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NO.2503-小型核电站

文字:HEATNUC

校稿:朝乾 / 编辑:蛾

能源,作为经济运转的基础,一直是决定人类社会形态的底层要素。人类大规模利用化石能源也不过是几百年的时间,而且随着对资源消耗和环境问题的重视,化石能源的比例逐渐让位于风、光等可再生能源。

但还有一种能源,在上世纪异军突起,是诸多工业国对未来能源的终极想象,它就是核能,在安全的前提下,其高效、清洁是有目共睹的,集众多优点于一身。

核电站一景(图:shutterstock)▼

然而,过去几十年里,一些严重的核电站事故(如切尔诺贝利、福岛)极大加剧了民众对核能安全的担忧。对应的解决办法有很多,其中一种少有人知的就是——核电站小型化

如果我们建造更小规模的核电站,是否就能大幅降低风险?本文将从多个角度讲一下,究竟什么是核电站小型化。

多用途模块式小型反应堆模型

(图:壹图网)▼

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发电原理

无论是哪种核电站,都跳不出其发电原理,也就是利用核能释放的热量产生蒸汽,驱动蒸汽轮机发电。核能则分为原子核的裂变和聚变。

核裂变是指一个重原子核在吸收中子后,分裂成两个或更多个较轻的原子核,同时释放出大量的能量。这种能量主要以动能、γ射线和快中子的形式表现。核裂变最常见的燃料是铀-235和钚-239。

如图所示(底图:IAEA)▼

在核电站中,裂变反应通过控制棒和温度调节来控制。当一次裂变反应产生的中子数量足以维持连锁反应时,裂变反应就可以持续进行。核反应堆不断释放的热量被用来加热水产生蒸汽,然后蒸汽驱动蒸汽轮机发电。

整个流程,大致如下(仅示意)▼

核聚变则是两个或多个轻原子核合并成一个重原子核,释放出大量的能量。聚变反应的能量类似于太阳和恒星,其最常见的燃料是氘和氚。

但是聚变反应需要极高的温度和压力才能发生,虽然其释放的能量远大于核裂变,但要在地球上实现这一环境并稳定控制,难度非常高

核聚变产生的能量非常大(仅示意)▼

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当然,这也是世界各国都在追逐的目前可见的终极能源目标,大体上还处于“有生之年”的状态。

什么是小型反应堆

小型模块化反应堆(以下简称SMR,Small Modular Reactor)核电站是指一种设计紧凑、模块化并且电功率在300兆瓦以下的核电站。作为对比,中国华龙一号核电站装机容量约1200兆瓦,中国国和一号核电站装机容量约1500兆瓦。

对比一下,很直观(底图:IAEA)▼

目前主流的SMR共有四种技术方案可供选择:轻水反应堆(LWR)、快中子增殖反应堆(FBR)、高温气冷反应堆(HTR)和熔盐冷却反应堆(MSR)。这四种方案在反应堆运行温度和冷却方法上各不相同

在技术就绪度上大致排序:

LWR/HTR/FBR/MSR

在功率密度上大致排序:

FBR/MSR/LWR/HTR

建造中的小型模块化反应堆(图:CNEA)▼

我们会发现极致的安全性和极致的功率密度往往不可兼得,但是基于小型模块化反应堆的一些特性,其整体上在安全性和灵活性方面有很多优势:

安全性:由于反应堆功率较小,堆芯放射性核素总量也较少,由于系统简化和固有安全性提高,自然降低了重大事故的发生概率。

经济性:模块化设计可以降低设计、制造和建设成本,同时缩短施工周期。

灵活性:SMR可以根据电网负荷需求灵活部署和调度,适应多样化的能源结构,对厂址和乏热冷却源的要求也比大型核电站更低。

应用场景多元化:除了发电,SMR也可用于工业供热、供暖、海水淡化、制氢等领域。

目前,世界各国对SMR的研究与尝试已经有所成果。例如,来自亚洲的Heatnuc团队一直致力于研发第三代和第四代模块化核电站(SMR)技术,同时美国NuScale公司的NuScale Power Module,俄罗斯的RITM-200反应堆和中国的ACP100等,都已经进入了实际应用或者试验阶段。

为什么这么难搞

尽管小型核电站在理论上有诸多优势,但实际推广中可谓困难重重。

首先就是技术成熟度的问题,虽然已有多个国家开展SMR的研究开发,但大部分产品还处在试验阶段;法规标准缺失;设计软件的适用性需验证,实现规模化应用还需长期考验。

小型轻水模组化反应堆

(仅示意,图:wiki)▼

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其次是经济性,模块化产品只有大批量产出才能降低单位成本,但目前的SMR显然还做不到,其设计和生产成本仍然较高尤其是首堆(FOAK)的单位功率机组建设成本较高,在成本方面和大型核电站或其他可再生能源相比是处于劣势的。

新产业的发展往往离不开政策支持,以克服早期的高成本阶段,但核能安全又直接牵动着公众的神经,支持程度直接关系到公众接受度,联想到福岛核事故,公众疑虑小型化核电站会不会让自己离危险更近?

这也是很合理的疑虑,所以很多国家在核能政策上持谨慎态度,对SMR的研究自然形成了制约。

福岛第一核电站事故▼

最后就是核废料处理问题,虽然SMR的规模较小,但核废料也是绕不开的,处理小型核电站的核废料,相比处理集中的大型核电站废料,会不会更复杂以至于更容易出现疏漏,都是亟待解决的问题。

按辐射污染等级高低来区分(仅示意)▼

当然,以上这些障碍,还是偏重于技术和安全方面,如果将这一产业投入商用场景下检验,后续的关卡还有一大堆,包括但不限于设计建造取证、融资渠道、供应链、利益相关方的接受度等等。

何况核能问题从来不总是核能问题,如果其应用高度符合国家战略需求,或许技术和效益等问题将被加速解决。

总之,SMR核电站理论上具有一定的优势,有可能降低核能项目的风险。然而,目前SMR仍面临诸多困难和挑战,需要在技术研发、政策支持、经济性和公众接受度等方面取得突破。

在未来的能源体系中,受全球能源碳中和和碳税政策的影响,作为零碳基荷稳定能源选项的各类小型先进模块化核电站或许能成为一种有前景的替代方案,但仍需经过长期努力和探索,我们共同拭目以待。

*本文内容为作者提供,不代表地球知识局立场

封面:壹图网