小型核反應(yīng)堆開創(chuàng)“核能新時代”

據(jù)報道，美國一位18歲的少年泰勒·威爾遜，不久前在美國加利福尼亞州舉辦的科技、娛樂、設(shè)計(TED)大會上展示了自己設(shè)計的小型核反應(yīng)堆。他設(shè)計的小型核反應(yīng)堆功率為50—100兆瓦，足夠10萬戶家庭使用，有望將舊原子武器中的廢料轉(zhuǎn)化成民用能源，供應(yīng)民用和商用，甚至在太空中使用。

法新社援引威爾遜的話報道，這種反應(yīng)堆可在流水線上生產(chǎn)，以核武器中熔融的放射性物質(zhì)為動力。這種可以運輸?shù)男⌒湍�塊反應(yīng)堆，密封入足夠燃料后，能夠持續(xù)作用30年。

威爾遜設(shè)計的小型核反應(yīng)堆，用氣體而非蒸汽驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)，意味著反應(yīng)堆系統(tǒng)的溫度低于傳統(tǒng)核反應(yīng)堆，一旦出現(xiàn)缺口，不會噴出任何東西。此外，反應(yīng)堆的燃料是熔鹽，不需要增壓。這使得小型核反應(yīng)堆更加安全。

威爾遜計劃5年內(nèi)將他發(fā)明的反應(yīng)堆推向市場，他認(rèn)為“這不僅是為了對抗氣候變化，還能給發(fā)展中世界帶來能源”。

什么是小型核反應(yīng)堆

國際原子能機構(gòu)(IAEA)將小型核反應(yīng)堆定義為發(fā)電功率小于300兆瓦的核反應(yīng)堆動力裝置，簡稱小型堆。發(fā)電功率在300—600兆瓦間的被定義為中型反應(yīng)堆，兩者可以統(tǒng)稱為中小型核反應(yīng)堆，英文簡稱SMR(Small and Medium-sized Reactors)。

采用模塊化設(shè)計、設(shè)備系統(tǒng)模塊化工廠預(yù)制和現(xiàn)場模塊化組裝建設(shè)的小型堆，稱作模塊化小型堆，英文簡稱也是SMR(Small Modular Reactors)。有時候，SMR這兩種定義會被混淆。

隨著全球核電發(fā)展，越來越多的國家開始關(guān)注小型堆的應(yīng)用。IAEA表示，將鼓勵發(fā)展和利用安全、可靠、經(jīng)濟(jì)上可行的中小型反應(yīng)堆。事實上，小型堆得到國際重視和集中研發(fā)始于本世紀(jì)初期，但在上世紀(jì)五六十年代，中小型堆的運用已經(jīng)開始了。其間，除了早期的研究實驗堆以及標(biāo)準(zhǔn)的核電站以外，還建造了數(shù)百臺的小型堆用于海上艦船的推進(jìn)動力系統(tǒng)�？梢哉f，小型堆的研發(fā)和建設(shè)已經(jīng)積累了大量的工程技術(shù)經(jīng)驗。

據(jù)IAEA的最新統(tǒng)計，目前全球正在運行的中小型堆共計132座，其中中型堆106座，小型堆26座，正在建造中的有13座。擁有中小型堆的國家有28個，所有這些中小型堆的總?cè)萘繛?.71萬兆瓦，累計運行經(jīng)驗達(dá)5082堆年。

小型核反應(yīng)堆的特點

IAEA在分析了各國已研發(fā)和正在研發(fā)的小型堆后，對這種堆型的特點進(jìn)行了評估總結(jié)。IAEA認(rèn)為，小型堆在安全性、經(jīng)濟(jì)性、核不擴散能力以及無需現(xiàn)場換料的能力方面，具有較大的優(yōu)勢。

在小型堆的設(shè)計中，為了保證反應(yīng)堆的安全性，幾乎所有的小型堆都在尋求加強自身的固有安全性，并專門設(shè)置具有非能動特征的安全系統(tǒng)，即非能動專設(shè)安全設(shè)施。這些堆型共同的特點在于較強的非能動余熱排出能力和更低的堆芯功率密度。此外，小型堆的設(shè)計目標(biāo)還著重于從根源上消除事故的發(fā)生，例如，通過取消一回路主管道，從而消除反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)失水事故(LOCA)。這些措施有助于簡化核電廠的系統(tǒng)，使電廠達(dá)到更高的安全級別，并且在遇到緊急事故時，可以有效的減少場外應(yīng)急措施和人為干預(yù)。

IAEA建議，在小型堆的設(shè)計過程中，應(yīng)該更多的考慮到小型堆的經(jīng)濟(jì)性，從而提高與其他能源以及大型反應(yīng)堆的競爭力，從而更有利于小型堆在日后的推廣，有力開辟小型堆獨特的市場。其中包括：簡化系統(tǒng)，或者利用非能動系統(tǒng)和自動運行設(shè)備，削減運行和維修過程中的成本;縮短建造周期、減少土建成本，盡早得到投資回報;如果尚不具備具體的廠址條件，設(shè)計可利用參數(shù)的包絡(luò)性，在前期進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，從而達(dá)到盡早通過設(shè)計審核的目的;通過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品系列化，統(tǒng)一結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn);模塊化建造縮小投資風(fēng)險。

在設(shè)計中，應(yīng)更多的考慮小型堆核不擴散的能力。進(jìn)而在國際上大力推廣小型堆的同時，又能保證供應(yīng)的核燃料不被用于軍事用途。核不擴散能力主要依靠的是在設(shè)計中，通過技術(shù)方式、運行模式和外部特征，預(yù)防在未經(jīng)允許的情況下，挪用核燃料的行為。IAEA期望，通過小型堆的推廣，一方面解決一些國家，尤其是發(fā)展中國家的能源問題，同時又能保證這些核燃料不被用于核武器等軍事用途，即在和平利用原子能的方針下，使核不擴散協(xié)議得到有效可靠的執(zhí)行。

在小型堆的發(fā)展過程中，IAEA建議部分小型堆可以根據(jù)自身特點和實際情況，設(shè)計成為無需現(xiàn)場換料的小型反應(yīng)堆(Small Reactors without On-site Refuelling)，又稱為電池式反應(yīng)堆。無現(xiàn)場換料小型堆面對的主要是本國核燃料循環(huán)和廢物處理技術(shù)尚不成熟，或者不愿意承擔(dān)建設(shè)較為高昂的燃料供應(yīng)循環(huán)體系的國家。采用了這種反應(yīng)堆可以通過將整套燃料循環(huán)服務(wù)外包的方式，尋求到一種較為簡潔方便的換料方式。

小型核反應(yīng)堆發(fā)展現(xiàn)狀

IAEA曾對小型堆的發(fā)展進(jìn)行過預(yù)測，估計在2030年全球?qū)⒔ㄔO(shè)43—96座小型堆。根據(jù)技術(shù)種類進(jìn)行劃分，小型堆可以分為四種形式，即輕水堆、高溫氣冷堆、液態(tài)金屬反應(yīng)堆和熔鹽堆。

輕水堆 在現(xiàn)有的小型堆設(shè)計中，最為常用的技術(shù)是輕水堆。這主要是因為數(shù)十年安全運行輕水堆的經(jīng)驗，使得這種反應(yīng)堆在安全性能方面更具保障性。在核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計方面，大部分的技術(shù)都采用了“一體化”壓水堆設(shè)計，即將一回路的設(shè)備全部集中布置于壓力容器內(nèi);也有少數(shù)幾種型號的反應(yīng)堆，選擇將蒸汽發(fā)生器或者蒸汽發(fā)生器的一部分(如汽水分離器)放置于壓力容器外。

此外，隨著西屋公司的AP1000非能動安全系統(tǒng)的面世與成功推廣，“非能動”的理念也深入貫徹到了現(xiàn)有的小型堆設(shè)計中。在經(jīng)濟(jì)性方面，輕水堆也以較低的初始投入與較少的投資總額受到發(fā)展中國家，尤其是不發(fā)達(dá)國家的青睞。

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