BWRX-300或将成为世界水冷先进SMR首选

六月初，凯文·克拉克(Kevin Clark)在《电力工程》(Power Engineering)上发文[1]，报道了他对美国通用电气-日立核能公司(GEH)先进核能执行副总裁肖恩·塞克斯通(Sean Sexstone)的采访，说他们的BWRX-300技术设计，基于现有的“建造简易的反应堆”，使这种小型模块化反应堆(SMR)成为简单而廉价的市场进入者。塞克斯通说，“95%的工作已经完成，也许规模有点小，但已得到证实。”

BWRX-300有进一步发展核能的潜质

现在，越来越多的人认为，先进核能可在电网和其他行业的去碳化过程中发挥重要辅助作用。各家公司都在争先恐后地争取在本世纪30年代部署小型模块化反应堆(SMR)，而GEH的BWRX-300型SMR，有可能在2025～2030年间建成发电，成为世界最早流行的水冷先进SMR。

美国GEH公司对其BWRX-300型SMR设计抱有希望，这是该公司沸水堆设计的第十次演进。这个单机功率300MWe的BWR(沸水反应堆)设计，基于已获美国核管理委员会(NRC)许可的经济简化沸水堆(ESBWR)。

GEH先进核能执行副总裁肖恩·塞克斯通把BWRX-300称为“制造简单的反应堆”，因为它使用的设备和燃料与世界各地通用电气公司设计反应堆的设备和燃料相同。

塞克斯通说，“95%的工作已经完成。也许这个项目的规模稍小，但非常成熟。”GEH相信，这是BWRX-300能够成为最便宜、最快速、上市风险最小SMR的原因之一。

塞克斯通说，公司采用了ESBWR的基本设计并对其进行了简化，包括BWR技术中几项新的专设安全设施：原来认为，安全泄压阀是最有可能导致失去冷却剂事故(LOCA)的因素，因此在设计中取消了;隔离冷凝器系统(ICS)，是ASME BPV规范第III节第I类设备，提供超压保护。为了适应这些变化，设计压力比以前的BWR提高20%。GEH还采用整体式隔离阀，在事故情况下关闭隔离阀，以阻止冷却剂流失。

总体而言，由于它占地面积相当小，基建投资减少，选址更加灵活，被视为解决困扰大型核电项目成本超支问题的一剂良药。

塞克斯通说，GEH能消除ESBWR设计约90%的混凝土和钢材，使电厂的占地总面积小于一个足球场。该公司预计，与典型的水冷式SMR相比，BWRX-300每MWe的基建成本最多可降低60%。但是，尽管政策支持和市场对新核电的需求在增长，其经济性仍然令人“望而生畏”。

据国际能源咨询公司伍德麦肯兹(Wood Mackenzie)引用的行业估算，同类首台(FOAK)SMR的成本可能高达8,000美元/kWe，也可能低至6,000美元/kWe。分析师预计，在开发商建设项目初期，FOAK成本将处于这一范围的高端，甚至可能更高。

塞克斯通告诉《电力工程》，供应链伙伴关系将是成功的“关键”。他说，“如果我们要建造两三百个或更多BWRX-300型的核电厂，就必须建立非常好的合作伙伴关系，并且能够在加拿大、美国和全球扩展供应链。”

2023年3月，GEH宣布与加拿大安大略电力公司(OPG)、美国田纳西流域管理局(TVA)和波兰Synthos绿色能源公司(SGE)签订《技术合作协议》，旨在加快监管流程和部署。合作伙伴将总共投资约4亿美元，用于开发BWRX-300型SMR标准设计和关键部件(包括反应堆压力容器和内部构件)的详细设计。合作者正在组建设计中心工作组，目的是确保机组的标准设计可在美国、加拿大、波兰和其他国家部署。

塞克斯通说，“我们的目标是，一旦设定了标准，就不再改变。然后，就可在部署多个反应堆的过程中努力降低成本曲线。”他补充说，“我们必须做好头一两件事。”

安大略发电公司的目标是，先在其位于安大略省克拉林顿的达灵顿(Darlington)核电厂新项目现场部署BWRX-300。2023年1月，GEH、OPG、SNC-Lavalin和Aecon公司已签署商业合同。2022年，加拿大基础设施银行已承诺为这个项目提供9.7亿加元(约合7.13亿美元)资金，这是迄今为止该银行在清洁能源领域的最大一笔投资。

这将是北美第一个上网规模的SMR，目前正在进行场地准备工作。GEH预计将于2024年底获准开工，可能将于2028年底或2029年初建成投产。

图1. 安大略省能源部长托德·史密斯(左)和安大略省发电公司总裁兼首席执行官肯·哈特威克(右)宣布，计划在达灵顿再建三台BWRX-300机组。

塞克斯通说，“我们正在做施工现场准备，确定最终标准设计和厂址特征设计，提前订购施工专用设备，这对确保施工进度非常重要。”

2022年8月，TVA开始为可在田纳西州橡树岭附近的克林奇河场址部署BWRX-300进行规划和初步许可。2022年6月，萨斯喀彻温省电力公司宣布，它已选定BWRX-300，可能将于2030年代中期在萨斯喀彻温省部署。

GEH、NuScale和Holtec公司都在开发轻水冷却式SMR。正在开发的其他先进堆技术，使用非传统的冷却剂，包括液态金属、熔盐和气体等。

美国核能协会(NEI)首席核能官道格·特鲁(Doug True)说，“所有这些项目都已启动，政府和私营企业资助了新型设计的开发。对于这个行业来说，这是非常激动人心的时刻。”

另一个推动因素源自联邦政府的《通胀削减法案》(IRA)，它为先进堆和微堆提供慷慨的税收减免。这使得SMR对公用事业公司更具吸引力。特鲁说，NEI在2022年对美国公用事业公司首席核官员进行了调查，询问他们需要多少先进核电才能实现去碳化目标。他说，累计答复超过90GW。IRA通过之后，NEI更新了调查，发现大约增长10%，据说约需新型核电100GW。

从另一个角度来看，美国电力研究所(EPRI)的《先进反应堆路线图》引用的最新评估表明，未来10～20年，美国和加拿大部署先进堆的需求可与北美现有全部运行的核能容量相媲美，甚至可能会超过。

特鲁说：“挑战是存在的。但是，其他国家降低核反应堆成本的方法是善于建造核反应堆。通过建成第一批核电厂的过程获得经验教训，我们会变得越来越好。”

伍德麦肯兹公司的建模展示，如果到2030年成本降至120美元/MWh，在世界某些地区，SMR就能与压水堆(PWR)、天然气和煤炭(包括带减排和不带减排)发电的成本相竞争。

BWRX-300技术设计参数

BWRX-300是额定出力300MWe的水冷、主回路“自然循环”、采用简单、固有安全保护系统的SMR。它是第10代沸水反应堆(BWR)，代表自1955年通用电气开始开发核反应堆以来最简单，但最具创新的BWR设计。BWRX-300是美国NRC许可的1520MWe的ESBWR的演进版，是在严格遵循原子能机构纵深防御指导方针的理念下开发的。

下列BWRX-300型SMR的堆芯配置和主要技术参数，是GEH在2020年提供国际原子能机构(IAEA)发布的。详见参考资料[2]。

图2. BWRX-300型SMR的堆芯配置和主要技术参数

BWRX-300已通过加拿大核设计两阶段联合审查

GEH的BWRX-300设计，已经通过了加拿大核安全委员会(CNSC)供应商设计审查(VDR)过程的前两个阶段，标志着这个SMR设计取照不存在任何根本性的障碍[3]。

加拿大核监管机构的VDR程序是一种可选的预许可机制，允许CNSC工作人员在设计过程的早期向申请方提供反馈。虽然CNSC迄今已完成11个核能设计的VDR，但获准大多数通过的是三个阶段的第一阶段审查。完成第一阶段审查仅仅意味着，监管机构根据CNSC的最新要求，对供应商的核电站设计进行了评估。Moltex能源公司(SSR-W)、Holtec国际公司(SMR-160 PWR)、超安全核能公司(MMR，HGTR微堆)和陆地能源公司(IMSR)等几家小型堆设计公司的设计，都已通过了第一阶段的审查。

第二阶段涵盖与许可的潜在“基本”障碍相关的评估，第三阶段允许供应商“跟进”第二阶段发现的某些方面问题。迄今为止，只有AECL的ACR-1000、西屋电气的AP1000和加拿大坎杜能源公司的增强型Candu通过了前两个阶段的审查。

值得注意的是，GEH于2019年12月与CNSC达成协议，为其300 Mwe(870 MWt)沸水堆BWRX-300进行第一阶段和第二阶段的联合VDR。CNSC表示，“第一阶段和第二阶段合并VDR的目的是，确定GEH是否理解CNSC的监管要求，以及反应堆设计满足这些要求的程度。”

GEH指出，它于2020年首次向CNSC提交了对BWRX-300设计的审查，此后提交了19个VDR重点领域的文件，包括电厂概况、控制系统和设施、研究与开发以及设计过程。GEH先进核能执行副总裁肖恩·塞克斯通3月15日指出，“这些阶段的成功完成以及收到的SMR设计反馈，是这种技术部署的重要步骤。”

预许可步骤支持给达灵顿SMR颁发许可证

CNSC指出，联合审查基于200多份文件提供的信息。“CNSC的工作人员从这些信息中得出结论，GEH理解并正确解释了加拿大核电站设计监管要求的意图”。

然而它说，尽管CNSC工作人员没有确定许可的“根本性”障碍，但是“审查确实揭示了某些需要进一步开发的技术领域，以便GEH更好地证明遵守了CNSC的要求。”其中一项要求是，“BWRX-300的安全分析需要按程序进行，详细说明这些技术步骤。”

CNSC指出，它强调许多的“发现”和“技术澄清”会支持未来的许可申请，包括安大略发电公司在安大略省克拉灵顿达灵顿新核项目(DNNP) BWRX-300的部署。

OPG于2022年10月向CNSC提交建造开创性SMR型核电厂的许可证申请。2023年2月，OPG和GEH宣布与加拿大核电公司SNC-Lavalin和Aecon组成的合作伙伴，以支持该核电机组的部署。正如POWER网站报道的，两家公司的联盟协议是北美电网规模SMR的第一个此类协议，其宗旨在于解决与新建项目相关的施工复杂性、潜在的延误和成本超支问题，使之成为加拿大和美国首批商业化的SMR项目之一。

GEH在3月16日说，达灵顿SMR建设将于2028年底完成。这个项目的成功开发可以巩固在萨斯喀彻温省、新不伦瑞克省和阿尔伯塔省的潜在部署。GEH近期的其他潜在部署，包括田纳西州和波兰的项目。

值得注意的是，田纳西流域管理局(TVA)2022年8月就与GEH签署协议，开始规划并向NRC申请初步许可，在田纳西州橡树岭附近克林奇河场址部署BWRX-300。与此同时，CNSC和NRC于2022年9月批准了BWRX-300型 SMR设计许可审查中的监管和安全问题的合作备忘录。

图3. 美国TVA克林奇河厂址预留SMR设施的艺术想象

CNSC已为潜在的核扩张做好准备

据CNSC首席执行官鲁米娜·韦尔希(Rumina Velshi)说，监管机构的合作努力“改变了游戏规则”。韦尔希于2月24日在加拿大核协会2023年会上发表讲话说，CNSC和NRC一直在努力，“通过联合评估，利用他们的知识和经验。”“我们刚刚发表了第四份联合评估报告。”

韦尔希补充说，“虽然我们一直与美国NRC合作良好，但我们现在已经进入全新的合作阶段。”“随着我们进入授权阶段，我们正在为更大的合作奠定基础。我们还考虑到两家公司的近期和长期目标，制定了一项战略计划。”

CNSC最近与英国和波兰的核监管机构签署了类似的合作协议。值得注意的是，GEH于2022年12月正式向英国监管机构提交了通用设计评估(GDA)。与VDR类似，GDA是由英国核监管办公室(ONR)和环境局(EA)监督的非强制性监管程序，以确保新建核电站符合安全、安保和环境保护标准。

按照韦尔希的说法，CNSC合作努力的关键是“确保提议部署的SMR设计的数量得到良好的管理。”她说，在实现净零排放的努力中，这一点尤为重要。韦尔希指出，加拿大独立电力系统运营商(IESO)在2022年12月提出的脱碳路线图预计，安大略省可能需要多达17.8GWe的新核电供应。

图4. 科学与研究常务委员会(Standing Committee on Science and Research)于2023年2月向加拿大下议院提交的报告强调加拿大正在开发的新核项目。

她说，“从这个角度看，安大略省目前的核能发电装机总容量约为13GWe。需要强调的是，这只是安大略省的数据。而阿尔伯塔省、萨斯喀彻温省和新不伦瑞克省，也在考虑类似的新核电装机容量的指数增长。”韦尔希强调，“平衡”至关重要，这样CNSC和行业的努力才能得到适当的集中和优化。“监管机构不希望成为引进新技术的障碍。”

全球推建BWRX-300型先进SMR的前景

1. 据IAEA报告，近期全世界开发水冷SMR的技术设计达30多个[3]，但有广泛影响的堆型不多，影响最大的仍在北美。有近期顺利商业化建造前景，可能在20年代内建成发电的，也就是GEH的BWRX-300[4]。

2. BWRX-300型轻水冷却SMR设计的最简单描述是，额定功率300MWe、水冷、主冷却剂自然循环，并且设有非能动安全系统的先进SMR。与其他水冷式SMR设计或现有的大型核反应堆设计相比，它是成熟的、经多年运行BWR设计的简化，可显著降低基建成本，已经加拿大和美国核安全当局预审查，没有发现颁发许可的根本性障碍[5]。

3. 世界最早、最先选定建造BWRX-300型轻水冷却SMR的是加拿大。已经政府批准，并已签订商务合同，开展现场施工准备;已确定第一台机组的建成发电进度的是OPG的达灵顿核电站预留厂址，2028～2029年将建成并网发电;后续三台机组将建在同一厂址，续建时间是2034～2036年[5]。

4. 加拿大SaskPower公司2022年6月宣布，它已选定BWRX-300，或将于2030年代中期开工，部署在萨斯喀彻温省[6]。

5. 2023年2月23日，美国通用电气-日立核能公司、美国田纳西河谷管理局、加拿大安大略电力公司和波兰Synthos绿色能源公司代表三个国家，在华盛顿特区签署技术合作协议，投资开发BWRX-300标准设计和关键部件的详细设计，包括反应堆压力容器和反应堆内部部件。电力生产商还将组成一个设计中心工作组，旨在确保标准设计在多个司法管辖区可部署并获得许可。目的是提高BWRX-300设计的竞争力和可部署能力，使这个标准设计“一旦完成，可多次翻版”[7]。

6. 美国田纳西流域管理局已在2022年2月宣布，将在橡树岭附近的克林奇河现场准备BWRX-300的建设许可申请。根据3月23日三国四方联合发布的公告，美国田纳西流域管理局还在探索其服务区潜在SMR部署的其他地点[8]。

7. 在波兰，ORLEN合成绿色能源(SGE和PKN ORLEN的合资企业)及其合作伙伴通过向波兰国家原子能机构提交了BWRX-300评估申请，开始了预许可程序。波兰能源公司OSGE已经启动选址程序，计划在这十年内部署第一个机组，并有可能组建一个BWRX-300的堆群。就在不久前，加拿大核安全委员会和波兰国家原子能机构签署了一项协议，将合作进行SMR技术审查[7]。

8. GEH于2023年2月8日宣布，爱沙尼亚费米能源公司选定GEH的BWRX-300小型模块化反应堆，可能部署在该欧洲国家。费米能源公司是一家私人控股公司，成立的目的是调查在爱沙尼亚采用SMR的可能性。GEH和费米能源公司自2019年开始合作，双方达成协议，就BWRX-300的潜在部署应用程序进行合作。这种合作在2021年得到推进，双方达成合作协议，在许可支持和供应链开发等领域共同合作[9]。

为了支持BWRX-300的全球部署，GEH还与捷克、瑞典、英国等国的公司签订了谅解备忘录或其他协议。GEH还开始了在英国为BWRX-300的设计认证过程。

9. 2022年3月，Kärnfull Next公司与GEH就在瑞典部署BWRX-300签署谅解备忘录，目标是在2030年代初在瑞典一个新核电厂址运营第一个商用SMR[10]。

见解与思考

1. 全球核电发展的紧迫性和现实性，因俄乌“军事冲突”复杂化了，但2023年的气候危机现实与前景预测更令世人“不寒而栗”。能源转型的紧迫性促使世界各国认真看待核能的优劣，并作出抉择。“小堆能否支撑核能的新一轮规模化发展”[11]，取决于两个关键要素：经济成本和安全性。

2. 目前核能在世界能源转型中的地位是可再生能源的“补充”，而不是“主导”。因为核能的平准化成本中，燃料占比高达60～80%，而可再生能源的平准化成本接近“零”。

3. 三代和三代+核能，在中国和世界大多数地区，因技术和核安全处于劣势，而且仅限于起源国和国有体制(中国和法国)，很难推广和扭转;而在核能技术最发达的北美地区不可能再建AP1000和先进“坎杜”堆，其他肯作出这种决策的国家“凤毛麟角”。

4. 先进SMR和第四代核能研发“如火如荼”，最大的障碍是“示范”，安全不是问题。因为它们的“应急规划区”是“厂区围栏”或“核岛外墙”;最具说服力的理论是“确定论”而不是“概率论”。最关心“示范”的是国家和投资方，而不是用电的“客户”，而且能最早示范的是社会公众熟悉的先进水冷SMR(BWR，PWR)。至于第四代核能系统，大多在上个世纪50～70年代就已经初步示范过了，因为使用的冷却剂很“新鲜”，“示范”的关键是通过国家核安全监管机构的严格“审评”。

5. 先进核能研发“如火如荼”最具“诱惑力”的前景，是解决现代水冷堆“用过的”(乏)核燃料“后处理”和“再循环”演示成功，从根本上解决裂变核能的“核废料”问题，使先进核能的核燃料“平准化成本”也接近“零”，成为另一种“可再生能源”，可与太阳能、风能、水能及其他天然可再生能源相竞争……

参考资料与注释

[1] Kevin Clark, “We have to get this right”: GE Hitachi’s Sean Sexstone on new nuclear, Power Engineering, 6. 1. 2023.

[2] IAEA, Advances in Small Modular Reactor Technology Developments: A Supplement to: IAEA Advanced Reactors Information System (ARIS), 2020 Edition, September 2020.

[3] Sonal Patel, BWRX-300 Becomes First SMR to Clear Two Phases of Canadian Nuclear Design Review, POWER, Mar 16, 2023.

[4] David Appleyard, Building up speed for the SMR roll out, NEI, 12 April 2023.

[5] ANS, More BWRX-300 units to be deployed at Darlington, July 10, 2023.

[6] WNN, BWXT to manufacture BWRX-300 reactor vessel, 22 March 2023.

[7] ANS, GEH Nuclear Energy celebrates three-nation plan for BWRX-300 standard design, March 23, 2023.

[8] WNN, TVA, GEH cooperate on BWRX-300 deployment at Clinch River, 03 August 2022.

[9] ANS, Fermi Energia picks BWRX-300 SMR for Estonia, February 9, 2023.

[10] WNN, Kärnfull Next receives investment from climate tech fund, 07 July 2023.

[11] 马清远，小堆能否支撑核能的新一轮规模化发展?能源杂志，2023-07-03。