西屋“伊达芬奇”微堆设计“加速取证”

美国西屋电气公司(俗称“西屋”)是世界闻名的“百年老店”，进入新世纪以来一直“灰头土脸”，压得“喘得不过起来”。先是被“卖来买去”，直到“破产重组”，连最“拿手”的先进压水堆设计也还没有痛快的“出手”。所以，重组、找到新“东家”后“憋着一口气”，想打个“翻身仗”，借着国家核实验室科研攻关的成果，迈进世界、核发达国家能源转型的小型模块式反应堆和先进堆开发市场。

在世界气候变暖、全球节能减排、可再生能源大发展的趋势下，把核能看作“可变”、必须改进“安全性”、提高经济性的前提下，“放下身段”，发挥自身优势，与可再生能源“互补”，或许是核工业的“明智”选择。如果还要考虑“防止核扩散”政治、丰富“铀资源”的经济利益以及近期核燃料“闭环”的技术难题，“一次通过”燃料循环还有某些优势。美国能源部展示的先进堆(从伊达芬奇微堆开始)、一体化压水堆(NuScale型SMR)和一体化沸水堆(GeH的BWRX-300)战略选择，或有可能使美国“再”走向世界核能发展的前列...

最近，西屋先进堆项目主管告诉《核能内幕》网站，它的伊达芬奇(eVinci)热管反应堆设计，有成本和选址的优势，技术准备水平高，可加快设计“取证”的审评过程。

微堆开发商把目标放在边远社区和工业基地，作为首批商用核电厂的场址

美国能源部最近给西屋公司拨款1290万美元，用于开发钠热管技术为基础的“伊达芬奇”微堆设计[1]。去年7月，还给通用电气-三菱核能公司(Ge-H)拨款190万美元，开发BWRX-300型SMR[2]。

西屋的目标是到2022年，设计、试验、制造并建成一台示范装置，还给项目准备了1570万美元。目前正在开发电气演示装置，计划展示2020年代的“加工制造”能力。

西屋先进堆开发首席工程师亚西尔·阿拉法特(Yasir Arafat)告诉《核能内幕》，先进的热管设计能简化装置的结构，减少移动部件的数量，创造显著的成本和安全效益。紧凑的设计占地面积小，为更接近工业设施和人口中心开辟新的“选址”机会。

西屋正在与美国和加拿大的核监管机构沟通，计划2025年前为该设计的商业部署“取证”，直到建成、调试成功。这将使西屋公司的地位接近微堆部署的“前列”。

加拿大的目标是，到2026年在加拿大核实验室(CNL)园区至少建一个先进堆示范电厂。今年2月，高温气冷堆开发商环球第一电力(Global First Power)成为首家进入CNL设计遴选的第三阶段，开始进行土地安排、项目风险管理和合同条款等“非排他性”谈判。

加拿大SMR的关键市场 (源自：《加拿大小型模块化反应堆路线图》)

据西屋说，“伊达芬奇”热管反应堆设计的规模小、技术成熟度高，应能加快许可证颁发进程。

西屋公司先进堆项目经理莱恩•布林(Ryan Blinn)说，“与其它核反应堆设计不同，最基本的技术是通过热管从堆芯(燃料)中排出热能。”他说，“这项技术(热管)已用了几十年，而且由洛斯阿拉莫斯国家实验室在[美国宇航局]千瓦动力装置(Kilo-power)核试验中证实过了”[3]。

设计利益

伊达芬奇反应堆的设计目标是200 kWe-5 MWe热电联产。

该设计建立在一实心整体钢锭上，内有热管和燃料芯块的通道。堆芯每个燃料细棒毗邻三个热管，二者整体上比例为1：2。热管用作主热交换器，从堆芯排出热能。

堆芯结构

按照西屋的说法，热管设计无需主泵和相关的辅助系统，减少了电厂的规模和部件的成本。

基准设计容量2MWe，可装入20英尺的标准集装箱运输。布林说，这个电厂的设计，要求场区占地不超过1英亩，“应急规划区”限制在场区边界之内，能确保周边居民的安全。

整个装置可在“制造厂”内建成并“装料”完毕，热管结构可在装配线上制造完工，以最大限度地提高连续生产的效益。阿拉法特告诉《核能内幕》，这种热管的线性导热系数是实心铜棒的70倍。他说，“热管能高效排热，使得微堆具有成本竞争力。”

对热管反应堆技术的兴趣正在上升。轻水型SMR开发商纽斯卡尔能源公司(NuScale)已宣布，它也在开发热管反应堆技术，以扩大它的SMR设计“组合”。公司首席商务官汤姆·芒迪(Tom Mundy)，4月2日在美国亚特兰大举行的SMR与先进堆峰会上说，NuScale公司正在开发1-10 mw的热管反应堆和10-50 mw的NuScale型微堆电源模块，以进入新的市场。

多重用途

西屋的微堆可提供高达600℃的工艺用热。一直认为，尤其是在企业和政府努力实现碳减排目标之际，供热是SMR的重要“特色产品”。存储效率、电-热转换能力和基础设施准备情况都会影响这种装置的竞争力。

SMR开发商也追求“负荷跟踪”能力最大化，以应对电网可再生能源占比不断上升的“压力”。伊达芬奇型设计的热管，可“非能动”地排出堆芯热量，并“自主”地进行功率调节，有负荷跟随能力，可“自动”地运行和停堆。

该设计把燃料封在堆芯内部，以减少核扩散的风险，也没有与主冷却剂流系统故障相关的安全风险。布林说，这个电厂可以运行10年不换料，但更短的、5年左右的换料周期则可“显著提高经济效益”。他说，“特别是在边远地区，一台机组不换料运行很长时间，令人感兴趣。然而，筹措机组预付所有燃料经费，经济(平准化能源成本)的影响大”。

换料需运回制造厂，与其它部件“修整”同时进行。

取证步骤

2018年2月，西屋向加拿大提交“取证前”供应商设计审查(VDR)申请，要求同时进入VDR过程的第1和第2阶段。目前正在等待加拿大核安全委员会的答复。

西屋还没有正式进入美国“非轻水”堆设计取证进程。

许多先进堆开发商，把第一台核电机组的目标定在加拿大。那里有许多部署的机会，而且认为与美国相比，它的颁证过程不那么“刻板”。

布林说，“西屋公司正在与美国核管会(NRC)和加拿大核安全委员会进行协调”。西屋将“根据主导商业客户的利益”选择取证途径。

目前接受加拿大颁证前审评的SMR。源自：加拿大核安全委员会(CNSC)，2019年五月

对先进堆开发商来说，获得“许可证”是个重大挑战，因为它们必须为首个这类技术提供深入的性能和安全数据。

西屋计划，利用核工业和其他行业现有的热管技术数据，加快取证进程。该公司在一个声明中说，“液态金属热管技术成熟而强健，拥有庞大的实验测试数据库，支持该技术实现商业核应用。”

西屋显然能从早先的反应堆设计取证的大量资源和总体经验中获益。布林指出，“西屋公司计划利用AP1000核电机组取证过程的教训和经验，用于伊达芬奇微堆的取证过程。”

商用空间

据西屋说，边远社区、军事基地和采矿场是微堆潜在的早期市场。

布林说:“微堆的前景还在不断扩展。过去几年……政府支持的偏远社区似乎最感兴趣，支持及早采用。然而，最近几个月，相对边远的矿区有更多的建设动力和兴趣”。

预祝西屋成功!

参考资料与注释：

Neil Ford，Westinghouse targets fast licensing, tiny footprint for new SMR，Nuclear Energy Inside，May 22, 2019

1. COMPELO，U.S. Department of Energy further advances nuclear energy technology through industry awards of $19m，27 MAR，2019

2. WNN，Canadian pre-licensing review starts for BWRX-300，22 May 2019

3. Marc A. Gibson et al, Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY (KRUSTY) Nuclear Ground Test Results and Lessons Learned, NASA/TM—2018-219941,October 2018