小型模塊堆(SMR)的設(shè)計發(fā)電量不足300 MW，而常規(guī)反應(yīng)堆一般在1000至1600 MW之間。
核工業(yè)界一直在努力推動SMR的發(fā)展，據(jù)說是為了應(yīng)對氣候變化問題。但對于氣候變化問題，SMR真的有用嗎?
要回答以上問題，有兩個因素最為重要——時間和成本。
輕水堆在一般技術(shù)和設(shè)計原則上與美國現(xiàn)今的動力堆相同，從理論上講，輕水堆難度較低，結(jié)構(gòu)也更為簡單。
而且燃料設(shè)計也有不同之處，如設(shè)計為固態(tài)球形，像沙子一樣穿過反應(yīng)堆堆芯，或熔融材料流過堆芯;慢化劑如石墨;冷卻劑如氦、液態(tài)鈉或熔融鹽。
但是在這兩方面，SMR的前景都很差。
1、經(jīng)濟與規(guī)模
由于規(guī)模經(jīng)濟的原因，常規(guī)反應(yīng)堆一般很大。而且建造一個三倍于SMR功率的常規(guī)反應(yīng)堆，不需要三倍于SMR的鋼材或三倍于SMR的人工費用。也正是SMR的這種缺點，導(dǎo)致在上個世紀五六十年代美國建造的許多小型反應(yīng)堆提前關(guān)閉。
SMR的支持者聲稱，模塊化和工廠化制造可以彌補SMR在經(jīng)濟方面的不足。大規(guī)模生產(chǎn)反應(yīng)堆部件并在裝配線上進行制造將降低成本。
此外，每千瓦的比較成本意味著每個小反應(yīng)堆的成本要低得多，從而降低了采購商的總體資本要求。
不過，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)并不是那么一帆風順的。
即使對制造商提高生產(chǎn)效率和降低成本作出樂觀的假設(shè)，制造成千上萬臺SMR(與大型反應(yīng)堆相比，價格會更高)也必須按照SMR與大型反應(yīng)堆每千瓦的比較成本進行。
如果從歷史發(fā)展來看，SMR每千瓦的成本可能根本降不下來。就整個核工業(yè)界而言，包括美國和法國這兩個擁有最多核電站的國家——總體而言，建造新堆比舊堆會更加昂貴。
盡管由于規(guī)模小得多，每臺SMR的成本會更低，但幾個反應(yīng)堆通常會安裝在一個地點，從而再次提高了采購商的項目總成本。
2、規(guī)模化生產(chǎn)
如果批量生產(chǎn)的反應(yīng)堆出現(xiàn)錯誤導(dǎo)致安全問題，那么整批次可能都必須召回——就像波音737 MAX和波音787夢想客機一樣。
但如何召回放射性反應(yīng)堆呢?如果一個電力系統(tǒng)需要召回完全相同的反應(yīng)堆，會發(fā)生什么?
核工業(yè)界或政府還沒有解決這些問題——事實上，以上問題都還沒有被注意到。然而，從智能手機到噴氣式飛機，“召回”是規(guī)模制造的一個可預(yù)測且一貫的特征。
這個問題不僅僅是理論上的。
壓水堆的一大經(jīng)濟問題是，通常采用輕水SMR的設(shè)計，包括已獲得核管理委員會有條件認證的紐斯凱爾(NuScale)的設(shè)計，需要提前更換蒸汽發(fā)生器——大型，昂貴的熱交換器，將反應(yīng)堆的高壓熱水轉(zhuǎn)化為驅(qū)動汽輪發(fā)電機的蒸汽。
在過去的十年里，這些問題導(dǎo)致了南加州圣奧諾弗雷(San Onofre)的兩座反應(yīng)堆和佛羅里達州水晶河(Crystal River)的一座反應(yīng)堆永久關(guān)閉。
一些SMR輕水堆設(shè)計會將蒸汽發(fā)生器放置在反應(yīng)堆容器內(nèi)，很難更換，一旦蒸汽發(fā)生器出現(xiàn)問題可能導(dǎo)致反應(yīng)堆永久性停堆。
我們已經(jīng)看到了模塊化結(jié)構(gòu)的問題。這是西屋AP1000反應(yīng)堆設(shè)計的一個核心方面，然而在美國和中國建造的AP1000反應(yīng)堆已經(jīng)出現(xiàn)了重大的建設(shè)成本超支和進度延誤。
2015年，佐治亞州公共服務(wù)委員會(GeorgiaPublic Service Commission)一名前員工對《華爾街日報》(Wall Street Journal)表示，“模塊堆建設(shè)尚未達到公用事業(yè)公司承諾的目標。”
規(guī)模化制造的需要也造成了雞和蛋的經(jīng)濟問題。沒有這些工廠，SMR永遠無法實現(xiàn)理論上的成本降低——這正是彌補規(guī)模經(jīng)濟不足的戰(zhàn)略核心。但如果沒有成本的降低，就不會有大量的訂單來刺激首先建立供應(yīng)鏈所需的投資。
3、SMR的業(yè)績
SMR迄今為止的業(yè)績顯示了其慘淡的前景。
愛達荷州一個采用NuScale設(shè)計的擬建項目，在混凝土澆筑之前，總成本就已從2015年的30億美元左右上升到2020年的61億美元。
這種模式也適用于其他類似的SMR概念，尤其是那些不基于輕水反應(yīng)堆的概念。例如，一直在擬議中的鈉反應(yīng)堆(45 MW，比SMR稍大，通過鈉冷卻)，自1950年以來全世界在研究上就花費了1000億美元，但鈉冷堆在全球范圍內(nèi)一直沒有商業(yè)動靜。
獲得此類設(shè)計的安全批準可能需要更長的時間，而且成本更高。在許多情況下，即使建立認證程序也需要數(shù)年時間，因為每種設(shè)計類型的安全和事故模式不同。
例如，高溫氣體石墨堆最大的風險不是堆芯熔毀，而是火災(zāi)。
NuScale 的SMR雖然采用了常規(guī)輕水堆設(shè)計，但僅用于開發(fā)和認證階段的預(yù)計成本就達到15億美元。新的非輕水設(shè)計很可能費用更高，從概念階段到許可證審查和批準階段也會需要更長的時間。
對于SMR，保持與目前大型反應(yīng)堆相同的發(fā)電成本將非常困難——鑒于大型反應(yīng)堆的高成本，SMR的經(jīng)濟性研發(fā)也困難重重。
風能和太陽能發(fā)電的成本一直在下降，而且預(yù)計下降幅度會更大。
華爾街金融咨詢公司Lazard估計，公用事業(yè)規(guī)模的太陽能和風能成本約為每兆瓦時40美元。核能是這一數(shù)字的四倍——約為每兆瓦時160美元——這一成本差額足以彌補太陽能和風能的間歇性問題。
SMR的支持者認為，核能可能是對不穩(wěn)定電源的一種適當補充，例如風力或光伏發(fā)電，這些能源在電網(wǎng)中的份額一直在增加。
但這樣的部署也有巨大的風險。
核反應(yīng)堆，無論大小，都不太適合應(yīng)對電力波動問題，因為它們具有較高的固定成本(資本)和較低的可變成本(燃料和維護)。
這就是核電站被用作基本負荷電源的原因——一般將固定成本分攤到最大千瓦時數(shù)上，總體成本就顯得較低。而應(yīng)對電力波動問題意味著核能只承擔部分負荷需求，成本是增加的。
利用SMR的高溫等淡化海水或制造氫氣也不經(jīng)濟，最重要的是，能源供應(yīng)成本也高。
4、SMR與氣候危機
如今，氣候問題迫在眉睫。政府間氣候變化專門委員會和其他國際機構(gòu)警告說，為阻止氣候變化造成的不可逆轉(zhuǎn)的損害，我們需要在未來十年內(nèi)大幅減少排放。
但是，在未來十年，SMR的貢獻基本為零。
SMR的前景也很黯淡，因為第一條供應(yīng)鏈在現(xiàn)場建成、測試和驗證之后，整個供應(yīng)鏈才能建立起來。
自上個世紀以來，美國能源部一直在開發(fā)SMR。2001年，美國能源部核能辦公室預(yù)測，有近10種SMR設(shè)計“具有經(jīng)濟潛力，只要解決某些技術(shù)和許可問題就可以在本十年結(jié)束前投入使用”。
在這一樂觀的想法過去近20年后，最早的官方預(yù)計部署日期僅為2029年至2030年，不過這個日期也是非常不確定的，因為核管理委員會的反應(yīng)堆保障咨詢委在其中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了諸多嚴重的安全問題。在任何電力公司申請建造SMR之前，這些問題都必須得到解決。
SMR占用了寶貴的公共資金。例如，聯(lián)邦政府已經(jīng)為NuScale的SMR設(shè)計開發(fā)提供了至少3.14億美元的資金，據(jù)報道，聯(lián)邦政府還同意投入3.5億美元的新配套資金。
Babcock&Wilcox從能源部獲取超過1億美元的mPower設(shè)計，但由于沒有客戶，2017年該項目停滯。
5、其他問題
用水是另一個問題，預(yù)計未來會更加顯著。
核電站的取水要求非常高。一個300 MW的反應(yīng)堆在90%的容量因數(shù)下運行，每天將抽出1.6億至3.9億加侖的水。
如果通過空氣冷卻來減少對水的需求，就需要增加一個高塔和大型風扇——這將進一步提高建設(shè)成本，并將發(fā)電量減少到反應(yīng)堆容量的7%。
最后，SMR還將產(chǎn)生多種放射性核廢料，因為反應(yīng)堆的物理尺寸較小，而且由于經(jīng)濟原因經(jīng)常更換燃料。基于輕水堆堆型開發(fā)設(shè)計的SMR，如NuScale堆型，每兆瓦時的發(fā)電量也會產(chǎn)生更多的核廢料。
6、結(jié)論
在全球快速過渡到無碳電力方面，SMR的現(xiàn)實前景并不明朗。即使是輕水堆設(shè)計公司(其中NuScale最先進)一直傾盡努力，前景也將十分黯淡。而那些使用石墨燃料或鈉冷卻的反應(yīng)堆，前景可能更為廣闊。
SMR要實現(xiàn)與大型反應(yīng)堆成本持平將非常困難，況且目前成本一直居高不下。
在實現(xiàn)“氣候友好型能源系統(tǒng)”的道路上，有兩樣最為重要：時間和金錢。客觀評估表明，SMR在這兩方面完全沒有優(yōu)勢。
因此，SMR在很難在緩解氣候變化方面發(fā)揮重要作用。
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