全世界都关注SMR的原因

随着净零碳实践成为应对气候变化的当前课题,替代化石燃料的能源需求也越来越大。因此,除了各种可再生能源外,小型模块化反应堆(SMR)也备受关注。下面来了解一下SMR成为化石燃料替代能源的原因、技术现状和商用化需要解决的问题。

 

 

 

 

SMR成为化石燃料替代方案的原因是?

 

美国总统拜登当选时,提出了拜登经济学四大政策。其中之一就是应对气候变化,明确指出了“先进核能技术部署”(Deployment of Advanced Nuclear)。最近,拜登总统访韩时发表的与韩国在核能领域的合作中也强调了SMR。这不仅仅是美国的故事。最近媒体也频繁报道SMR,预测了SMR的耀眼前景,以及相关股票的上涨。

(左) 5月21日举行的韩美首脑会谈共同记者会
(右) 韩美首脑共同声明全文(来源:韩国政策简报)

 

 

SMR是Small Modular Reactor的缩写意为小型模块反应堆”。也就是说,SMR不是固有名词,而是普通名词,就像汽车的种类一样,SMR的种类也多种多样。小型意味着电力输出低于500MW(兆瓦),模块化是指由工厂制造、现场组装建设。考虑到现有的大型商用反应堆超过1000MW,建设至少需要10年,SMR虽然发电容量小,但其优点是3年内就能竣工。

 

但SMR与现有核电站相比,其安全性、实用性和经济性可能存在分歧。因为规模小不一定安全,安全性和实用性取决于设计。而且,从规模经济的角度来看,规模小可能很难确保经济性。“安全性、实用性、经济性”是SMR的一个设计目标,包含一些期望值。

 

 

 

那么,为什么SMR备受关注?那是为了应对气候危机。为了防止地球变暖必须减少温室气体排放不排放温室气体的无碳能源只有可再生能源和核能但是可再生能源根据环境的不同,发电效率千差万别,特别是对于韩国气候效果不大。使用可再生能源只是降低温室气体排放的手段之一。仅靠RE100倡议的100%使用可再生能源应对气候危机存在一定的局限性。为了真正实现碳中和,我们的目标是CF100(Carbon Free),100%使用包括核能在内的无碳能源。因此,作为无碳能源之一的核能被认为是克服气候危机所需的能源。

 

但大型核电站建设存在很多限制。最近的大型核电站发电容量超过1000MW。典型的核电站APR1400、EPR的发电容量分别达到1400MW和1800MW。考虑到济州岛整体电力需求为40MW,大型核电站一个机组的功率对某些国家来说可能太大了。此外,更换大容量电网的成本也很高,大型核电站项目需要3年以上的时间,因此私营企业很难投资。

 

SMR可以克服这些大型核电站的限制。目前全球有70多种SMR正在开发中。美国能源部表示,将在7年内投资32亿美元,加拿大、英国、中国也在积极开发SMR。另外,大部分SMR开发都有私营企业参与,因此实现的可能性也很高。

 

 

 

5月17日,SK Inc.和SK innovation与新一代SMR设计企业“泰拉能源(Terra Power)”签署了全面业务合作谅解备忘录(MOU)。SK集团计划将泰拉能源的新一代SMR技术和放射性同位素生产能力与SK的事业领域联系起来,发掘多种业务合作机会。通过此次合作,双方将推进共同技术开发合作、国内外进军及商用化合作,为确保韩国境内核电相关企业的SMR核心技术和培养新一代核电运营等相关产业做出贡献。

 

 

 

 

SMR技术开发现状如何?

 

开发SMR本身不是什么大问题。完成SMR的大部分技术已经投入应用。核潜艇或航空母舰上搭载的核反应堆也是一种小型核反应堆。问题是,能否按照目标“确保安全性、实用性和经济性”。为了确保安全性,必须安装防止危险因素的安全设备。如果从源头上消除风险因素,则无需安装安全设备,因此可以同时确保安全性和经济性。

 

为此,SMR通常在一体式容器内构建所有系统。与在外部暴露大型管道的大型核电站不同,SMR在反应堆容器内部安装了管道,可以从源头上防止冷却材料流失。反应堆只要有足够的冷却材料,就不会发生事故。另外,通过将反应堆容器本身浸入水中或通过自然对流充分冷却,操作员无需采取任何措施即可保持安全性。

 

 

 

SMR根据冷却材料具有不同的特点,冷却材料有轻水(由氢和氧组成的普通水)、液态金属(如钠)、熔盐(将常温下固体状态的盐熔化后的熔融体)等。

 

目前最有前景的SMR是NuScale Power公司基于轻水反应堆的SMR——NuScale和泰拉能源公司基于液态金属的SMR——Natrium。两家公司的产品因设计目的不同而存在差异,很难分出好坏。NuScale基于积累技术经验的轻水反应堆设计,许可相对容易。相反,Natrium的优点是将“铀235”和“铀238”在反应堆内转化为效率较高的原料“钚”用作燃料。而且还能焚烧乏燃料,即在反应堆中用作燃料后排放的高放射性废物“使用过后核燃料”。但由于积累的经验较少,许可上可能面临困难。

 

 

(左) NuScale Power的NuScale内部设计图和
(右)泰拉能源的Natrium内部设计图

 

 

 

 

SMR商用化还需要哪些课题?

 

SMR开发的关键是许可。2012年获得设计认证的世界首款SMR是韩国原子能研究院开发的SMART。但当时没有SMR专用管控体制,因此该核反应堆直接适用了大型商用核反应堆的管控体制,并以此接受了审查。结果是需要增加很多安全系统,失去了小型的优点和经济性。当然,它仍然比煤炭发电便宜,但错过了节约成本的机会。

 

相反,美国原子能管控委员会审查NuScale时,区分了应该适用于大型核反应堆但不适用于SMR的管控体制。这是为了避免管控妨碍技术革新。只有通过适当的管控,SMR才有可能实现其自身的各种可能性。此外,SMR必须在多个国家和地区、不同的环境条件下运行,因此还需要法规条件的国际化

 

核能是目前唯一没有经济负担就能解决人类面临的碳中和挑战的技术。SMR是实现这一目标的努力产物之一。许多国家关注SMR的原因可能是为了解决碳中和与经济负担。SMR开发不是难题。但是,确保目标的安全性和经济性需要付出很多努力。关键是要建立适合SMR的管控机制,为此,研究者和管控者需要进一步思考和沟通。