西欧加快发展小型模块式轻水堆

美国通用电气-日立(GEH)和纽斯卡尔(NuScale)两家核反应堆设计供应商，在建造小型模块化轻水堆(iLWR)核电机组的竞赛中处于世界领先地位。最近宣布要在欧洲建造新型核电厂。BWRX-300型SMR有独到的优势。

GEH在爱沙尼亚的可行性研究

10月3日，GEH说它与爱沙尼亚的费米能源公司(Fermi Energia OU)签署协议。后者由核工业专业人士创建，旨在发展小型模块式反应堆(SMR)。两家公司将合作研发GEH的BWRX-300型SMR设计在爱沙尼亚部署的可能性。GEH说，两家公司将研究在西欧建造BWRX-300型反应堆的经济可行性，审查选址要求，评估核监管要求。[1]

BWRX-300是发电容量30万千瓦(300 MWe)的水冷、自然循环、非能动安全系统支持的SMR。据GEH 说，BWRX-300利用的设计和取照基础，是美国核管会(NRC)确认合格的经济简化沸水堆(ESBWR)。后者是1520MWe的第三代+核电机组。因此，BWRX-300是 GE公司首个BWR设计的第十次演化。而且该公司说，这个设计代表GE公司1955年开始核反应堆商业化以来最简单、也是最多创新的BWR设计(见图1)。GEH相信，利用ESBWR的设计认证，利用已获得许可和证实的燃料，结合已证实的设备-部件供应链，实施简化创新，BWRX-300可在成本上与联合循环天然气发电和可再生能源相竞争。

图1. BWRX-300型SMR设计

GEH核电项目执行副总裁乔恩·鲍尔(Jon Ball)在新闻发布会上说，“我们的沸水堆设计，在北欧几十年来，已证明是安全、经济和可靠的无碳能源供应者;BWRX-300设计使它成为可投资的、极具竞争力的技术。小型模块化反应堆是突破性技术，是为了在成本上与天然气和可再生能源竞争。我们认为，它是爱沙尼亚无碳能源需求的理想解决方案”。

费米能源公司首席执行官卡莱夫·卡莱梅茨(Kalev Kallemets)说，“爱沙尼亚需要考虑新一代小型核技术，以保持能源独立，实现气候中性”。“几十年来，在北欧，已经证明沸水堆是安全、经济和可靠的无碳能源供应者，BWRX-300设计使之成为可投资的、极具竞争力的技术。”

NuScale在捷克的多公司合作

总部位于美国俄勒冈州波特兰的NuScale能源公司9月26日宣布，它与捷克公用事业联合企业ČEZ集团签署谅解备忘录,以探索NuScale公司的SMR作为捷克共和国长期能源解决方案的适用性。协议要求两家公司检查NuScale，共享核与技术专长(见图2)。具体来说,就是NuScale和ČEZ交流与核供应链开发、建设、运行和维护相关的信息。

图2. NuScale型IPWR电厂的布置

NuScale公司董事长兼首席执行官约翰·霍普金斯(John Hopkins)在新闻稿中说，“我相信，NuScale公司的SMR简化设计与导致的更低的运营成本，使我们的理想技术有助于ČEZ满足捷克日益增长的、廉价的、无碳能源的需求”。“这个协议突显国际社会对我们技术的兴趣在快速增长，将使我们有机会研究如何在未来几年最好地在欧洲部署NuScale型SMR。”

目前捷克共和国核能发电占总发电量的三分之一。ČEZ集团是欧洲最大的公用事业公司之一，目前在国内运营着两座核电站。

ČEZ集团董事长兼首席执行官丹尼尔贝奈斯(Daniel Beneš)说，“我们对新的解决方案和技术有个长期定位。我们的技术工程公司UJV Rez已经在研究小型模块化反应堆，它是未来不可忽视的重要选项。在我们的努力中，与NuScale公司合作是合乎逻辑的下一个步骤。

与GEH的SMR不同，NuScale公司采用的是压水堆技术。此设计的特点是完全工厂制造的NuScale型动力模块，发电60MWe。NuScale公司说，它的设计可扩展，电厂最多可容纳12个单独的动力模块。NuScale公司的技术是唯一通过美国核管会(NRC)设计认证审查的SMR。今年7月，NRC完成了第二和第三阶段的审查，并定于2020年9月完成NuScale的设计认证。

在美国，NuScale公司正就一个无碳电力项目与犹他州联合市政电力系统(UAMPS)合作。2016年2月，美国能源部颁发场地使用许可证，允许UAMPS确定和描绘潜在位置的特征，在爱达荷国家实验室产业园区内选址，申请许可并建造NuScale型核电厂。目前多方预测表明，第一个NuScale型动力模块能在2026年在这个现场成功地商业运行。

表. NuScale 型核电厂单个模块的重要设计参数*

*IAEA资料。

GEH与波兰化工生产商合作

GEH公司 22日宣布，它与波兰的Synthos公司达成协议，将在波兰合作开发BWRX-300小型模块化反应堆技术的潜在用途。这家公司21日说，它已与波兰合成橡胶生产商Synthos公司签署谅解备忘录。后者是波兰最大的化工原料生产商之一。[2]

GEH核电项目执行副总裁乔恩·鲍尔(Jon Ball)说，“通过我们的设计-成本法，我们设计的BWRX-300能与天然气、可再生能源和其他形式的发电在成本上竞争。我们赞赏Synthos公司对SMR技术感兴趣，对波兰清洁能源选择的支持。”

Synthos公司业主米哈尔•索罗沃(Michal Solowow)说，“利用SMR生产清洁能源，将增加我们摆脱煤炭的机会，对我们的行业和国家产生积极影响。”

BWRX-300是个300 MWe的SMR，源自GEH公司的经济简化沸水反应堆(ESBWR)设计。今年5月，GEH启动了加拿大核安全委员会(CNSC)对BWRX-300设计的供应商设计审查。[5]GEH预计，BWRX-300与其他水冷SMR设计或现有的大型核反应堆设计相比，每MW的基建资本成本能降低60%。

波兰已计划建造第一座大型核电站。根据波兰能源部去年11月发布与公众协商的能源政策文件草案，首台核电机组容量1.0-1.5GWe，2033年投入运行。到2043年，波兰投入运行的核电装机容量将达到6-9 GWe，约占波兰发电总量的10%。2020年将选定第一座核电站场址，2021年选定技术和总承包商。

图3. BWRX-300的设计特征

BWRX-300型SMR的独到优势

目前欧洲国家宣布建造SMR型核电站的不止上述三家，还有英国、法国、乌克兰、罗马尼亚等。但多是一体化轻水堆(iLWR)，而且一体化压水堆(iPWR)占绝对优势。GEH与爱沙尼亚费米能源公司(Fermi Energia OU)签署协议，在波兰与化工生产商合作，有象征性意义。

GEH公司创建于2007年，其经济简化沸水反应堆(ESBWR)设计2014年10月获得NRC的设计认证，2017年6月取得建造、运营联合许可证。2017年开发BWRX-300 型SMR的概念，2018年5月得到美国最大的发配电公司Dominion能源公司的支持，提供“种子”资金，确保完成BWRX-300商业化。[4]

2018年7月美国能源部宣布资助190万美元，“选定”GEH领导一个行业专家团队，开发BWRX-300先进核技术项目(在美国，政府这样干预私有经济体的现象，极为罕见)。专家团队包括Exelon能源、Hitachi-GE核能(HGNE)、Bechtel和麻省理工学院(MIT)的专家，任务是检查简化反应堆设计的各种方法，把核电机组的建设成本、运营和维修成本降到最低。[5]至今，在北美还没有哪个电力公司申明要建造BWRX-300型SMR。

图4. BWRX-300设计充分利用GE公司ESBWR的“血统”

BWRX-300 型SMR概念“异军”突起，首先引起北美媒体注意;与爱沙尼亚和波兰签订备忘录，引起世界新闻媒体广泛报道，证明它有独特的吸引力。

经济：

—因设计简化，单位装机容量(MW)的基建成本比其他水冷的SMR设计或大型核反应堆设计减少60%;

—与ESBWR相比，BWRX-300的电厂布置容积减少90%。[6]

—规模和复杂性约为大型核项目的1/10，大大降低了项目的风险和总基建成本要求。[7]

—使用常规建造技术 有日本的完整设施与建造供应链支持。部件和材料，是核领域常见的、已取得资格的，可快速部署。(日本可提供先进的制造和施工专业技术，按时、按预算完成日本核电站项目的工具，以及最近为英国ABWR项目开发增强的工程能力。)

—可以利用80%以上的ESBWR设计控制文件。一旦客户准备继续前进，就可开始申请颁发许可证程序，2028年就可以大规模部署。

—经济成本：基建成本$700万，$2250/kW;运行&维修成本<$16/MWh, 平准化发电成本∽$40/MWh;现场人员配备目标：75人。

安全：

—基于美国NRC已颁发证明文件、可申请建造+运行许可证的 ESBWR的设计和基础;按比例缩小ESBWR设计;

—通过简化，消除失去冷却剂事故，排除堆型熔毁的可能性，应急计划区边界就是厂区“围栏”[8]。

—自然循环，非能动“隔离凝汽器系统”排出堆芯余热，7天无需干预;仅有隔离凝汽器加水的简单行动就可实现“无限期”冷却。

—机组设计转入地下，也使装置免遭外部侵害。

BWRX-300是沸水堆的终极简化，具备直接蒸汽循环的固有优势。确保堆芯安全，要“返真归璞”，无需“花样翻新”。从图4-6明显可见，BWRX-300和经济简化沸水反应堆(ESBWR)“回归”第一代BWR堆芯非能动堆芯余热排出系统设计理念;AP-1000和华龙-1号压水堆设计“采用”了这种设计理念。因为它简单、明瞭，是确保堆芯不失去冷却剂的最简单、最可靠的手段，经济节省还是次要的。

图5. 福岛第一核电站1#机组(BWR)非能动余热排出系统示意图

堆芯应急隔离凝汽器系统，A、B两列

图6. 三代PWR非能动余热排出系统示意图

AP1000堆芯余热排出系统(PRHRS)(左);华龙1#二次侧非能动余排出系统(PRS)，绿线：非能动系统(右)

小型一体化轻水堆(iLWR)型SMR是核电发展中的“过渡性”产物，本质上与现代轻水堆(包括三代和三代+)没有区别。尽管有许多优势，如安全上达到了第四代标准，但在经济、核废物、后处理方面进展不大。完全符合第四代标准、人类希望的先进堆(包含核燃料闭路循环)技术，才是发展的方向。

但是，它对核电强国、大国的核能发展规划是有益的补充;最适合广泛采用的国家是经济、技术、监管体制和基础设施有限或有待准备的中、小国家。

参考资料：

1. Aaron Larson，Small Modular Reactors Gain Momentum in Europe，POWER，10/03/2019

2. WNN，GEH signs agreement for small modular reactor in Poland，22 October 2019

3. CNSC，Pre-Licensing Vendor Design Review，2019-03-26

4. Sonal Patel，Dominion Invests in GE-Hitachi Nuclear Development of 300-MW SMR，POWER，05/21/2018

5. POWER TECH. ，US DOE selects GEH for nuclear technology development project，18 JULY 2018

6. GEH 2019，INTRODUCING THE BWRX-300

7. GEH 2019，BWRX-300

8. GE Power，Titans Of Nuclear Podcast Interview: Christer Dahlgren Discusses The BWRX-300，30 September , 2019