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IMI Critical Engineering 的 Wayne Prokop 和 Mark Leonard 討論了小型模塊化反應(yīng)堆如何在全球采用可持續(xù)能源政策的努力中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

國際能源市場波動明顯。過去幾年的全球事件凸顯了這一點。首先，疫情造成的破壞以及隨后經(jīng)濟的迅速復(fù)蘇;其次，俄羅斯入侵烏克蘭的持久影響。

對該國巨大天然氣儲量的制裁繼續(xù)影響著當今的能源價格。歐洲各國不得不調(diào)整其供應(yīng)線，以提高國家的整體恢復(fù)能力，許多以前被封存的燃煤電廠已恢復(fù)運行以用于應(yīng)急電力目的。

雖然讓這些之前關(guān)閉的工廠重新上線以滿足寒冷月份的高峰需求是可行的，但它引發(fā)了爭論，這是可以理解的。2考慮到正在進行的脫碳工作，一些人質(zhì)疑其他技術(shù)是否更適合提供應(yīng)急電力。

小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)作為一種潛在的可持續(xù)能源解決方案越來越受歡迎。然而，與包括燃煤電廠在內(nèi)的傳統(tǒng)資產(chǎn)相比，該技術(shù)的推出仍處于起步階段。鑒于此，以及加強整個歐洲能源安全的迫切需要，需要采取更經(jīng)過深思熟慮的方法來大規(guī)模采用中小型反應(yīng)堆并逐步淘汰基于化石燃料的電力供應(yīng)。

將現(xiàn)有燃煤電廠改造為小型模塊化反應(yīng)堆

一些人認為煤炭正在卷土重來是可以理解的，但總體趨勢表明情況并非如此，可持續(xù)能源舉措正在向前推進。

2023 年第一季度，煤炭在美國國內(nèi)發(fā)電中的份額降至歷史新低3，與新風能和太陽能項目的“總”成本相比，現(xiàn)有電廠的供應(yīng)和維護成本更高。

這些顯然不是煤電??復(fù)興的跡象。盡管如此，在將煤炭完全從國家能源結(jié)構(gòu)中剔除時仍需謹慎，特別是許多國家仍在使用煤炭來抵消電力市場的波動。

即使正在開發(fā)更具成本效益的能源存儲解決方案，可持續(xù)能源解決方案仍然面臨間歇性問題。因此，可以合理地假設(shè)在不久的將來煤炭仍將出現(xiàn)在一些國家的電網(wǎng)中。

煤炭作為管理短期高峰的一種昂貴但必要的手段，意味著必須關(guān)注支持煤炭的基礎(chǔ)設(shè)施。其作為應(yīng)急措施的使用取決于小型模塊化反應(yīng)堆是否能夠響應(yīng)實時需求變化，但這并不是它們傳統(tǒng)設(shè)計的目的?？焖偻焦芾聿划斂赡軙?dǎo)致超出電網(wǎng)容量緊張之外的問題。

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此類問題在燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠 (CCPP) 中已經(jīng)很明顯。逐步引入更多可再生能源帶來的間歇性擔憂，導(dǎo)致當前的 CCPP 更頻繁地循環(huán)，根據(jù)電網(wǎng)需求變化提供不同的電力來填補電力缺口。由于設(shè)計用于連續(xù)運行的設(shè)施被迫停止和重新啟動，負載在 50% 到 100% 之間波動，運營壓力現(xiàn)在變得越來越明顯。

在這種類型的操作過程中，閥門退化和壓力邊界裂紋等問題變得越來越頻繁。在將水注入蒸汽流以控制溫度的區(qū)域以及渦輪機旁路系統(tǒng)和級間溫度調(diào)節(jié)器中尤其如此。

然而，與占整個工廠支出較大的組件(例如蒸汽輪機)相比，這些領(lǐng)域很容易被忽視。然而，如果不加以考慮，這些較小的組件可能會嚴重影響工廠保持功能和在需要時快速響應(yīng)的能力，從而妨礙 CCPP 作為應(yīng)急解決方案的有效性。

取得成功的繼承

精心設(shè)計的維護策略的影響不僅僅限于應(yīng)急，它們對于燃煤電廠的繼任計劃也至關(guān)重要，特別是對于小型模塊化反應(yīng)堆而言。

正如國際能源署指出的那樣，通過利用這些反應(yīng)堆改造舊化石燃料發(fā)電廠，當?shù)乜蛻艨梢垣@得充足的電力，而無需對現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施進行重大改造。這是由 200Mwe 和 400Mwe 之間的類似輸出提供的，允許 SMR 有效地“插入”舊電網(wǎng)連接。

與大型核設(shè)施相關(guān)的巨大成本和時間尺度相比，這種更小、更易于實施的技術(shù)的吸引力是顯而易見的。

除了方便之外，這種重新利用的過程還提供了后勤方面的好處。也就是說，尋找充足水源、建立公路和鐵路連接以及尋找附近熟練勞動力的問題已經(jīng)得到解決，并且無需購買額外的土地。

盡管該技術(shù)在全面商業(yè)化方面取得了巨大進步，但中小型反應(yīng)堆仍處于發(fā)展的初級階段。目前，18 個國家的 70 項臨時設(shè)計正在協(xié)商中，標準化和最佳實踐仍在制定中。

因此，與專門從事核技術(shù)的供應(yīng)商合作將是證明 SMR 技術(shù)的實際優(yōu)點并超越概念階段的關(guān)鍵。

小型模塊化反應(yīng)堆的采用已經(jīng)開始。例如，羅爾斯·羅伊斯公司最近獲得了政府資助，用于建造一組 470 兆瓦的反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆將于 2030 年代初期建成并運行。7雖然這還需要大約十年的時間，但擁有行業(yè)專業(yè)知識的組織正在加速采用，IMI 關(guān)鍵工程協(xié)助關(guān)鍵組件的設(shè)計和應(yīng)用。

盡管該組織的主蒸汽安全閥、緊急堆芯冷卻系統(tǒng)過濾器和主蒸汽隔離閥在工廠的整體設(shè)計中可能是相對較小的功能，但它們對于確保 SMR 安全和最佳運行至關(guān)重要。

還必須指出的是，漫長的監(jiān)管審批流程是該行業(yè)的一個事實。即使對于處于領(lǐng)先地位并尋求創(chuàng)新的企業(yè)來說，標準化、經(jīng)過明確驗證的技術(shù)仍然具有吸引力。

同樣，如果電力行業(yè)要推進其雄心勃勃的脫碳計劃，對熟悉的解決方案的需求只會變得更加迫切。更不用說一些人對核能發(fā)電技術(shù)的迅速采用可能會感到的猶豫。在這種情況下，采用已被證明有效的閥門和組件對于緩解非常合理的擔憂至關(guān)重要。

關(guān)鍵服務(wù)知識和化石燃料淘汰計劃密切相關(guān)。為了確保燃煤電廠納入脫碳工作，使用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施將是關(guān)鍵，特別是成本仍然是核電采用的最大障礙之一。

這種湊合著用的情緒也可以延伸到中小型反應(yīng)堆的發(fā)展，作為從煤炭轉(zhuǎn)型的一種手段。由于核電行業(yè)傳統(tǒng)上一直面臨新建筑施工延誤和成本不斷上升的問題(部分原因是過度設(shè)計)，因此調(diào)整現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施可能具有獨特的吸引力。9

單獨來看，閥門組件無法解決我們緊迫的和未來的能源問題。然而，它們在能源轉(zhuǎn)型的短期、中期和長期中發(fā)揮的重要作用意味著它們不容忽視。