创新推动美国核能走上“新轨道”

创新引领核能进入新时代。先进技术不仅可以提高核电厂的经济效益、效率和灵活性，还可以开辟新的市场，满足对热能、氢气、甚至医用同位素等不断飙升的需求。美国《电力》杂志网月初发表其资深副主编宋诺·帕特尔(Sonal Patel)的文章说，创新正在使美国核能走上“新轨道”……[1]

国际原子能机构(IAEA)去年9月发布年度预测，对核能前景表示悲观。如果目前的市场、技术和资源配置趋势继续下去,如果目前管控核能的明确法律、政策、法规很少改变，世界核电的装机总量将从2019年12月449台运营核反应堆的399 GWe逐渐下降，直到2040年,虽然预计有轻微反弹,但到本世纪中将达到371 GWe，或者说占全球电力份额的3%。

虽然今年核能发电在全球发电总量中所占比例稳定在11%左右，但各大核能机构的负责人一直对这个令人沮丧的装机容量数字表示严重关切，2006年以来，已下降将近10%。正如核能机构(NEA) 总干事威廉马格伍德(William D. Magwood IV)指出的，下降可归因于福岛事故后日本许多核电站暂时关闭，但也可归因于日本与安全相关的永久性关闭、对美国市场竞争力的担忧、以及欧洲政治上逐步淘汰的决定。他说，“虽然许多反应堆在建，主要在中国和俄罗斯，但美国和西欧的大多数新建项目遭遇工期延误和预算超支，使得投资者不愿更多参与”。马格伍德说，核工业需要重新定位，最近全球一致呼吁将核能纳入脱碳运动，强烈催促保持核工业的相关性。

但是，核工业主要由国家主导，已经进入高速发展阶段，首先要识别和应对阻碍创新进展的各种逆风，然后，同样重要的是，促进合作，推动创新。NEA是经济合作与发展组织(OECD)的专门机构，为第四代国际论坛(GIF)和国际核能合作框架提供服务。最近，NEA根据2015年启动的2050年核能创新计划，发布了关键创新领域的详细路线图。它包括:非能动安全系统和改进的事故管理;老化管理;先进的燃料和材料;先进核燃料循环;退役技术;以及采暖和热-电联产。与此同时，去年七月由NEA、IAEA、EPRI、韩国水电核电公司以及英国NNL在韩国召开的首次《核能未来创新全球论坛》，与会者概述了新兴的机遇，可以改变核能生产和市场能力,包括大数据、杂化的承诺,以及迫切需要熟练劳动力和知识的管理(见图1)。

图1. 一幅漫画白描了2019年6月在韩国庆州举行的第一届《核能未来创新全球论坛》的关键讨论。

先进核能，今后十年是关键

在美国，近来部分由于廉价天然气充斥市场，核能退役有所增加，而两党支持的政策，强烈支持核能创新。这个努力的核心是能源部(DOE)的爱达荷国家实验室(INL),这个实体，从1949年成立国家反应堆试验站演化而来，在许多卓越的核成就之中,建造了世界首个核电站并首次给美国城市提供核能。这个实验室，为恢复作为核创新者的最初愿景和功能，2019年8月开设了“核反应堆创新中心”(NRIC)，计划为开发、测试和证明有希望的先进反应堆概念提供设施和能力，促进商业化以及在国内外的部署。正如INL主任马克·彼得斯(Mark Peters)对《电力》杂志说的，NRIC已拥有一系列感人的技术，可以在短期内重塑核工业的发展轨迹。

首先，NRIC希望在2022年之前展示微(型反应)堆，很可能是西屋公司2MWe 的达芬奇(vinci)型微堆，预计2025年第一个商用微堆将部署在偏远地区，提供电力和工艺供热[2]。它也支持俄勒冈州波特兰的NuScale能源公司，2026年之前在INL科技园区建造第一台60 MWe轻水堆模块。犹他州联合市政电力系统是犹他州的地区间能源服务机构，是项目建设者，最早2023年开工。

此外，INL希望2026年多用途试验堆(VTR)开始运行。这是个快谱堆，相对于国内现有的35个研究堆，它的中子能量和通量更高，适合开展各种实验。DOE说,需要VTR保持国家在科技上与中国和俄罗斯的竞争力。它是个钠冷却池式堆，使用金属合金燃料，包括高含量低浓缩铀的核燃料,成本在$30亿-60亿。最后，NRIC还可在2030年前后证明新型非-轻水堆技术。

图2. 2019年8月在爱达荷州国家实验室设立国家反应堆创新中心，为测试、演示和性能评估提供资源，以加速新先进核技术概念的部署。某些设施可在未来十年内完成，图示标明它们的里程碑和暂定时间表。[3]

按照Peters的解释，NRIC的主要目标之一是帮助开发商解决新型核能的经济问题。他说，许多公司与INL接洽，“当然对降低成本曲线表示乐观”。“研究很重要，但更重要的是获得证明。我们必须开始建造某些这样的设施，才能真正证明我们可以做到这一点。”

未来核能的最新前景

陆地能源公司(Terrestrial Energy)首席执行官西蒙•爱尔兰(Simon Irish)指出，对技术开发商，成本竞争力至关重要，因为它能直接转化为市场机遇。该公司正在开发195-MWe的第四代熔盐堆。他说，“作为项目投资，核能并不引人注目。它对私人资本没有吸引力”。这就是未来的系统为何“必须在商业上具有变革能力”的原因。

Irish特别指出，正在开发一体化熔盐堆(IMSR)的陆地能源公司，是目前参与GIF的唯一一家私营公司。GIF是个国际合作组织，正在探索六种先进堆技术，期望能从2030年代开始进行商业部署。人们对这六种技术给予很多关注，因为它们在极高的温度下运行。他说，陆地能源的IMSR运行温度为700℃，给汽轮机提供600℃的过热蒸汽，使系统核燃料的效率高达48 %。爱尔兰说，“传统反应堆长期停留在30 %左右，如果是小型的传统反应堆，或许根本达不到30 %”。

他解释说，“如果运行的温度更高，能更高效地发电，就能用核反应做更多事情。可以提供高质量的工业用热，用于工艺生产过程，与蒸汽发电相比有很大的不同，这几乎是目前核能的独特活动”。这种应用包括石化工艺，包括制氢、氨气、肥料、塑料生产，即能打开新的终端用户和收入来源。Irish说，工业热能还可以推动海水淡化，甚至生产合成燃料，帮助运输部门脱碳。

强调小型

核工业界解决与大型反应堆建造相关不确定性的方案，就是把它建得更小。这就是人们那么关注小型模块化反应堆(SMRs)和微堆的原因，SMR的功率在60-300MW，微堆通常只有10MW甚至更少。

超安全核能公司(USNC)总裁马克·米切尔(Mark Mitchell)说，“业主想要的，就是化石燃料电厂那样可调度的电力，既没有任何燃料采购的后勤麻烦，也没有任何通常与核相关的风险”。USNC正尽最大努力在加拿大将微堆技术商业化，而且在建成首台微型模块化反应堆(MMR)方面处于有利地位。MMR是5 MWe(15 MWt)的高温气冷反应堆设计，建在安大略省加拿大核实验室(CNL)乔克河科技园区，2026年前后建成。他告诉《电力》杂志，核能固有的灵活性，不仅使核能可担当分布式、热电联营生产者的新角色，还开辟了新市场,包括偏远地区以及新兴能源紧缺地区的“离网”应用,如非洲，一直对新核设施的复杂性犹豫不决。

通过创新，“重塑”现有核能

灵活性似乎也牢牢纳入许多现有核电站的运营范式。这种核电站传统上带“基荷”运行，也在努力应对电网需要的“起伏”。据核技术巨头法马通公司说，通过越来越多地采用数字化仪控(I&C)系统，部分地适应这种转变。

该公司去年12月告诉《电力》，“早先采用单片机的设备，现在多个房间可用更小的分布式程序包”。“因为人机工程学实体分离的考虑，提供了更高的安全性”。数字化I&C系统还可改进操纵员行动、减少监控、削减计划外停机次数，加强诊断，提高核电站的效率和经济效益”。还说，“数字设备可用于自动、远程诊断、分析和自捡功能，意味着电力公司可在停机大修和运行期间赢得时间，对控制设备的状态有更好的了解”。

图3. 法马通公司2019年春首次在美国Dominion公司米尔斯顿核电厂停堆大修期间，用它的超高压汽蚀喷丸装置对压力容器与主管道接管焊缝进行处理。因为直接装在内部表面上，特别适合修复这个部件，而与外部空间限制或剂量限制无关。

工具的进步也带来回报。例如，法马通公司2018年底推出了不锈钢围板固定螺栓超声波检测新方案，借以确保压力容器外围可拆卸围板扣紧。这个工具名为“猎鹰”(Falcon)，有了它，计划停堆大修期平均节省约30小时。与此同时，2019年春,这个公司还在美国康涅狄格州Dominion公司米尔斯顿核电厂，对反应堆压力容器主回路喷嘴采用了新的主管道焊缝超高压(UHP)汽蚀喷丸维修技术(图3)。“UHP气蚀喷丸处理可以延长核反应堆主设备、包括热端主接管段的寿命，最多可延长40年”。

最后，法马通公司还说，技术进步为利用核能开辟了“前所未有的新途径”。例如，最近布鲁斯电力公司、Kinectric工程咨询公司和法马通公司合作推进的项目，利用布鲁斯电力公司的反应堆，生产非常需要的医学同位素 镥-177，用于肿瘤靶向治疗。这个合作项目如获得监管和其他部门批准，能在2022年投产。法马通公司说，如果成功，既可“利用布鲁斯的多机组基地，稳定、充分供应镥-177几十年”，又可促进同位素生产系统的发展，支持其他同位素的生产。

资料与注释：

1. Sonal Patel，Innovation Propels Nuclear Power on New Trajectory，POWER，01/02/2020

2. INL has not publicly revealed the names of vendors associated with microreactor demonstrations. Westinghouse has said it is working with an associated team “to complete the design, testing, analysis and licensing to build a demonstration unit by 2022, test by 2023, and have the eVinci ready for commercial deployment by 2025.” It adds: “Although aggressive, Westinghouse believes it has the right strategy, skillset and lessons learned from previous experience in deploying first-of-a-kind nuclear technology to meet this target.” Westinghouse noted the DOE in March 2019 awarded the company and its team $12.9 million to accelerate the design, analysis and licensing of an eVinci nuclear demonstration unit so that it will be ready for construction and testing by 2023 under the agency’s First-of-a-Kind Nuclear Demonstration Readiness Project pathway

3. RDD&D，Research, Development, Demonstration and Deployment