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user: 3. SMR商业部署推动力、挑战和安全考虑 SMR得以重新提上研发热点主要是因为SMR提供了非常具有吸引力的优势，可以克服目前大型核电站存在的困境。商业部署或建造目前的大容量先进轻水堆核电站(安全指标要求满足三代加以上，二代核电机组基本被淘汰)或者将来可替代的第四代核电站，所存在的最大障碍并不是技术问题，而是建造核电站所需的巨额初始投资，随之而来的是投资者会面临十几年、甚至几十年的重大财务和债务风险，以及当地电网对供电的需求会随着时间或外界电网状况而随时变化，实际装机规模与预期装机规模往往会随时代发展(如可再生能源分布式供应，风能、太阳能、远距离输送电力等因素)而导致用电需求变化。 3.1. 推动力 实现SMR商业部署的两个主要推动力如下分析 [ 1 ] [ 2 ]。 1) 采用模块化技术降低初始投资和财务风险 SMR可以在反应堆技术根本上实现模块化，投资者可根据用户所需的机组总功率水平，按照时间顺序实现机组模块增量建设和施工。单个SMR机组模块成本要远远低于大型核电机组，通过合理优化并配置各个单元机组模块的建造时间、注资时间、投运时间可以实现建设成本和运营盈利之间的优化匹配，这样就可以充分利用模块技术的经济优势最大限度地降低业主的投资成本风险。 2) 宽广而又灵活的电力配置改善了电网的适配性 未来，电网预期需要的电力容量大小和增量将更加精准和苛刻，且增量极为有限，从而使得核电调峰所需的负荷规模有限，这将限制大型核电站的功率负荷并对其负荷跟踪提出更高要求，电力生产企业会转向小型清洁能源发电站。与此同时，燃煤发电导致的环境污染严重，各国政府都在鼓励采用清洁能源替代燃煤电站，这些清洁能源包括太阳能发电、风力发电、水力发电，核能也属于相对比较清洁的能源。 SMR功率小，建造时间短，运行自由灵活，能够适应新增有限电力负荷需求以及电力调峰状况。并且在没有核能发电的发展中国家，SMR潜在市场正在形成并出现。在核能发电比例较大的发达国家，存在着对国家安全至关重要的偏远地区，这些地区的电力需求可以由SMR灵活、自由提供。此外，SMR还可以根据化学加工厂的需要提供适当规模的化学工艺过程所需的持续热能供应。 SMR能够商业化部署的推动力是由于SMR技术特点所决定的，这些特点包括： 1) SMR可有效降低投资成本风险，使其不受反应堆设计及安全方面的影响； 2) SMR功率普遍较小，堆芯核燃料装载量小，放射性裂变产物积存量小，再者SMR采取与大型核电站相当的安全措施，安全裕量大，甚至可减少或取消应急规划区域范围； 3) SMR设备小，可降低运输困难，实现多种途径的方式进行运输，如水路、公路、铁路等； 4) SMR功率灵活，可以与电网实现更为自由的电力匹配； 5) SMR设备和零部件重量和尺寸小，部件制造不需要像大型核电站那样使用超重型锻件； 6) SMR具有多用途。 3.2. 挑战 SMR商业化部署面临的主要挑战如下所述。 3.2.1. 财务风险挑战 投资者或业主普遍认为核能财务风险来自三个关键因素：监管方的许可要求、设备加工制造成本、核电厂建造和维护成本。SMR所面临的财务风险分析如下 [ 2 ]： 1) 监管方(如美国核管会NRC、中国国家核安全局NNSA、其他国家核能政府监管机构)的许可要求，这些许可申请提交的材料可能需要大量的人力培训、物力、技术、试验等方面财务支出，而这些财务将影响SMR各类成本支出，此外，还包括核电厂的人员配备和培训、安全及安全审查要求、保险和许可费用、退役资金预先准备等； 2) 设备、零部件的加工制造、组装、调试等方面的财务风险，SMR可通过工厂批量化模块制造、模块化组装等先进工艺来以降低设备相关费用支出，并通过预期学习曲线加快工艺技术过程熟练度来降低工艺过程费用； 3) 施工建造方面所面临的潜在风险包括： a) 由于监管过程技术问题澄清和文件报告提交相关的延误，导致建设周期和商业运营计划必然延迟； b) 由于建造商缺乏新机组的建造经验(如EPR和AP1000核电项目中的设备可靠性试验问题)，以及潜在未预见到的强制性设计改进(如福岛事故导致的核电厂强制性改进措施)，从而导致建设成本超支； c) 由于运行和维护成本上升，发生非计划停堆事件，或者发生严重的反应堆事故而造成的投资损失风险。 目前，各国政府对新建核电机组的要求几乎一致，即所有新建核电机组的设计都应满足最高水平的核安全监管要求，但这些要求并没有在国际上得到充分协调一致。在美国，对于水冷反应堆的这些要求更加明确，因为在其他不同冷却剂类型的反应堆中，仅有圣弗莱恩的氦冷反应堆获得了美国NRC的商业运营许可证，其他均未获得监管部门的许可。采用LWR技术的SMR可以参照美国LWR法规要求开展许可申请工作。然而，即便是LWR SMRs也需要解决以下监管有关的关键问题： 1) SMR反应堆控制策略简化或调整导致所需运行操作人员数量减少的相关证明； 2) 某些SMR设计方案不考虑硼酸调节措施，这类SMR反应性控制需要更深入的分析； 3) 在严重事故分析中，裂变产物释放源项计算和分析； 4) 对存在多堆多机组的多模块方案，各台机组之间的关系和安全交互作用需要提供详细材料。 美国LWR SMRs的设计者和供应商认为 [ 2 ]：他们设计的SMR核电站会被政府监管机构理解和接受，他们能够提供足够充分的支撑材料(甚至包括原型堆实验)来证明所使用的核燃料组件和系统配置可以满足三代半以上先进轻水堆(ALWR)的安全目标。 对于使用诸如氦、钠、铅–铋或熔融盐等非传统冷却剂的SMR来说，由于NRC工作人员缺乏对这些反应堆设计的熟悉，因此监管方面面临较大的挑战。此外，考虑到美国以轻水为基础的核动力厂法规在很大程度上是规范性的，许可程序可能有些内容不适用于新型SMR。核工业界已经有不少呼声建议增加非传统冷却剂SMR的许可流程，但至今进展缓慢。 3.2.2. 预期平均单位电力成本(LUEC)挑战 模块化在降低小型、批量型和工厂制造单元的成本方面影响很大，这不同于传统的追求大功率反应堆机组的规模经济概念，SMR代表着一种新的数字化经济概念，是否能够盈利应从全寿期成本和产出来综合权衡。 与大型核电机组反应堆相比，SMR反应堆的额定功率水平较低，采用简化的系统配置，取消能动安全系统，采用非能动安全系统，大幅度降低安全支持系统配置。美国核学会关于SMR通用许可问题的报告认可此类简化设计，包括消除不必要的支持系统，从而降低系统和设备投资成本。 然而，学者对中小企业能否实现比传统大型核电厂更低LUEC的预测各不相同。例如，欧洲经合组织报告认为，即使考虑到中小制造企业缩减施工进度、采用模块车间制造和过程学习曲线，中小制造企业的LUEC投资部分也可能高于大型核电站；与拥有较大功率规模的核电站相比，双机组和多模块电站在内的小型核电站的LUEC值反而会更高。因此，实现具有竞争力的SMR-LUEC将非常困难，SMR独立验证成本对于成本估算也至关重要。 如何降低SMR的经济成本将会成为SMR实现成功商业部署的重要研究课题。 3.2.3. 核燃料循环设施和策略兼容性方面的挑战 不同冷却剂类型的SMR采用不同的核燃料类型。水冷SMR和铅–铋冷却SMR一般采用UO 2 陶瓷燃料，气冷SMR使用石墨和碳化硅包覆的UO 2 颗粒在石墨压块或卵石中的弥散型燃料；钠冷堆使用金属UZr和次锕系元素用作核燃料；铅冷SMR使用氮化物混合燃料(UN-PuN)。水冷SMR燃料与正在运行的电厂和正在部署的GEN III+电厂相同。所有液态金属冷却的反应堆燃料的浓缩度(>10%)都将大大超过目前水冷堆核燃料的5%。 水冷SMR燃料的后处理与传统大型LWR核电站的后处理对策相同。气冷SMR燃料的单位发电量要显著高于LWR UO 2 燃料，但单位体积热负荷低，这种燃料的特性决定了需要采取不同的处置策略，尽管它可能与陶瓷UO 2 和Zr合金包壳燃料的处置策略可兼容，但结构不同，因为各向同性结构(TRISO)燃料颗粒可以形成天然良好的屏障，可以滞留裂变产物。 钠冷或铅冷SMR反应堆的燃料利用快堆技术进行核燃料再处理和再循环，这种燃料循环需要建造和运营后处理设施和燃料制造设施，同时有可能还将与轻水燃料的后处理结合起来，作为钚的原料，用于快堆的核燃料初期装载。最终需要处理的乏燃料成分主要是裂变产物，其体积远小于每产生等效单位能量的热中子反应堆的乏燃料。然而，基于闭式燃料循环的快堆部署需要与现有LWR核电站和LWR SMR发展相协调。 3.3. SMR公共健康和安全考虑 为实现商业工程应用，所有SMR的设计都应满足所在国家顶级核安全监管要求，但不同冷却剂的固有特性对实现这些健康安全要求方式有着较大影响。 不同的冷却剂会影响反应性系数，进而影响反应堆设计。对于PWR和BWR，慢化剂系数设计为在事故条件下保持负值；对于钠冷堆、铅冷堆、铅–铋冷却堆，反应性系数是温度的正函数关系，因而需要额外的安全保护措施。球型或者棱柱型氦冷堆具有功率密度低的独特特点，加之高热容的堆芯和反射层设计使得反应堆在温度升高时，中子能将功率降低到非常低的水平(远低于满功率的1%)。 在应对设计基准事故和严重事故方面，SMR的基本目标是一致的，即：1) 限制能量释放；2) 减少裂变产物的释放；3) 对失去冷却剂事故(LOCA)做出响应并确保长期排出堆芯的衰变热。 3.3.1. 限制能量释放的措施 在事故情况下，反应堆除了会产生衰变热外，还可能会发生化学反应，释放出能量。这些反应类型有 [ 2 ]： 1) 对于钠冷堆，蒸汽发生器的传热管泄漏会导致钠水反应产生氢气，钠与空气在适宜条件下也能发生剧烈反应放出热量，同时放出浓烟。1995年12月，由于仪表贯穿件故障，日本Monju钠冷快堆中的大部分钠泄漏到空气中，少量钠泄漏到管道隔间，这一事件迫使反应堆停闭近14年，期间主要工作是重建公众可接受性。美国EBR-II在其30年的使用寿命中不得不处理大量的钠泄漏问题。尽管这些泄漏得到了安全控制，但却作为经验教训被记录下来，并进行安全教育演示； 2) 对于石墨慢化反应堆，在一定条件下，空气与石墨接触会发生氧化，存在原子移位(维格纳能量)储存能量情况，但现代SMR气冷堆普遍采用高温运行以消除这种能量存储机理。 一般大多数的化学反应都发生在高温条件下，如果反应堆出现堆芯退化的情况，就会遇到这种情况。其中包括： 1) 水冷堆主要通过锆水反应释放出大量的热能，而且还产生氢气。当与干燥空气混合时，氢气在4%~75%浓度下容易引起燃烧和爆炸。通常情况下，压水堆反应堆压力容器的尺寸应能将氢的含量保持在4%以下(按体积计)；压水堆采用较小的容器，其压力的抑制设计需要采取惰化(类似沸水堆Mark I和Mark II设计)措施或使用氢复合器和点火器(Mark III设计)以防止氢燃烧或爆炸； 2) 对于所有的液体冷却堆，熔融物材料与水、空气接触后存在金属氧化现象，可能会发生在与容器接触的表面，金属氧化可能会导致反应堆容器失效； 3) 铅冷堆、铅–铋冷却堆的有利方面在于它们与水/蒸汽和空气的反应轻微，不会对安全造成影响。 3.3.2. 裂变产物释放的缓解措施 水和钠作为冷却剂的好处在于它们能够清洗或滞留核裂变产物，这些裂变产物会从燃料中释放出来，并在发生严重事故时通过这些冷却剂释放出来。水和钠可以将减少裂变产物的数量，如果流出安全壳，则这些裂变产物可能会逸出到环境中。不同的裂变产物在水和钠中的保留率不同。 研究表明 [ 2 ]：1) 水对碱性裂变产物的相对洗涤能力较高；2) 钠对卤素裂变产物的相对洗涤能力较高；3) 非挥发性裂变产物的相对洗涤能力基本相似；4) 由于缺乏对锑、碲等挥发物的证据，因而不能确定这类裂变产物的洗涤能力。铅冷却剂的行为类似于钠。对于气冷堆，冷却剂不能清洗裂变产物，但清洗必须在冷表面上进行。 3.3.3. LOCA和衰变热导出 LOCA主要是通过堆芯储存能量和衰变热产生的峰值包壳和燃料温度来挑战反应堆的安全性。然而，不同的SMR在应对这一挑战时的措施是不同的，如一体化SMR取消了主管道，因而可以不考虑大尺寸管道的LOCA事故。 对于水冷堆，LOCA事故释放高温高压水在安全壳内迅速闪蒸，蒸汽膨胀，导致安全壳压力上升，虽然安全壳内设备可以免受高压威胁，安全壳的体积和壁厚都可以承受这一威胁，但在裂变过程停止后，燃料面临裸露的威胁，堆芯需要及时补充冷却剂装量并维持其冷却状态。采用非能动、重力驱动的方式对堆芯进行再淹没和冷却是目前普遍对策，这种方式要求堆芯的几何结构设计必须处于可被冷却的几何状态，同时确保足够的驱动力以便于冷却水能够流入堆芯，从而保证反应堆中冷却剂的装量并维持堆芯冷却状态，在这方面一体化压水堆(IPWR)具有明显的优势。足够的堆芯冷却剂装量可以阻止锆基包壳温度升高的趋势(设计限值为1204℃)，高于该限值，锆包壳的延展性和完整性将受到威胁。衰变热的最终排出是通过专用的衰变热排出系统回路来实现的，采用该回路将热量传递到环境中，或通过反应堆安全壳进行非能动热量导出。 对于气冷堆，调整冷却剂装量是不切实际的。由于堆芯使用石墨作为慢化材料，这就为堆芯能量对外传输提供了路径，石墨材料热容大，可以将温度保持在允许的水平而不超过设计限值，直到非能动散热能力与衰变热水平相匹配。对于中等尺寸的堆芯，该热量导出的路径长度足够短，石墨慢化剂的蓄热容量足够大，可使稳态功率额定值达到数百兆瓦。 对于液态金属冷却堆，即使在高工作温度下，冷却剂的压力也非常低，这使得NSSS系统能够被安置在反应堆容器内的冷却剂池中，该容器本身由一个紧密配合的薄壁保护容器包围。即使在反应堆容器失去完整性时，冷却剂装量仍被保留在保护容器中，从而继续维持包壳被冷却剂所覆盖，衰变热则通过专用的容器内自然循环冷却回路和/或通过保护容器流向专用烟囱系统的排热系统排出，两者都会将热量排出安全壳外。