搞小型核電站，靠譜么？| 地球知識(shí)局

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據(jù)說(shuō)地球人民都關(guān)注分享我局了(⊙v⊙)

NO.2503-小型核電站

文字：HEATNUC

校稿：朝乾 / 編輯：蛾

能源，作為經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，一直是決定人類(lèi)社會(huì)形態(tài)的底層要素。人類(lèi)大規(guī)模利用化石能源也不過(guò)是幾百年的時(shí)間，而且隨著對(duì)資源消耗和環(huán)境問(wèn)題的重視，化石能源的比例逐漸讓位于風(fēng)、光等可再生能源。

但還有一種能源，在上世紀(jì)異軍突起，是諸多工業(yè)國(guó)對(duì)未來(lái)能源的終極想象，它就是核能，在安全的前提下，其高效、清潔是有目共睹的，集眾多優(yōu)點(diǎn)于一身。

核電站一景（圖：shutterstock）▼

然而，過(guò)去幾十年里，一些嚴(yán)重的核電站事故（如切爾諾貝利、福島）極大加劇了民眾對(duì)核能安全的擔(dān)憂。對(duì)應(yīng)的解決辦法有很多，其中一種少有人知的就是——核電站小型化。

如果我們建造更小規(guī)模的核電站，是否就能大幅降低風(fēng)險(xiǎn)？本文將從多個(gè)角度講一下，究竟什么是核電站小型化。

多用途模塊式小型反應(yīng)堆模型

（圖：壹圖網(wǎng)）▼

無(wú)論是哪種核電站，都跳不出其發(fā)電原理，也就是利用核能釋放的熱量產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。核能則分為原子核的裂變和聚變。

核裂變是指一個(gè)重原子核在吸收中子后，分裂成兩個(gè)或更多個(gè)較輕的原子核，同時(shí)釋放出大量的能量。這種能量主要以動(dòng)能、γ射線和快中子的形式表現(xiàn)。核裂變最常見(jiàn)的燃料是鈾-235和钚-239。

如圖所示（底圖：IAEA）▼

在核電站中，裂變反應(yīng)通過(guò)控制棒和溫度調(diào)節(jié)來(lái)控制。當(dāng)一次裂變反應(yīng)產(chǎn)生的中子數(shù)量足以維持連鎖反應(yīng)時(shí)，裂變反應(yīng)就可以持續(xù)進(jìn)行。核反應(yīng)堆不斷釋放的熱量被用來(lái)加熱水產(chǎn)生蒸汽，然后蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。

整個(gè)流程，大致如下（僅示意）▼

核聚變則是兩個(gè)或多個(gè)輕原子核合并成一個(gè)重原子核，釋放出大量的能量。聚變反應(yīng)的能量類(lèi)似于太陽(yáng)和恒星，其最常見(jiàn)的燃料是氘和氚。

但是聚變反應(yīng)需要極高的溫度和壓力才能發(fā)生，雖然其釋放的能量遠(yuǎn)大于核裂變，但要在地球上實(shí)現(xiàn)這一環(huán)境并穩(wěn)定控制，難度非常高。

核聚變產(chǎn)生的能量非常大（僅示意）▼

當(dāng)然，這也是世界各國(guó)都在追逐的目前可見(jiàn)的終極能源目標(biāo)，大體上還處于“有生之年”的狀態(tài)。

小型模塊化反應(yīng)堆（以下簡(jiǎn)稱SMR，Small Modular Reactor）核電站是指一種設(shè)計(jì)緊湊、模塊化并且電功率在300兆瓦以下的核電站。作為對(duì)比，中國(guó)華龍一號(hào)核電站裝機(jī)容量約1200兆瓦，中國(guó)國(guó)和一號(hào)核電站裝機(jī)容量約1500兆瓦。

對(duì)比一下，很直觀（底圖：IAEA）▼

目前主流的SMR共有四種技術(shù)方案可供選擇：輕水反應(yīng)堆(LWR)、快中子增殖反應(yīng)堆(FBR)、高溫氣冷反應(yīng)堆(HTR)和熔鹽冷卻反應(yīng)堆(MSR)。這四種方案在反應(yīng)堆運(yùn)行溫度和冷卻方法上各不相同。

在技術(shù)就緒度上大致排序：

LWR/HTR/FBR/MSR

在功率密度上大致排序：

FBR/MSR/LWR/HTR

建造中的小型模塊化反應(yīng)堆（圖：CNEA）▼

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)極致的安全性和極致的功率密度往往不可兼得，但是基于小型模塊化反應(yīng)堆的一些特性，其整體上在安全性和靈活性方面有很多優(yōu)勢(shì)：

安全性：由于反應(yīng)堆功率較小，堆芯放射性核素總量也較少，由于系統(tǒng)簡(jiǎn)化和固有安全性提高，自然降低了重大事故的發(fā)生概率。

經(jīng)濟(jì)性：模塊化設(shè)計(jì)可以降低設(shè)計(jì)、制造和建設(shè)成本，同時(shí)縮短施工周期。

靈活性：SMR可以根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷需求靈活部署和調(diào)度，適應(yīng)多樣化的能源結(jié)構(gòu)，對(duì)廠址和乏熱冷卻源的要求也比大型核電站更低。

應(yīng)用場(chǎng)景多元化：除了發(fā)電，SMR也可用于工業(yè)供熱、供暖、海水淡化、制氫等領(lǐng)域。

目前，世界各國(guó)對(duì)SMR的研究與嘗試已經(jīng)有所成果。例如，來(lái)自亞洲的Heatnuc團(tuán)隊(duì)一直致力于研發(fā)第三代和第四代模塊化核電站（SMR）技術(shù)，同時(shí)美國(guó)NuScale公司的NuScale Power Module，俄羅斯的RITM-200反應(yīng)堆和中國(guó)的ACP100等，都已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用或者試驗(yàn)階段。

盡管小型核電站在理論上有諸多優(yōu)勢(shì)，但實(shí)際推廣中可謂困難重重。

首先就是技術(shù)成熟度的問(wèn)題，雖然已有多個(gè)國(guó)家開(kāi)展SMR的研究開(kāi)發(fā)，但大部分產(chǎn)品還處在試驗(yàn)階段；法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)缺失；設(shè)計(jì)軟件的適用性需驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用還需長(zhǎng)期考驗(yàn)。

小型輕水模組化反應(yīng)堆

（僅示意，圖：wiki）▼

其次是經(jīng)濟(jì)性，模塊化產(chǎn)品只有大批量產(chǎn)出才能降低單位成本，但目前的SMR顯然還做不到，其設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本仍然較高，尤其是首堆(FOAK)的單位功率機(jī)組建設(shè)成本較高，在成本方面和大型核電站或其他可再生能源相比是處于劣勢(shì)的。

新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展往往離不開(kāi)政策支持，以克服早期的高成本階段，但核能安全又直接牽動(dòng)著公眾的神經(jīng)，支持程度直接關(guān)系到公眾接受度，聯(lián)想到福島核事故，公眾疑慮小型化核電站會(huì)不會(huì)讓自己離危險(xiǎn)更近？

這也是很合理的疑慮，所以很多國(guó)家在核能政策上持謹(jǐn)慎態(tài)度，對(duì)SMR的研究自然形成了制約。

福島第一核電站事故▼

最后就是核廢料處理問(wèn)題，雖然SMR的規(guī)模較小，但核廢料也是繞不開(kāi)的，處理小型核電站的核廢料，相比處理集中的大型核電站廢料，會(huì)不會(huì)更復(fù)雜以至于更容易出現(xiàn)疏漏，都是亟待解決的問(wèn)題。

按輻射污染等級(jí)高低來(lái)區(qū)分（僅示意）▼

當(dāng)然，以上這些障礙，還是偏重于技術(shù)和安全方面，如果將這一產(chǎn)業(yè)投入商用場(chǎng)景下檢驗(yàn)，后續(xù)的關(guān)卡還有一大堆，包括但不限于設(shè)計(jì)建造取證、融資渠道、供應(yīng)鏈、利益相關(guān)方的接受度等等。

何況核能問(wèn)題從來(lái)不總是核能問(wèn)題，如果其應(yīng)用高度符合國(guó)家戰(zhàn)略需求，或許技術(shù)和效益等問(wèn)題將被加速解決。

總之，SMR核電站理論上具有一定的優(yōu)勢(shì)，有可能降低核能項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)。然而，目前SMR仍面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，需要在技術(shù)研發(fā)、政策支持、經(jīng)濟(jì)性和公眾接受度等方面取得突破。

在未來(lái)的能源體系中，受全球能源碳中和和碳稅政策的影響，作為零碳基荷穩(wěn)定能源選項(xiàng)的各類(lèi)小型先進(jìn)模塊化核電站或許能成為一種有前景的替代方案，但仍需經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力和探索，我們共同拭目以待。

*本文內(nèi)容為作者提供，不代表地球知識(shí)局立場(chǎng)

封面：壹圖網(wǎng)

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