小型核反應(yīng)堆開創(chuàng)“核能新時(shí)代”

據(jù)報(bào)道，美國(guó)一位18歲的少年泰勒·威爾遜，不久前在美國(guó)加利福尼亞州舉辦的科技、娛樂、設(shè)計(jì)(TED)大會(huì)上展示了自己設(shè)計(jì)的小型核反應(yīng)堆。他設(shè)計(jì)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(bào)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(dòng)力。這種可以運(yùn)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(jì)的小型核反應(yīng)堆，用氣體而非蒸汽驅(qū)動(dòng)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(huì)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(jì)劃5年內(nèi)將他發(fā)明的反應(yīng)堆推向市場(chǎng)，他認(rèn)為“這不僅是為了對(duì)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(guó)際原子能機(jī)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(dòng)力裝置，簡(jiǎn)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(jiǎn)稱SMR(Small and Medium-sized Reactors)。

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

隨著全球核電發(fā)展，越來越多的國(guó)家開始關(guān)注小型堆的應(yīng)用。IAEA表示，將鼓勵(lì)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(shí)上，小型堆得到國(guó)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(yùn)用已經(jīng)開始了。其間，除了早期的研究實(shí)驗(yàn)堆以及標(biāo)準(zhǔn)的核電站以外，還建造了數(shù)百臺(tái)的小型堆用于海上艦船的推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)。可以說，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(yàn)。

據(jù)IAEA的最新統(tǒng)計(jì)，目前全球正在運(yùn)行的中小型堆共計(jì)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(guó)家有28個(gè)，所有這些中小型堆的總?cè)萘繛?.71萬兆瓦，累計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)達(dá)5082堆年。

小型核反應(yīng)堆的特點(diǎn)

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

在小型堆的設(shè)計(jì)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(qiáng)自身的固有安全性，并專門設(shè)置具有非能動(dòng)特征的安全系統(tǒng)，即非能動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施。這些堆型共同的特點(diǎn)在于較強(qiáng)的非能動(dòng)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(jì)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(jiǎn)化核電廠的系統(tǒng)，使電廠達(dá)到更高的安全級(jí)別，并且在遇到緊急事故時(shí)，可以有效的減少場(chǎng)外應(yīng)急措施和人為干預(yù)。

IAEA建議，在小型堆的設(shè)計(jì)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(jìng)爭(zhēng)力，從而更有利于小型堆在日后的推廣，有力開辟小型堆獨(dú)特的市場(chǎng)。其中包括：簡(jiǎn)化系統(tǒng)，或者利用非能動(dòng)系統(tǒng)和自動(dòng)運(yùn)行設(shè)備，削減運(yùn)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(bào);如果尚不具備具體的廠址條件，設(shè)計(jì)可利用參數(shù)的包絡(luò)性，在前期進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，從而達(dá)到盡早通過設(shè)計(jì)審核的目的;通過設(shè)計(jì)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)�；�生產(chǎn);模塊化建造縮小投資風(fēng)險(xiǎn)。

在設(shè)計(jì)中，應(yīng)更多的考慮小型堆核不擴(kuò)散的能力。進(jìn)而在國(guó)際上大力推廣小型堆的同時(shí)，又能保證供應(yīng)的核燃料不被用于軍事用途。核不擴(kuò)散能力主要依靠的是在設(shè)計(jì)中，通過技術(shù)方式、運(yùn)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(guó)家，尤其是發(fā)展中國(guó)家的能源問題，同時(shí)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(kuò)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(diǎn)和實(shí)際情況，設(shè)計(jì)成為無需現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)換料小型堆面對(duì)的主要是本國(guó)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(guó)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(jiǎn)潔方便的換料方式。

小型核反應(yīng)堆發(fā)展現(xiàn)狀

IAEA曾對(duì)小型堆的發(fā)展進(jìn)行過預(yù)測(cè)，估計(jì)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(jì)中，最為常用的技術(shù)是輕水堆。這主要是因?yàn)閿?shù)十年安全運(yùn)行輕水堆的經(jīng)驗(yàn)，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(jì)方面，大部分的技術(shù)都采用了“一體化”壓水堆設(shè)計(jì)，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(hào)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(dòng)安全系統(tǒng)的面世與成功推廣，“非能動(dòng)”的理念也深入貫徹到了現(xiàn)有的小型堆設(shè)計(jì)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(guó)家，尤其是不發(fā)達(dá)國(guó)家的青睞。

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