Mitch Leslie

Senior Technology Writer

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??！傲_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。

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[2]。

圖1 . 2019年8月23日，第一座浮動(dòng)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(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）。

其他國(guó)家也在盡力建造SMR。位于美國(guó)愛達(dá)荷州愛達(dá)荷福爾斯市的愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(gè)核反應(yīng)堆[3]。中國(guó)也將開始建造自己的艦載SMR [4]，目前，中國(guó)正在開發(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)[5]。

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)10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[6]。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?。Buongiorno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[7]。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 [8]。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[9]。

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?！?/p>

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 [10]。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的魚雷形鋼制外殼中（圖2）。由于該魚雷形鋼制外殼比標(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[10]。

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)[11]。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[12]。NuScale公司的核反應(yīng)堆沒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)[13]。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 [10]。

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(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)[14]。NuScale公司還與一家公用事業(yè)財(cái)團(tuán)簽訂了購(gòu)買核反應(yīng)堆電力的合同[15]，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[16]，而且中國(guó)的艦載SMR計(jì)劃于同年投入使用[4]。

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[6]。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？[17]

“它們是否經(jīng)濟(jì)實(shí)惠？沒有人能知道?！眴讨稳A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)，“只有你開始建造它們，你才能知道答案?！?/p>

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?！?/p>

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。”

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始循環(huán)。圖片來(lái)源：NuScale，Wikimedia Commons（CC BY-SA 3.0）。