jī)制，而不是三哩島(Three Mile Island)事故和福島(Fukushima)事故中失效且導(dǎo)致核燃料過(guò)熱和熔化的主動(dòng)系統(tǒng)。海嘯摧毀了福島核電站冷卻泵的備用發(fā)電機(jī)。一系列錯(cuò)誤導(dǎo)致三哩島核電站的操作人員關(guān)閉了冷卻泵。NuScale公司的核反應(yīng)堆沒(méi)有利用冷卻泵使水通過(guò)堆芯進(jìn)行循環(huán)。相反，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種所謂的自然循環(huán)。在這種循環(huán)中，水的密度在加熱和冷卻過(guò)程中不斷地變化，從而使水在堆芯中不斷循環(huán)。NuScale公司的核反應(yīng)堆位于水池中，水池有利于控制核反應(yīng)堆的溫度。

　　除了NuScale這樣的小型公司，Westinghouse、General Electric和Rolls Royce等這種大型公司也正在開(kāi)發(fā)SMR設(shè)計(jì)。在美國(guó)，在INL的NuScale公司的核反應(yīng)堆是最早投入建造的核反應(yīng)堆。對(duì)于美國(guó)核管理委員會(huì)(NRC)要求的五個(gè)設(shè)計(jì)審查階段，該公司的計(jì)劃現(xiàn)在已經(jīng)通過(guò)了其中的三個(gè)。NuScale公司還與一家公用事業(yè)財(cái)團(tuán)簽訂了購(gòu)買(mǎi)核反應(yīng)堆電力的合同，并預(yù)測(cè)其第一臺(tái)核反應(yīng)堆將于2026年被投入使用。其他SMR可能也會(huì)很快上線。中國(guó)的陸上SMR示范堆可能會(huì)在2025年之前被建成并投入使用，而且中國(guó)的艦載SMR計(jì)劃于同年投入使用。

　　人們對(duì)SMR有很高的期望，一些對(duì)SMR持懷疑態(tài)度的人則質(zhì)疑核反應(yīng)堆是否能達(dá)標(biāo)。他們舉例稱，美國(guó)在20世紀(jì)50年代和60年代公開(kāi)的小型核反應(yīng)堆存在著嚴(yán)重的安全問(wèn)題，而且反應(yīng)堆產(chǎn)生的電力價(jià)格也非常昂貴。其他批評(píng)者質(zhì)疑，即使SMR發(fā)展已較為成熟，但是相較于便宜的天然氣發(fā)電及價(jià)格越來(lái)越合理的可再生能源，其是否還能保持競(jìng)爭(zhēng)力呢?

　　“它們是否經(jīng)濟(jì)實(shí)惠?沒(méi)有人能知道。”喬治華盛頓大學(xué)公共政策和國(guó)際事務(wù)教授及NRC前主席Allison Macfarlane說(shuō)道，“只有你開(kāi)始建造它們，你才能知道答案。”

　　她說(shuō)，SMR不能以一己之力振興日漸衰頹的美國(guó)核工業(yè)。美國(guó)核工業(yè)發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題是由許多因素導(dǎo)致的，其中包括天然氣的競(jìng)爭(zhēng)和20世紀(jì)90年代電力市場(chǎng)的放松管制。她還說(shuō)，“我不清楚SMR是否會(huì)解決所有這些問(wèn)題。”

　　但是Buongiorno仍指出，對(duì)于像美國(guó)這種傳統(tǒng)核電站造價(jià)昂貴的國(guó)家，建造小型核反應(yīng)堆要比在俄羅斯和中國(guó)這樣的國(guó)家建造更有用，因?yàn)槎砹_斯和中國(guó)的核電站建設(shè)仍在蓬勃發(fā)展中。他說(shuō)，在INL的NuScale公司的核反應(yīng)堆性能的好壞在一定程度上將對(duì)美國(guó)能否建造更多的SMR產(chǎn)生重大影響。他說(shuō)：“它們必須達(dá)到人們所期許的效果。如果這些早期的SMR項(xiàng)目也有近期成本超支和延誤的情況，那么美國(guó)對(duì)SMR的建造也會(huì)停滯。”