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美国非轻水反应堆的过去和现在

2021-06-15 15:11  来源:嘿嘿能源heypower    非轻水反应堆  核燃料循环  美国核电

20世纪中期,原子能委员会——当今美国能源部(DOE)和核管理委员会(NRC)的前身——投入了大量的时间和资源,以开发各种非轻水反应堆(Non-Light-Water Reactors,简称NLWR),并支持在美国各地建设不同容量规模的示范厂。在部分反应堆出现运行问题(例如科罗拉多州的Fort St.Vrain,HTGR)甚至发生严重事故(密歇根州的Fermi-1,SFR)后,部分业主弃用了这些反应堆。


20世纪中期,原子能委员会——当今美国能源部(DOE)和核管理委员会(NRC)的前身——投入了大量的时间和资源,以开发各种非轻水反应堆(Non-Light-Water Reactors,简称NLWR),并支持在美国各地建设不同容量规模的示范厂。在部分反应堆出现运行问题(例如科罗拉多州的Fort St.Vrain,HTGR)甚至发生严重事故(密歇根州的Fermi-1,SFR)后,部分业主弃用了这些反应堆。

尽管有这些失败案例,但DOE没有放弃各种类型NLWR及其燃料循环的研究和开发。1990年代,DOE发起了四代堆计划,目标是“开发和示范先进的核能系统,以满足未来对能源的安全、可持续、环境保护、经济、防扩散和实物保护等方面的需求”。虽然四代堆选择了六种类型的先进反应堆技术,但后续能源部主要支持了SFR和HTGR。

目前,在公共和私人提供的资金的支持下,许多处于不同开发阶段的NLWR项目正在实施中。在美国国会支持下,能源部正在推进几个新型NLWR的试验堆和示范堆。它正在设计和建造多功能试验反应堆(VTR),这是一种SFR,DOE希望在2026-2031年内投入运行。

VTR不是用来发电,而是为开发其他反应堆进行燃料和材料测试。2020年10月,为了在2027年前实现商业发电的示范,DOE选择了两个NLWR设计:Xe-100,76MWe,是一个容量较小的卵石床式HTGR;Natrium,345MWe,则基本上是一个具有发电生产单元的更大版本的VTR,也属于SFR。能源部还为两个较小的项目提供资金,以展示熔盐技术。此外,能源部、国防部和一家私营公司Oklo公司正在演示所谓微型反应堆,这些反应堆的容量不等,从1兆瓦到20兆瓦,预计将在今后几年内开始运作。一些大学也表示有兴趣为开展研究工作建造小型的NLWR。

国会需要为所有这些项目提供充足和持续的资金,才能取得成果。但这还远远没有得到保证,例如,迄今为止,为VTR提供的资金远远低于DOE的要求,根本不足以保证项目不被推迟。新反应堆的开发目标如果核电要在全球缓解气候变化中扮演更重要的角色,新设计的反应堆应该表现的比已有堆型的更安全、更安全、更经济。人们抨击今天的轻水堆(LWR)仍然难以抵御类似福岛核事故那样的事故,而且担心,为这些轻水堆提供低浓缩铀燃料的浓缩工厂可能被滥用,来生产用于核武器的高浓缩铀。

然而,开发在总体上明显优于LWR的新设计是一个艰巨的挑战,因为,在某个方面的改进可能会引发或加剧其他方面的问题。例如,在维持发电功率不变的前提下,增加反应堆堆芯物理尺寸,可以使反应堆发生事故时更容易冷却,但也可能增加投资和成本。

此外,单靠更好的反应堆设计无法解决核能发电面临的问题。同样重要的是,管理核电站及相关燃料循环基础设施的许可、建设和运营的监管体系。不适当的许可发放标准和监督,会损害设计方案改进后的安全性。需要考虑的一个关键因素,是监管机构所要求的冗余的安全水平有多大,冗余的安全水平被称为“防御纵深”,用来补偿这些几乎没有或完全没有运行经验的新型反应堆设计的不确定性。评价准则UCS考虑了三个宽泛的准则来评估NLWR和LWR的相对优点:安全性和实物保护、可持续性以及核扩散和核恐怖的风险。

在这里,UCS有一个要点没有考虑,即反应堆为工业应用提供高温工艺用热的能力——而有时这被认为是NLWR的主要优势。然而,到目前为止,潜在的工业用户对这些应用没有表现出多少兴趣,而且在全面的解决还悬而未决的安全、安保和可靠性问题之前,他们可能会继续警惕在其设施内同址建设核能装置。工业用户是否愿意承担反应堆核废料的管理成本和责任也值得怀疑。因此,UCS将产生高温工艺热能视为一个次要目标,这首先需要在安全和安保方面进行重大改进。

安全和安保风险是指反应堆和燃料循环设施容易遭受严重事故或恐怖袭击的影响的程度,这会导致放射性物质大量释放到环境中。常规的放射性排放也是一些设计的考虑因素。UCS的评估主要使用定性判断来比较反应堆的安全性,这是因为NLWR还没有与LWR相同准确性和严谨程度的定量的安全分析。与LWR积累了大量的操作数据相比,用于验证NLWR安全分析的数据要少得多。

在这里,可持续性与反应堆和燃料设施产生的,需要安全、长期处置的核废料数量,以及天然铀和钍的使用效率有关。可持续性指标可以量化,但通常具有很大的不确定性。为了说明这些不确定性,本报告认为,表征可持续性的参数,例如需要长期地质处置的含热超铀元素数量,必须降低为1/10或更低,才能达到显著提升的效果。

核扩散和核恐怖风险是指国家或恐怖主义集团从反应堆或燃料循环设施非法获得可用于核武器的材料的危险。采用一次通过燃料循环策略运行的LWR具有相对较低的核扩散风险。但是,任何进行乏燃料后处理和再循环的核燃料循环,都比不进行后处理的LWR的核扩散风险要大得多,因为后处理为钚(和其他可用于核武器的材料)的转移或盗窃提供了更多风险。对进行后处理的反应堆和燃料循环开展国际性安保和安全措施既昂贵又繁琐,而且也不能完全抵消可用于核武器的材料的分离引发的系统风险。

另外,使用高比例低浓缩铀而不是传统的浓缩程度更低的低浓铀,将增加核扩散风险,尽管程度远远低于使用钚或铀233。

对美国,核扩散不是一种危险,因为它已经拥有核武器,并被《核不扩散条约》定义为拥有核武器的国家。因此,虽然可以自愿,但它没有义务将核设施和核材料提交国际原子能机构(IAEA)核查。然而,美国开发反应堆确实影响了核不扩散,一是美国供应商在尝试向其他国家出口新反应堆,二是其他国家可能效仿美国的开发计划。美国有责任树立良好的国际榜样,确保自身涉核企业满足最高的核不扩散要求。

不是所有这些准则的权重都相等。UCS认为,目前,提高安全性和减少核扩散风险应该优先于提高可持续性。现在铀价额便宜,资源丰富,没有开发使用较少铀资源的反应堆的迫切需要。即便如此,减少铀矿开采的需求也会有益处,因为铀矿开采对工人和环境有害,而且历史上对弱势群体产生了很不利的影响。无论是由于资源枯竭还是加强了对职业健康和环境的保护,如果导致了铀的开采成本大幅增加,开发效率更高的反应堆可能会更加有用。UCS也没有分析NLWR取得比LWR更好经济性的潜力。虽然经济性是一个关键因素,并与上述准则相互关联,但经济性评价将取决于许多还没定论和高度不确定的问题,例如最终的设计细节、未来的监管要求和供应链的可用性。



图为技术

深圳核博会

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