微型核反应堆的“大”效益

在围绕小型模块化反应堆(SMRs)(60-300兆瓦)和700兆瓦(MW)以下中型核反应堆开发兴趣与活动的喧嚣中，美国几家核技术供应商一直在悄悄地开发1-20 MWt以下的微型核反应堆(简称微堆)。据美国核能研究所(USNEI)称，到2027年底，美国国内防卫设施基地很有可能成功部署首个这类的微型反应堆。去年底，美国《电力》杂志发表副主编索纳尔·帕特尔(Sonal Patel)撰写的专题报告[1]，把开发微堆提到“确保电力市场生命力”的高度，值得深入思考。

首台AP1000型核电机组开始运行。2008年10月11日，西屋公司及其客户中核集团三门核电公司(Sanmen)宣布，位于中国浙江省三门的世界首台AP1000型核电机组全面投产。美国的Vogtle 3号和4号机组还在继续施工。

自上世纪50年代核电确立以来，反应堆的容量从60 MW发展到1600MW以上。今年6月，中广核集团公司(CGN)的全球首台EPR—台山1号上网发电。10月11日，西屋电气和中核集团公司的三门1号反应堆商业运行。它是首台商运1000 MW的AP1000型反应堆，两环路的第三代压水堆。

但近几十年来，人们对小型核动力堆的兴趣也在增长，部分原因是大型核动力堆的基建本成本高，而接入的电网容量小。据世界核协会(WNA)说，目前全世界只有三种小型反应堆在运行:巴基斯坦300 MW的CNP-300、印度220 MW的PHWR-220，以及俄罗斯西伯利亚比利比诺热电厂11 MW的EGP-6。

在建的小型堆设计有：俄罗斯35 MW的KLT-40S和50 MW的RITM-200，阿根廷27 MW的CAREM-25，中国的两台250 MW的HTR-PM和60 MW的ACPR-50S。另外10个反应堆设计的开发进展良好，它们是美国NuScale能源公司60 MW的IPWR、Holtec公司160 MW的SMR-160，以及陆地能源公司(Terrestrial)192 MW的熔盐堆(MSR)等。然而，WNA指出，尽管他们的设计简单，但SMR的商用化进展缓慢，主要因为取得许可证方面存在挑战。据说“设计认证、建造和运营‘取照’的成本不一定比大型反应堆低，给开发商和支持者带来重大负担”。

过去10年，随着电力消费模式转变，核电行业面临严重干扰。随着越来越多的分布式能源(DER)加入电网，使授电的终端用户成了当地的能源生产者，意味着对历史上自上而下供应结构的严重背离，迫使许多大、中型基荷发电商探索运行的灵活性。自然和人为物理威胁的扩散和网络安全问题困扰着大型电网，引发了人们对电网弹性和可靠性的担忧。

出于这些原因，为确保电力市场的生命力，核技术供应商投入大量时间和资金，开发10 MW或更小的反应堆设计。某些参与项目的公司也在密切跟踪。

西屋公司的eVinci微堆设计，是洛斯阿拉莫斯国家实验室 Megapower[2]概念的改进，采用的液态金属热管技术，在商用核技术中并不常见。堆芯设计，基于坚实的钢锭整体，内含热管和燃料芯块通道。由于热管在相对低压下非能动方式运行，可以从反应堆堆芯中排除热量，所以这种设计没有主冷却回路，因此也就没有机械泵、阀门或大直径的主回路管道，而这些在目前所有的商用堆中很常见。西屋公司说，“热管只是以冷却剂连续等温气化/液化地内部流动，将热量从堆芯蒸发段输送到堆芯外的冷凝器。”

西屋公司。该公司最近刚刚走出破产的阴影，部分原因是它在美国开建的四台大型AP1000机组的成本出现了大幅度超支。西屋公司正在开发伊达芬奇(eVinci)微堆(上图)，功率范围0.2-15 MW。西屋说，由于eVinci型微堆的规模和“单个部件的技术准备水平高”，能在不到6年的时间内开发并进行演示。目前，希望在2019年之前开发一全尺寸的动力示范装置，然后用燃料进行综合试验，目标是2024年前做商用部署。

纽斯卡尔公司(NuScale)。作为SMR竞赛的领跑者，NuScale公司预计，美国核管理委员会(NRC)将在2020年9月之前批准它60 MW的设计，并在2020年代中期进行商业部署。去年9月底NuScale宣布，已选定总部位于弗吉尼亚州的BWX技术公司，开始SMR工程设计。然而，该公司也在评估几个1-10 MW的微堆概念，两个这种轻水微堆概念，即单一机组的NuScale动力模块(NPM)和缩小尺寸的NPM，都可利用目前的设计和取照审评成果。

通用原子公司(GA)。GA公司曾提供65台低于10 MWt的TRIGA研究堆[3]，目前正在开发4 - 10 MWe的移动式核电源，能装入标准军用集装箱内，换料周期超过10年。该公司去年10月说，这种小型电源还利用GA开发的耐高温、对事故宽容的材料和燃料，性能优越，高度安全，能抵御潜在的威胁。

欧克劳公司(Oklo)。这家总部位于硅谷的公司，正在开发的2 MW快堆，可装入集装箱化系统，换料周期超过10年。该公司2017年7月告诉美国众议院一个委员会，它的反应堆设计可用燃料的效率比现有反应堆高300倍。反应堆设计堆芯小，不加压，运行无需泵、阀，冷却剂总量不大。

X-能源公司(X-energy)。这家总部位于马里兰州的公司，今秋开始与NRC讨论它更大的75 MWe (200 MWt) Xe-100设计，一个高温气冷球床式先进堆(HGTR)。它也在开发可公路运输的10 MWt的X电池。据报道，该公司在设计中测试了各种燃料循环，包括铀和钍，而且这个机组可用单一堆芯装载运行10年左右。公司总裁哈伦·鲍尔斯(Harlan Bowers)去年9月告诉众议院的一个委员会，X-能源公司正在努力，到2020年代中-后期完成其首个示范Xe-100设计。

据美国核能研究所(USNEI)说，第一个微堆10年内就可部署在美国国防部(DoD)的国内设施基地。大约90%的军事设施平均能源消耗可由40兆瓦以下的装机容量来满足。而且指出，对于国防部几乎完全依赖电网的设施，弹性至关重要。它说，“微堆能提供热能和其他产品，如除盐水和氢气，能满足国防部设施的需要”。“微堆还可加强国防部使用新技术，如先进计算、大数据分析、人工智能、自治权、机器人、定向能源、超高音速和生物技术的能力。”

USNEI预计，国防部的大多数设施寻求一个或多个2-10 MW的微堆，最初用于发电，而不是供热。然而，核能游说团体去年10月发布的、旨在实现这一目标的综合路线图指出，首次部署将面临几个障碍。其中包含的延误，根源在于技术确认和取证。然而它指出，“尽管相对于早先批准的技术，新技术有时需要更长的审查时间，但NRC应该能在其标准检查时间表的最短期限内完成第一个微堆设计的审批。”

燃料供应问题也可能阻碍快速部署。USNEI指出，商用核燃料产业目前只生产U-235最高5%的浓缩铀。但某些微堆要用U-235含量高达20%的浓缩铀，称之为“高含量低浓缩铀”或“HALEU”。“建立HALEU商业供应必须要有足够的需求量，而开发燃料循环基础设施至少要7年。但如美国能源部(DOE)开发利用其高浓铀，这个难题可以缓解，就是说可先用稀释的高浓铀，满足HALEU需求，直到商业供应可用。USNEI说，“据估计，能源部供应HALEU需要1.5-3年，部署第一个微堆名义目标是2年”。其他挑战包括用过的核燃料处置和运行人员培训。

去年10月4日，在USNEI主办的新闻发布会上，五角大楼负责作战能源的副部长助理办公室作战主任特洛伊·瓦谢尔(Troy Warshel)表示，国防部也许参与其中。USNEI还指出，国会去年8月指示DOE在一年内向国会报告，“至少批准一个微堆试点项目的选址、建造和运营所需的必需品和设备，为国防部或能源部设施的国家安全基础架构提供弹性。”

其他国家也在密切审查微堆应用。据报道，加拿大和英国都在推进政府进行的项目，目标是在未来10年内部署小型核反应堆。例如，加拿大核安全委员会(CNSC)正在总结超安全核公司和全球第一能源公司(GFP)联合提交的5-10 MW高温气体堆第一阶段的颁证前设计审查。其他设计，如eVinci，还处在不同的审查阶段。

去年6月,英国政府也证实,在它的先进模块化反应堆(AMR)项目下，核燃料供应商URENCO公司是选定接收资助的八个参与者之一。它要开发的U-电池，就是个三重结构-各向同性(TRISO)核燃料技术支持的、4-MW的“微型模块化反应堆(MMR)”，可以热电联产方式，提供750℃的工艺热能。英国商业、能源与产业战略部，能在AMR可行性与开发活动中投资多达4400万英镑;据此，可奖励一个成功的申请者400万英镑。

URENCO公司希望2024年前展示这项技术。U-电池项目总经理史蒂夫·思雷福尔(Steve Threlfall)去年6月份曾说，政府同意将U-电池项目推进到政府AMR项目的第1阶段，“获得第一笔资金，将用于可行性研究，我们将在其中概述U-电池的商业和技术案例。这个可行性研究将在未来六个月内完成，然后提交政府。”

资料与注释：

1. Sonal Patel，Big Gains for Tiny Nuclear Reactors，POWER，11/01/2018

2. Megapower概念：详见美国NASA技术报告“Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY (KRUSTY) Nuclear Ground Test Results and Lessons Learned”(26 October 2018)at: https://www.researchgate.net/publication/328534018

3. TRIGA研究堆：即美国通用原子能公司的“培训、研究、同位素生产”的池式轻水冷却慢化反应堆，功率范围14-25MW。燃料芯块为UZrH合金，包壳为不锈钢。UZrH合金芯块，即使没有包壳，仍然能保持99%的挥发性裂变产物存量。深度的负温度反应性反馈系数，即使控制棒全部完全抽出堆芯，脉冲功率瞬间达1000MW，仍然保持非能动安全。详见Fouquet DM, Razvi J, Whittemore WL TRIGA research reactors: A pathway to the peaceful applications of nuclear energy. Nuclear News，November 2003 p.46–56.

4. Oklo Inc，2 MW快堆：不详。