小型核反應堆是核電領域的下一個大事件嗎?

　　導讀 2019年，世界上第一座浮動核電站，即“羅蒙諾索夫院士”(Akademik Lomonosov)號浮動核電站，開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提供電力，是世界最北部的核設施。“羅蒙諾索夫院士”號浮動核電站也是人們首次投入使用的屬于小型模塊化核反應堆(SMR)的一種新型反應堆。盡管發電量少于大型核反應堆的發電量，但它們能夠克服全尺寸核反應堆所面臨的一些問題，如建造成本更低，使用將更靈活、更安全，可為核工業提供急需的動力等。

　　2019年9月9日，西伯利亞東北部佩韋克地區的居民看到了他們的新核電站駛入港口。“羅蒙諾索夫院士”(Akademik Lomonosov)號浮動核電站(圖1)長144 m，配備有兩個核反應堆，它將為佩韋克及其周邊地區的家庭和工廠提供高達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，第一座浮動核電站開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提供電力。該浮動核電站能夠為一個擁有100 000居民的城市提供能源，它將成為世界最北部的核設施。Akademik Lomonosov號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。圖片來源：Elena Dider，Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0)

　　Akademik Lomonosov號不僅是世界上第一個浮動核電站，也是人們首次投入使用的屬于小型模塊化核反應堆(SMR)的一種新型反應堆。盡管它們的發電量少于大型核反應堆的發電量，但它們能夠克服全尺寸核反應堆所面臨的一些問題。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提供急需的動力。

　　其他國家也在盡力建造SMR。位于美國愛達荷州愛達荷福爾斯市的愛達荷國家實驗室(INL)最早可能在2023年將開始建造一座核電站，該核電站最終可容納12個核反應堆。中國也將開始建造自己的艦載SMR，目前，中國正在開發陸上核反應堆的設計，其中包括一些用于供暖的核反應堆的設計。

　　麻省理工學院的核科學與工程學教授Jacopo Buongiorno說：“SMR可能會改變核工業。”但是，正如他和其他核專家所提醒的那樣，這些微型核反應堆的自身潛力能否得到發揮還有待進一步證明。目前的大型核反應堆通常產生約1000 MW的能量。相比之下，SMR通常產生300 MW或更少的能量。其實，小型核反應堆已經存在了數十年，在20世紀50年代和60年代美國就已經建造了幾座小型核反應堆。但是，SMR的支持者認為，他們現在可以利用新技術和采用新的建造方法來極大地降低成本和提高安全性。

　　在美國以及其他一些國家，建造標準規模的核反應堆的成本在不斷上漲，這是促進SMR發展的主要動力。Buongiorno指出，現在建成一個大型核電站需要大約10年的時間，并且平均花費約為100億美元。他說：“這種資金方面的理由極大地推進了小型核反應堆的發展。”

　　建造SMR可能更便宜的一個原因是，與通常為某個特定地點量身定制的大型核反應堆不同，SMR使用的是標準組件，這些組件是由工廠制造，然后再運送到核電站進行組裝。SMR的支持者說，這種預制方法可以節省大量資金。例如，美國俄勒岡州的NuScale Energy公司計劃在位于愛達荷州的INL建造12個SMR，每個小型核反應堆將產生60 MW的電力。這些核反應堆合在一起將具有與大型核電站相同的發電能力，而該公司估計這一項目的總成本僅為30億美元。

　　顧名思義，SMR是模塊化的，這是它們的另一個優點。它們就像串聯電池一樣可以被連接起來以增壓輸出，從而提高發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，公用事業或國家可以逐漸多建一些價格合理的小型核反應堆，而不必建造在初期需要大量資金支出的大型核電站。Buongiorno說：“你可以通過增加小型核反應堆的數量來擴建自己的能力。”

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

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

　　對于堆芯冷卻，SMR通常依靠的是被動機制，而不是三哩島(Three Mile Island)事故和福島(Fukushima)事故中失效且導致核燃料過熱和熔化的主動系統。海嘯摧毀了福島核電站冷卻泵的備用發電機。一系列錯誤導致三哩島核電站的操作人員關閉了冷卻泵。NuScale公司的核反應堆沒有利用冷卻泵使水通過堆芯進行循環。相反，他們設計了一種所謂的自然循環。在這種循環中，水的密度在加熱和冷卻過程中不斷地變化，從而使水在堆芯中不斷循環。NuScale公司的核反應堆位于水池中，水池有利于控制核反應堆的溫度。

　　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發SMR設計。在美國，在INL的NuScale公司的核反應堆是最早投入建造的核反應堆。對于美國核管理委員會(NRC)要求的五個設計審查階段，該公司的計劃現在已經通過了其中的三個。NuScale公司還與一家公用事業財團簽訂了購買核反應堆電力的合同，并預測其第一臺核反應堆將于2026年被投入使用。其他SMR可能也會很快上線。中國的陸上SMR示范堆可能會在2025年之前被建成并投入使用，而且中國的艦載SMR計劃于同年投入使用。

　　人們對SMR有很高的期望，一些對SMR持懷疑態度的人則質疑核反應堆是否能達標。他們舉例稱，美國在20世紀50年代和60年代公開的小型核反應堆存在著嚴重的安全問題，而且反應堆產生的電力價格也非常昂貴。其他批評者質疑，即使SMR發展已較為成熟，但是相較于便宜的天然氣發電及價格越來越合理的可再生能源，其是否還能保持競爭力呢?

　　“它們是否經濟實惠?沒有人能知道。”喬治華盛頓大學公共政策和國際事務教授及NRC前主席Allison Macfarlane說道，“只有你開始建造它們，你才能知道答案。”

　　她說，SMR不能以一己之力振興日漸衰頹的美國核工業。美國核工業發展過程中出現的問題是由許多因素導致的，其中包括天然氣的競爭和20世紀90年代電力市場的放松管制。她還說，“我不清楚SMR是否會解決所有這些問題。”

　　但是Buongiorno仍指出，對于像美國這種傳統核電站造價昂貴的國家，建造小型核反應堆要比在俄羅斯和中國這樣的國家建造更有用，因為俄羅斯和中國的核電站建設仍在蓬勃發展中。他說，在INL的NuScale公司的核反應堆性能的好壞在一定程度上將對美國能否建造更多的SMR產生重大影響。他說：“它們必須達到人們所期許的效果。如果這些早期的SMR項目也有近期成本超支和延誤的情況，那么美國對SMR的建造也會停滯。”