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先进堆示范高潮“即将来临”

2021-08-04 11:14:57 5e   作者: 镜清 编译  

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全球正在实施的先进堆项目的位置和状态(绿色,运行中;橘黄,取照中;蓝色,规划中;淡红,建造中)[1]

对先进核技术的普遍误解是,它们是概念性的,还不能及时商业化,为实现近期气候目标做出贡献。然而,全面审视全球发展先进核能的努力,就会发现它们在商业化和运行方面的快速进展。例如,在美国、加拿大等世界许多国家,许多项目正在进行,特别是在北美地区,最近制定的多项政策,支持先进堆的发展,完全有能力成为这个领域全球的领导者。其他地区的某些国家也在大胆地推进先进反应堆的开发、演示、部署和商业化项目,有些反应堆已经在建造或运行。美国为实现在先进核领域的领导地位,还需要加倍采取政策措施,支持先进反应堆的发展,包括加强政府与私营部门的伙伴关系,如先进堆示范规划(ARDP),继续推进核监管和许可框架的现代化,确保高含量低浓缩铀(HALEU)燃料的充足供应,并探索联邦政府采购先进堆技术的机会。

在北美地区,下一代核反应堆统称为“先进(反应)堆”,正朝着商业化方向取得重大进展,准备成为清洁能源的新工具。这些先进堆,或者是当今主要的反应堆技术即轻水堆(LWR)的进化,或者是非轻水堆设计,但自20世纪60年代以来一直在实验和有限的商业基础上运行,从未广泛应用。

今天是先进堆领域的分水岭,全球多个不同的设计,正在商业规模上进行演示。它们跨越多个技术、规模和目标应用领域。这些项目的开发时间表说明,许多先进的核能系统有可能在2020年代进行商业演示,在2030年代降低成本并大规模投入使用,以应对气候的挑战。 这些反应堆是为大规模生产设计的,通过模块化、设计简化和高水平的制造,降低建设风险。由于建设时间更短、建设风险较低,先进堆能通过技术学习,迅速降低成本。

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先进堆类型、规模与应用

美国

2020年是美国先进堆取得重大进展的一年。5月,能源部(DOE)启动先进堆示范规划(ARDP),截至2021财年,该计划为先进堆项目拨款4.8亿美元。 这个规划有下列三个不同的发展和示范路径:

●先进堆示范装置:奖励两个2027年前运行的全范围先进堆。DOE将在未来七年为泰拉能源/通用电气-三菱公司的内特瑞厄姆(Natrium)钠冷快堆和X-能源公司 Xe-100高温气冷堆(HTGR)项目投资32亿美元,其中包括一个熔盐储能系统。

●降低风险奖:支持未来10-14年内获得许可和部署的反应堆奖。 DOE预计将在七年内投资约6亿美元。 五名得奖者是:

■凯洛斯能源公司(Kairos)的小型试验堆赫耳墨斯(Hermes),是商用氟盐冷却高温堆的先驱;

■西屋电气公司的伊达芬奇(eVinci),热管式微堆;

■BWXT公司的先进核反应堆,便携式微堆;

■赫尔泰克公司(Holtec)的SMR-160,轻水冷却式反应堆;

■南方公司服务公司的熔盐氯化物反应堆实验装置,泰拉能源公司设计的熔盐氯化物快堆。

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美国凯洛斯能源公司(Kairos)KP-FHR型反应堆的艺术家想像[2]

●《2020年先进堆概念》(ARC 20)奖,是DOE支持的另一途径,旨在推进本世纪30年代中期有实现商业化潜力的设计。 获奖者是ARC清洁能源公司,正在开发一种地震隔离的先进钠冷堆; 通用原子公司(GA)的50 MW级模块式快堆概念设计; 麻省理工学院(MIT)的团队正在研究的卧式用于先进核能的高温气冷堆(HTGR)概念。 DOE预计将在四年内投资5600万美元。

美国国会还在年底的综合法案中,塞进了已通过的《2020年能源法案》(Energy Act of 2020),其中包括66亿美元巨款的授权资金,用于先进核能。 这个法案不仅批准未来五年ARDP的资金,还有个支持国内高含量低浓缩铀(HALEU)商用的规划。HALEU用于最先进反应堆的燃料组分,是大规模部署的必要条件。 此外,《2020年能源法案》授权的规划,侧重于核集成的能源系统,这对于演示非电力应用的核技术如制氢、工艺供热或除盐非常重要。 虽然国会仍需要为这些规划拨款,但这项授权为DOE提供了有用的指导,强烈表明先进堆是国会两党优先考虑的问题。

《2020年能源法案》中授权用于先进核能的资金的主要内容总结如下:

已授权的先进核能资金(2020年能源法案)
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到目前为止,多个ARDP获奖者宣布的示范场址在华盛顿州的里奇兰(Richland); 田纳西州的橡树岭(Oak Ridge);怀俄明州已退役的燃煤电厂;爱达荷国家实验室(INL)科技园区现场。

在商业示范的同时,美国防部(DOD)正在推进“堡垒”(Pele)项目,目标是在2024年之前设计、建造和演示一个移动式核反应堆原型。2021年3月,美国国防部宣布已选择BWX技术公司和X-能源公司完成移动式核反应堆原型的最终设计。 在2022年完成最终设计后,DOD可能选择一家公司建造其原型堆,预计在2023年底完成反应堆满功率试验,并在2024年在能源部的设施现场进行户外移动试验。

2020年还是美国先进堆颁证的重要里程碑。纽斯卡尔能源公司(NuScale)正在与犹他州联合市政电力系统(UAMPS)就无碳电力项目(CFPP)开展合作,并于2020年8月获得美国核管理委员会(NRC)颁发的小型模块化反应堆(SMR)首个设计许可证。 CFPP将位于爱达荷国家实验室(INL)现场,预计于2029年开始运行。 2020年,美国能源部拨款14亿美元支持这个项目的发展。

奥克洛能源公司(Oklo)也向NRC提交了第一份先进堆的联合许可申请。 Oklo的极光(Aurora)能源堡(Powerhouse)是个非轻水堆设计的微堆,也建在INL科技园区现场,预计在2023年至2025年之间投入使用。

加拿大

2020年12月,加拿大政府与全国主要利益攸关方共同启动加拿大SMR行动计划。 它建立在加拿大自然资源部(NRCAN)领导的2018年SMR路线图的基础上,通过与加拿大领土、各省、土著人民和社区、公用事业、供应商和国家实验室接触获得信息。加拿大的SMR行动计划,在SMR发展、示范和部署的关键领域提出了50多项建议,并以利益攸关方的关注为基础,确立具体的目标。

加拿大第一个先进堆项目是Global First电力公司在加拿大核实验室(CNL) 乔克河科技园区现场的15 MWt的微型模块堆(MMR)商用示范装置,核供应商是美国超安全核公司(USNC)。这个项目是CNL在它管理的现场建设和运营SMR规划的一部分,有四家公司参与其中,各处于不同的阶段。为首的开发者Global First是安大略省发电公司(OPG)和核供应商USNC的合资企业。 Global First已参与取照和环境评估过程,计划MMR示范装置2025年投入商业应用。

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加拿大MMR™核电机组反应堆安全厂房剖视图(反应堆压力容器大,是这种堆的特点)[3]

OPG还寻求在其达灵顿核电厂现场建造电网规模的SMR。这个现场已获得加拿大核安全委员会(CNSC)颁发的现场准备许可证。 OPG正在与三家核供应商推进工程和设计工作,它们是GE-H的BWRX-300、陆地能源公司(Terrestrial)的 IMSR和X-能源公司的Xe-100。OPG的目标是第一台机组尽早在2028年上网。

新布伦瑞克电力公司(NBP)是加拿大另一家公用事业公司,也在推进新一代核反应堆。 NBP正在与两家核供应商Moltex和ARC加拿大核公司合作,2020年代后期在普列斯特角核电厂(Point Lepreau)现场取照并建造先进堆核电装置。

马尼托巴省偏远的Pinawa社区,也同意向离网社区或采矿组织展示SMR的优势。 Pinawa是CNL管理的白壳实验室(Whiteshell)的所在地,这个核研发基地目前正在退役中。

俄罗斯

2019年12月,全球首个浮动商业SMR罗蒙诺索夫院士号(Akademik Lomonosov)接入电网。 船上的两个35MWe的KLT-40C反应堆,基于俄罗斯破冰船使用的技术,为俄罗斯远东地区的Chaun-Bilibino网络提供电力。俄罗斯国家原子能公司(Rosatom)2020年12月宣布,将在西伯利亚的萨哈共和国建造首个商用RITM-200型50MWe的反应堆,它是KLC-40C的升级版,目前用于俄罗斯最新破冰船。今年开始现场工作,预计2028年投入运行。

俄罗斯在快堆部署方面也有许多经验,在别洛亚尔斯克核电站就有两个商业规模的快堆:BN-600钠冷快堆(1980年开始运行)和BN-800(2016年开始运行),但燃料成分不同。Rosatom越来越把快堆视为俄罗斯核工业的未来,重点项目之一是Proryv(突破),力图展示核燃料闭环,以提高铀的利用率,减少核废物积累。

Proryv项目的关键部分是核反应堆研究所(MBIR)的150 MWt的多回路钠冷快堆,MOX燃料,能测试铅、铅铋和气体冷却剂。 这个堆正在季米特洛夫格勒RIAR内建造,计划2021年底投入运行。 RIAR还要在同一现场建造高温化学后处理设施,使核燃料闭环,整个项目与IAEA的国际创新核反应堆与燃料循环项目结盟,对国外合作持开放态度。

Proryv项目的另一部分是BREST OD-300、位于托木斯克地区Seversk的铅冷快堆。 现场准备工作于2020年开始,计划反应堆于2026年投入使用。

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Rosatom在托木斯克新建brest - odd -300快堆施工现场上空旗帜飘扬[4]

俄罗斯还计划在季米特洛夫格勒现场示范SVBR-100。它基于俄罗斯核潜艇上使用的铅铋反应堆设计。Rosatom和Irkutskenergo(西伯利亚能源公司)各占50%的合资建造,已获得项目的现场许可证。

其他国家

指英国、阿根廷、乌克兰,以及沙特阿拉伯等国。但更值得关注的是中国,正在开发两种球床式高温堆:清华大学开发的HTR-PM和中科院上海应用物理研究所开发的TMSR。

快速发展第四代核能,一直是中国过去两个五年计划的关键组成部分,很可能仍将是战略重点。就行动而言,一直走在世界前列的,是清华大学10 MWt的高温球床反应堆(HTR-10)和山东威海石岛湾核电站建设的两台100 MWe的HTR-PM装置。前者早在2003年就曾成功地投入运行;后者2021年1月开始热态功能测试,计划下半年上网发电。

中科院上海应用物理研究所开发的TMSR,甚至比美国凯洛斯能源公司(Kairos)的HFR还早,而且起点较高,能部署在沙漠地区,可缓解国家对能源安全的担忧;预计是世界上第一个破土动工的商用装置,不使用大量的水或蒸汽系统来冷却堆芯。

这个堆的设计额定功率100 MWe;其原型堆10 MWe即将建成调试,将为2030年计划建成的首个商用堆建设铺平道路。

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钍熔盐反应堆核能系统(TMSR) 原理图。反应堆容器高3m, 外径2.5 m;但包含蒸汽涡轮机等其他设备,整个核电厂较大。[5]

结语

许多国家承认核反应堆是提供低碳能源的一种方法,所以了解先进堆广泛发展的全球前景很重要。 终端用户国家对这套技术感兴趣,在于它能满足特定的需求;核供应商国家提供的产品,要有明显的市场优势。 美国的核技术,基础深厚,而且先进核工业已取得重大成就,但能否取得上个世纪60-70年代的辉煌,并不确定。

先进核技术和产品的前景,哪些国家和哪种技术会取得明显的市场优势,归根结底取决于产品的综合经济比较优势,地理位置的局域性是次要的。有些用户最初选中某种技术,也可能有某些局限性,但不影响最终的结果,上个世界60-70年代堆型选择的后果,有启示作用。

几个国家都在尝试“核燃料闭环”运行,这是个好兆头。核工业要取得广泛公众的认可,核安全和核废物处置安全至关重要,而且有可能开启经济无忧、安全进入“核时代”之门。

资料与注释:

1 Third Way, Advanced Reactors: Turning the Corner, Published June 16, 2021

2 ANS, TVA and Kairos partner on demonstration reactor, Nuclear News, May 6, 2021

3 Global First Power, Project Description for the Micro Modular Reactor™ Project at Chalk River, CRP-LIC-01-001, 2019/07/08

4 Darrell Proctor, Nuclear First—Work Starts on Russian Fast Neutron Reactor, POWER, Jun 8, 2021

5 David Dalton, Researchers ‘Unveil Design’ For Next-Generation Commercial Molten Salt Reactor, NUCNET, 22 July 2021




责任编辑: 李颖

标签: 先进堆 示范高潮

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