小型反应堆发展现状及推广分析

2020-10-19 11:54  来源:中外能源    小型反应堆  SMR  核反应堆

小型反应堆因模块化建造、建造周期短、安全性能高、对电网要求不高、选址成本低、适应性强、多用途等优点, 未来具有较为广阔的发展空间。 按照技术路线的不同, 小型反应堆大体可分为轻水反应堆、气冷反应堆、液态金属冷却反应堆、熔盐反应堆。


小型反应堆因模块化建造、建造周期短、安全性能高、对电网要求不高、选址成本低、适应性强、多用途等优点, 未来具有较为广阔的发展空间。 按照技术路线的不同, 小型反应堆大体可分为轻水反应堆、气冷反应堆、液态金属冷却反应堆、熔盐反应堆。 目前全球有超过 45 个小堆的设计开发应用, 美、俄、中、韩等国走在了小堆研发及商业化推广的前列。 小型反应堆前期资金投入少, 后续扩容可以通过“ 以堆养堆” 的模式逐步投入建设资金, 财务风险大幅降低。 相比于大型反应堆, 小型反应堆的系统设备大幅简化, 运行维护成本较低。 通过联合生产模式, 小型反应堆还能提供各种非电力产品, 最大限度地利用闲置的电力和热能。 目前的小堆核电都处于初始阶段, 其发展还受到现行法规标准、乏燃料管理、单位功率造价成本以及公众可接受性等因素的制约。 应加快制定具有针对性的规范标准, 研究出台相关税费优惠及补贴措施, 同时加强核相关信息的宣传, 消除公众的核恐惧心理。

按照国际原子能机构(IAEA) 的定义, 电功率小于 300MW 的反应堆被划分为小型反应堆[1~3]。 小型反应堆因功率小、建造周期短、对电网要求不高、选址成本低、适应性强等优点[4~5], 受到越来越多核技术先进国家的重视,美国、俄罗斯、韩国、日本、法国 等国都在积极开展小型反应堆的研发工作。 IAEA 更是表示,鼓励发展和利用安全、经济、可靠的中小型反应堆[6],2004 年 6 月 IAEA 成立名为“ 革新型核反应堆” 的协作研究项目, 正式启动了中小型反应堆的开发计划,截至目前已有约 30 个成员[7]。 据统计, 全球所有中小型堆的总装机容量近 6×104MW,累计运行经验超过 5000 堆年[8]。根据美国法维翰调查咨询公司的预测, 到 2030 年全球小型模块式反应堆的装机容量将达到 18.2GW[ 9]。 各机构研究均表明,小型反应堆在未来几十年有很大的发展空间及前景。

1 小型反应堆国内外现状

俄罗斯于 1959 年建设的功率为 32MW 的核动力破冰船, 以及 20 世纪 60 年代服务于北极地区的ATU-15(15MW) 型反应堆供热站, 是小型反应堆和平应用的首批实例。 随着科学技术的发展, 按照技术路线的不同,世界范围内的小型反应堆大体可分为轻水反应堆、气冷反应堆、液态金属冷却反应堆、熔盐反应堆。 各种技术路线的小型反应堆代表堆型见表 1[10]。

其中轻水反应堆技术成熟, 有丰富的建设和运营经验; 气冷堆建设和运行经验不足, 且受外部条件和配套设施的制约; 液态金属冷却反应堆和熔盐堆在技术上尚未完全成熟。

国际先进核电国家技术优势明显, 有很好的基础帮助其扩大核能在多种领域的应用, 并提高在国际核能市场的竞争优势[11], 近几年纷纷调整未来发展战略, 将小型反应堆作为今后发展的重点方向之一, 并且已积极地投入到设计和科研中[12]。 目前全球有超过 45 个小堆的设计开发应用, 综合来看, 美国、俄罗斯、中国、韩国等走在了小堆研发及商业化推广的前列。 表 2 为从主要核电国家看小堆技术在全球的发展情况[13]。

美国能源部(DOE) 核能研究组负责领导的国际革新安全反应堆在固有安全性方面, 相对于传统堆型取得了明显的改善[14]。 DOE 为了更好地促进核电站长期部署的完成, 推广小型反应堆发展, 于 2018 年 12 月签署了首个关于小型模块化反应堆的备忘录[15]。 俄罗斯设计的 KLT-40S 浮动式发电机组以及阿根廷的 CAREM 先进小型核电机组目前也正在建造中[16]。 2012 年, 韩国原子能研究院自主研发的既可用于发电也可兼作海水淡化的一体化模块式反应堆 SMART 获得了标准设计合格证。 日本原子能机构开发了一体化压水堆 MRX[17]。清华大学自主研发的 HTR-PM 已进入调试阶段, 中核集团开发了一体化的核蒸汽供应系统反应堆 ACP100, 中国广核集团、国家电力投资集团公司对小堆也开展了一系列的前期工作[18~20]。

2 小型反应堆技术优势分析

小型反应堆之所以受到这么多国家的重视并参与开发,与其自身的特点是分不开的。 小型反应堆在技术上的优势主要集中在以下几个方面:

① 相对于大型反应堆, 小型反应堆普遍采用一体化设计建造的理念, 其系统大大简化, 结构相对而言也更紧凑,体积更小, 功率密度更低, 更易于反应性控制。 同时由于大多采用非能动安全系统, 固有安全性得到明显提高。

② 小型反应堆由于采用模块化设计且功率小,因而其用地面积较少, 对电网的适应性更强, 更加适合规模较小且不太稳定的电网, 或者对能源有需求的恶劣环境地区, 对厂址的要求以及厂址成本也相应要低[21], 如漂浮式小堆等均可以更好地灵活部署应用。

③ 与大型反应堆相比, 小型反应堆由于系统管道设备数量少、源项小、非能动设计等特性, 使得小型反应堆的应急计划区半径变小[22]。 同时小堆消除了较大的失去冷却剂事故的发生, 即使发生事故, 也不会造成放射性物质的大量释放, 事故响应时间裕量增大, 应急计划可进行一定的简化[23], 甚至具备取消场外应急的潜力[24]。

④ 小型反应堆采用独特的模块化设计, 电站可以实现按需建造, 通过改变小型模块化反应堆的数量灵活匹配装机容量, 也可以在建设前期就为后续机组扩容做好布置和规划。 比如目前国内建设的高温气冷堆核电站示范工程, 即为一个机组中连接两个反应堆模块[25]。 同时, 模块化也使得可移动式机组因分离方便而简化了退役流程[13]。

3小型反应堆的经济性分析

由于小型反应堆采用模块化建造, 建设的前期准备缩短, 现场施工的工作量转移到工厂中完成, 施工风险也大为降低, 现场施工和安装简化, 整个建造周期缩短, 大幅降低了建造成本。 相比大型反应堆而言, 施工可靠性得到了极大提升, 施工的时间成本也可节约 5~8 年[26]。

目前世界上大型核电站建设中一个无法绕开的难题就是初始资金投入较大, 而小型反应堆由于采用模块化设计, 使得核电建设投资可以采用“ 以堆养堆” 的模式进行。 机组后续扩容的规划和布置在前期建设时就已做好, 通过“ 以堆养堆” 逐步投入建设资金, 逐渐增加装机容量, 从而降低了资金受限对核电站建设的影响[27]。 “以堆养堆”模式降低了融资难度, 且前期投产项目的利润可以为后续机组扩容提供资金保障, 财务风险大幅降低, 增加了核能对潜在投资者的吸引力, 有利于小型反应堆的推广和普及。

小型反应堆的系统设备相比于大型反应堆有大幅简化, 因此系统运行维护成本较低。 同时小型反应堆运行模式灵活, 运行效率高, 减少了燃料的消耗成本,从而降低了整个反应堆的运行成本[28]。

通过联合生产模式, 小型反应堆除了用于发电的常规功能外, 还能提供各种非电力产品, 应用范围广泛,如工业供热、制氢、海水淡化、原油提纯、煤炭液化、热电联产等, 从而最大限度地利用了闲置的电力和热能,而这种利用的成本几乎为零。

4小型反应堆的市场需求分析

技术优势、经济性、市场需求是推动小型核电发展的真正因素, 而市场需求是最重要的一个。 目前全球范围内环境问题突出, 为减少对环境的污染,电力能源必将加速转型,大力发展清洁能源。 而核电与其他新能源相比, 可以大规模应用, 因此市场的需求也就更大。

核电始终把安全性放在首位, 在福岛核事故发生后,IAEA 再度提高了核电的安全目标, 对核电技术的升级提出了更高的要求, 整个核电行业的准入门槛也大幅提高。 在这种形势下, 大型反应堆想要脱颖而出的难度加大, 相对而言, 具有非能动安全功能的小型模块化反应堆却因为自身优势更能适应当前形势,也就有了更大的市场空间。

根据 IAEA 最新的统计数据, 发展中国家和地区正在逐步成为国际核电市场的中心[29]。 对发展中国家来说, 很多国家和地区的电力设施相对落后, 电网容量有限, 经济水平较差, 这些因素导致很多国家并不适合建设大型核电。 而小型反应堆的前期投入少, 建造周期短, 发电量也能够良好匹配当地电网, 在这样的国家或地区里, 发展小型核电站便成为一个实实在在的市场需求。

大型核电站在选址上的要求极其苛刻, 如偏远地区、海岛、远离水源地区等均不适合大型核电站建设。 但是小型反应堆对厂址要求低, 在以上地区发展小型核电也是一种符合市场需求的方案。

目前有些国家的电网已经出现大型核电机组参与调峰的现象, 以适应容量过剩的问题。 大型核电机组长时间地做低功率调峰运行, 经济性大大降低, 同时依据核安全的标准, 反应堆长期低功率运行是极不安全的。 电网容量过剩的地区, 建设小型反应堆能更好地适应电力调峰市场需求。

小型反应堆的应用领域也极其广泛, 如热电联产、海水淡化、核能制氢等。 以上领域的市场需求巨大,小型反应堆的联合生产模式刚好可以满足这些多样化的能源需求。

5 小型反应堆发展的制约因素

① 现行标准制度的制约。 由于目前国际核电相关法律法规标准等均是依托现有大型反应堆的 发展而制定的, 并没有针对小型反应堆这一新事物建立国际通用的法规标准, 这是制约小型反应堆推广的一个障碍。 虽然目前各国都在考虑制定小堆的许可标准和规范, 但是国家政策的不同, 会使在不同市场推广开发小堆面临各种不可预知的困难。 同时小型反应堆有其独特的技术特点, 如果套用大型核电站的各项规范标准, 将大大降低小型反应堆的竞争性。

② 乏燃料管理制约。 小型反应堆也会产生乏燃料, 但是小堆选址条件低, 厂址分布比大型反应堆更广,这些厂址中产生的乏燃料分布可能并不集中, 这就使得小型反应堆乏燃料管理变得复杂起来, 相应的资金投入将会更多, 这也限制了小型反应堆的发展。

③ 建造成本制约。 一般情况下,小型反应堆的功率密度要比大型反应堆低, 且人员配置、仪控系统等费用也要考虑在造价内。 若一个小型反应堆为

20 ×104kW, 一个大型反应堆为 100 ×104kW, 那么建造 5 个小型反应堆的总造价, 一般都要比建造 1 个同级别大型反应堆的造价高。 也就是说, 小型反应堆虽然前期资金投入降低, 但单位功率造价成本其实并不低。

④ 公众制约。 目前核电技术的宣传和普及度不够, 导致公众对核电的认识并不充分, 切尔诺贝利核事故及日本福岛核事故的发生, 让公众“ 谈核色变”。 而由于小型反应堆的特点,其建设地点一般距离居民区和生活区较近, 与公众之间物理距离的缩短,也使得公众对核的抵触心理更盛。

6结语

目前的小堆核电都处于初始阶段, 但有理由相信, 随着科技进步和成本降低, 小型反应堆核能系统的技术可行性、核安全性、开发经济性等方面都具有极大的优势。 然而, 小型反应堆核能系统要推向市场,不仅要经过原型堆和商业示范堆建设和运行的验证, 期间还将会受到现行相关法规标准、政策、乏燃料管理、公众可接受性等因素的制约。 应加快制定具有针对性的规范标准以及审批和监管程序, 研究出台相关税费优惠及补贴措施, 同时加强核相关信息的宣传, 消除公众的核恐惧心理, 以促进小型反应堆的产业发展。

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