OECD发布小型模块化堆报告

2021-06-10 10:02  来源:核科技动态    小型模块化堆  SMR

2021年4月13日,经合组织核能机构(OECD/NEA)发布了题为“小型模块化堆:挑战与机遇”的研究报告。


2021年4月13日,经合组织核能机构(OECD/NEA)发布了题为“小型模块化堆:挑战与机遇”的研究报告。报告中将电功率介于300兆瓦和10兆瓦之间的反应堆定义为小堆(SMR),低于10兆瓦的反应堆定义为微堆(MMR)。SMR具有固有安全性高、结构简单、建造标准化以及灵活应用等特点,符合未来能源需求。SMR也越来越受到决策者、核电业主和能源行业分析者的关注。但是SMR仍面临很多阻碍其商业化等方面的问题。早在2011年和2016年OECD/NEA就发布过针对SMR的经济性和市场前景的报告。2017年和2019年,OECD/NEA又专门针对SMR的相关法规和监管问题组织了研讨会。此次报告是对前述报告和会议内容的总结,旨在进一步评估SMR在大规模部署和提高经济竞争力等方面面临的机遇与挑战。本文主要介绍SMR的发展概况、技术经济性特点以及各国的支持举措等。

1 SMR研发概况

为减少温室气体排放,核电将是总体能源结构中必不可少的一种能源。据国际能源署(IEA)可持续发展情景(SDS)预测,2020~2040年,核电发电量增长率将由目前的5 GW/年再翻一翻。但是,近年来新建核电项目工程拖期且成本不断上涨,使得公众和利益相关者对新核电项目建造缺少信心。SMR技术可解决近期核电项目中的一些问题,同时还能够扩大核能的作用,使整体能源结构脱碳。

SMR的设计可以有多种分类方式,此次OECD报告将SMR分为以下五类:①单机组轻水堆-SMR:采用成熟的轻水堆技术和燃料的独立机组,可替代小型化石燃料机组或部署为分布式发电机组;②多机组轻水堆-SMR:也采用轻水堆技术,可根据发电容量替代中型基本负载容量,也可以在分布式发电框架中运行;③可移动/可运输式SMR:目前采用轻水堆技术,目的是便于从一处转移到另一处,浮动堆属于此类别;④第四代(Gen IV)SMR:采用先进的非轻水堆技术,包括第四代核能系统国际论坛(GIF)认可的设计概念;⑤微型模块化反应堆(MMR):装机容量小于10 MWe的设计,通常能够半自主运行,相对于较大的SMR,其运输能力得到改善。MMR主要用于偏远地区的离网运行。这些SMR设计的技术成熟度(TRL)和许可成熟度(LRL)各不相同。

当今的SMR之所以受到关注,不仅因为其尺寸小,更是由于小尺寸带来的安全性、交付模型和商业案例等。商业化进程最快的小堆设计均基于已经积累数十年运行和监管经验的大型轻水堆设计。有一些设计正在建造中(如阿根廷的CAREM、中国的ACPR50S)或正在商业运行中(如俄罗斯的KLT-40S)。这些技术是世界范围内运行的二代和三代/三代加反应堆的小型进化变体,受益于其数十年的运行和监管经验。图1是某些反应堆设计与输出功率、堆芯出口温度和堆型的关系。最成熟的第四代设计是金属冷却和气体冷却系统,采用这些设计的一些机组目前正在运行或建造中。

目前,至少有72个SMR概念正处于不同的开发阶段(IAEA,2020年),较2018年增加了40%(IAEA,2018年)。表1列举了国际上处于开发阶段的代表性SMR,其中大约一半的设计概念基于LWR技术,另一半基于第四代概念。虽然“SMR”一词在世界各地被用来指所有小型反应堆设计,但主要类型的SMR之间仍存在显著差异,特别是在设计模块化程度方面。

 

2 SMR的技术经济特点

2.1 技术特点

SMR技术在尺寸上的缩小带来了大多数设计共有的几个有利特征:

(1)集成设计:堆芯的缩小能够支持集成设计。集成系统可以将核蒸汽供应系统(NSSS)的所有部件整合到一个容器中。在这种配置中,一回路容器内的一回路冷却剂总量明显大于传统外部回路配置中的总量,所以这种配置可以大幅度增加系统的热容量和热惯性。因此,这种配置增加了固有安全性,使系统运行和维护更简单。

(2)固有安全性:堆芯的缩小使得功率输出更低,同时得到了更高的表面积-体积比,这将提高非能动安全系统在正常运行工况和异常运行工况下的效率。例如,许多基于LWR的设计拥有非常大的水存量,用于非能动冷却系统。对非能动冷却系统的依赖程度更高,使得设计更加简化,运行和维护也更加简化。

(3)堆芯装载量更低:更少的堆芯装载量拥有厂内外优势。在厂内,需要的屏蔽更少,从而减少工人的受照剂量。在厂外,装载量减少、事故发生的概率降低、导致潜在放射性释放的能量减少,可以减少对应急规划区(EPZ)的需要。这些优势可使一些SMR能够置于更靠近需要能源的地方。

(4)模块化和可制造性得到改进:重量和尺寸直接决定了各种部件的制造、运输、提升和安装难易程度。SMR的尺寸较小,使其建造过程能够采用更宏大的模块化方案以及新的制造技术。

(5)灵活性增强:通过利用现有第二代反应堆的机动性能力(NEA,2012年),SMR可以通过固有的设计特征以及多机组机组的运行优化,实现负荷跟踪模式的增强。SMR的灵活性还包括其部署能力(如选址限制较少)和产品多样性(热电联产)。

以上技术特点对SMR的安全性、经济性乃至最终的市场竞争力都有重要影响。

2.2 关键经济驱动因素

系列化生产的优势在其他行业已经得到了充分证明,包括造船业和飞机制造业。为了实现工厂化系列生产,单个设计的市场必须足够大,而只有一小部分设计能够建立这种市场。

为了抵消规模小而带来的经济性劣势并提高竞争力,SMR的商业化需要实现系列化生产,系列化生产依赖于四个关键成本驱动因素:设计简化、标准化和模块化,同时最大限度地提高工厂化制造和最大限度地减少现场施工。

(1)设计简化。堆芯装载量减少能够增强非能动机制并提升设计集成度,其独特的物理特性能够简化SMR系统设计。新型SMR设计可能不再需要某些主动部件,例如反应堆冷却泵及其相关的辅助系统,这些主动冷却系统恰恰是大型LWR设计成本增加的原因。在SMR设计过程中简化安全系统,可以降低电厂复杂性从而降低总体资本成本。一些多机组SMR研发方也在考虑通过开发共享的电厂基础设施(例如共享的汽轮机厂房和控制室)来进一步简化。总之,SMR可以通过减少部件和系统的数量与规模直接转化为降低建造成本,也可以通过项目管理层面的效益间接转化为降低建造成本。

(2)标准化。SMR设计提供了更高水平的标准化。经证明,设计标准化及其随后的可重复性是降低大型反应堆成本的有效方法,因为它促进人们边做边学,并通过长期的新建造计划增加供应链的流动性。

(3)模块化和工厂建造。模块化是一种通过将装置分成可工厂制造、运输和现场组装的模块来简化施工的方式。尽管模块化施工已用于大型核电厂,但SMR可以进一步利用模块化施工的优势。特别是,模块化带来的成本降低可以通过在远离施工现场的专用工厂中建造或预组装模块来实现,因为在专用工厂中,劳动生产率和质量控制预计会更高,项目管理风险更低。模块化施工也可以产生间接效益,缩短施工工期并提高施工工期的可预测性,最终降低一些投资者预期的风险。工厂化制造可以带来额外的好处,特别是在现场很难部署的先进制造技术的应用方面。数字化的制造链可以进一步降低成本和缩短时间。

3 研究SMR的主要国家近况和国际举措

3.1 加拿大

2018年,加拿大发布了专门的SMR路线图,以便与地方、国家和国际利益相关方积极合作,促进SMR的开发。该路线图旨在促进创新,为核工业建立长期愿景,并评估了不同SMR设计的特征及其与加拿大需求和优先事项的一致性。该路线图的目标是就国家需求和优先事项开展全国性对话,以了解SMR的潜在价值,确定与使用SMR相关的一些关键问题及其潜在风险和挑战,并确定可能影响SMR可行性的一些政策。

此外,加拿大核安全委员会(CNSC)于2016年推出了一个新的可选择的预许可框架,以促进与创新型SMR研发方的合作。在这一新的许可框架下,10家SMR供应商目前正在参与预许可流程。Global First Power公司的5 MWe高温气冷微堆(HTGR MMR)正在参与许可流程,预计在2026年之前,在乔克河的加拿大国家实验室(CNL)建造和运行第一座示范装置。2019年7月,CNL还启动了加拿大核研究项目(CNRI),为与加拿大第三方支持者合作的SMR研究项目提供支持。

3.2 法国

自2019年以来,法国政府一直支持行业协会开发一体化SMR Nuward的基本设计。这种300~400 MWe的SMR设计主要是为了满足国际市场的需求,同时法国正在考虑建造示范性机组或同类别首个(FOAK)机组。该项目还积极促进国际合作,包括与西屋的合作。最近,作为其经济复苏计划“法国经济刺激计划”的一部分,法国政府已拨款1亿欧元支持Nuward基本设计的开发。

3.3 俄罗斯

继同类别首个浮动式核电厂“罗蒙诺索夫院士号”投入商业运营后,俄罗斯国家原子能公司(Rosatom)计划在圣彼得堡的波罗的海造船厂建造更多浮动式SMR。与此同时,该公司一直在开发下一代SMR,即RITM-200反应堆,用于浮动式部署和陆上部署。系列化建造可能在2030年之前开始。

3.4 美国

自2012年以来,美国能源部(DOE)SMR许可技术支持(LTS)项目向NuScale公司提供了2.17亿美元的政府配套资金支持。2015年,美国政府向NuScale公司又提供了1 660万美元的支持,用于与其第一个潜在客户——犹他州联合市政电力系统公司(UAMPS)合作准备建造和运营许可证申请(COLA)。DOE还在推动建造第一台NuScale示范机组,该机组可以安装在爱达荷国家实验室(INL)的场址。2020年8月,NuScale概念成为第一个获得美国核管会(NRC)设计批准的SMR设计。由于公众对NuScale公司的持续支持,DOE授予了14亿美元的额外费用分摊奖,以支持第一个示范装置的建造。

与此同时,DOE正在为包括初创公司在内的私营供应商开发的创新型SMR概念提供支持。2015年,DOE启动了“加速核创新通道”(GAIN)计划,该计划旨在帮助SMR供应商使用美国国家实验室的研发基础设施。

2019年,DOE宣布在INL启动国家反应堆创新中心(NRIC),旨在为技术研发方的反应堆概念测试和示范提供支持,从而协助私营部门开发先进的核能技术。2020年启动了先进堆示范项目(ARDP)。这一新举措对SMR和大型反应堆开放,旨在支持预计将在授予拨款后七年内全面部署的近期先进设计的示范,以及预计将在2030年及以后全面部署的早期设计的示范。该项目的预算拨款总额为2.3亿美元。第一批被选中的设计是Xe-100和Natrium,这两种设计在2020年10月都获得了8 000万美元。

DOE还通过先进能源研究计划署(ARPA-E)支持更多先进SMR概念。该项目特别侧重于微型模块化反应堆(MMR)。

此外,美国政府正在通过立法框架改革来支持SMR。例如,2018年《核能创新和现代化法案》(NEIMA)促进了国家研发基础设施的使用,并支持美国NRC在使认证过程适应SMR的特殊性方面的作用。

此外,美国NRC还发布了一份关于其审查先进非轻水堆技术许可申请战略的白皮书草案(NRC,2019年)。到2019年年中,六座反应堆的设计单位已通知NRC,其打算寻求设计批准。这些反应堆包括三座熔盐堆(MSR)、一座高温堆(HTR)、一座钠冷快堆(SFR)和西屋公司的eVinci热管反应堆。

3.5 英国

2015年,英国邀请供应商提交满足国家能源需求和工业潜力的建议书,以支持SMR和先进的反应堆设计。2019年7月,英国政府承诺投入1 800万英镑作为产业战略挑战基金的一部分,以支持由罗尔斯•罗伊斯公司牵头财团提议的英国SMR的开发。在2020年11月发布的绿色工业革命“十点计划”中,英国政府宣布额外拨款2.15亿英镑用于开发这一国内SMR设计。

英国商业、能源及工业战略部(BEIS)也承诺投入高达4 400万英镑用于先进模块化反应堆可行性和开发项目。第1阶段已完成八座第四代(Gen IV)SMR的可行性研究。第2阶段已经选定了三种设计,每种设计将额外获得1 000万英镑。此外,还可能向监管机构提供500万英镑,以支持这一举措。最近的国家基础设施战略为该举措的预算额外拨款1.7亿英镑。

目前政府对SMR部署的支持主要体现在四个关键领域:①提供长期政策支持,促进政府、私营部门和社区各级利益相关者之间的讨论;②在设计和开发阶段鼓励国内研发计划,包括利用国家研发基础设施和其他支持进行研发的机制;③进一步审查许可框架,促使SMR设计尽快示范;④为建造示范机组或FOAK机组提供财政支持。



深圳核博会

图为技术


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