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| 小型核反应堆开创“核能新时代” |
| 加入时间：2013-04-15 来源：本站 作者：lihonglei |
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美国一位18岁的少年泰勒·威尔逊，不久前在美国加利福尼亚州举办的科技、娱乐、设计（TED）大会上展示了自己设计的小型核反应堆。他设计的小型核反应堆功率为50—100兆瓦，足够10万户家庭使用，有望将旧原子武器中的废料转化成民用能源，供应民用和商用，甚至在太空中使用。
法新社援引威尔逊的话报道，这种反应堆可在流水线上生产，以核武器中熔融的放射性物质为动力。这种可以运输的小型模块反应堆，密封入足够燃料后，能够持续作用30年。
威尔逊设计的小型核反应堆，用气体而非蒸汽驱动涡轮旋转，意味着反应堆系统的温度低于传统核反应堆，一旦出现缺口，不会喷出任何东西。此外，反应堆的燃料是熔盐，不需要增压。这使得小型核反应堆更加安全。
威尔逊计划5年内将他发明的反应堆推向市场，他认为“这不仅是为了对抗气候变化，还能给发展中世界带来能源”。
什么是小型核反应堆
国际原子能机构（IAEA）将小型核反应堆定义为发电功率小于300兆瓦的核反应堆动力装置，简称小型堆。发电功率在300—600兆瓦间的被定义为中型反应堆，两者可以统称为中小型核反应堆，英文简称SMR（SmallandMedium-sizedReactors）。
采用模块化设计、设备系统模块化工厂预制和现场模块化组装建设的小型堆，称作模块化小型堆，英文简称也是SMR（SmallModularReactors）。有时候，SMR这两种定义会被混淆。
随着全球核电发展，越来越多的国家开始关注小型堆的应用。IAEA表示，将鼓励发展和利用安全、可靠、经济上可行的中小型反应堆。事实上，小型堆得到国际重视和集中研发始于本世纪初期，但在上世纪五六十年代，中小型堆的运用已经开始了。其间，除了早期的研究实验堆以及标准的核电站以外，还建造了数百台的小型堆用于海上舰船的推进动力系统。可以说，小型堆的研发和建设已经积累了大量的工程技术经验。
据IAEA的最新统计，目前全球正在运行的中小型堆共计132座，其中中型堆106座，小型堆26座，正在建造中的有13座。拥有中小型堆的国家有28个，所有这些中小型堆的总容量为5.71万兆瓦，累计运行经验达5082堆年。
小型核反应堆的特点
IAEA在分析了各国已研发和正在研发的小型堆后，对这种堆型的特点进行了评估总结。IAEA认为，小型堆在安全性、经济性、核不扩散能力以及无需现场换料的能力方面，具有较大的优势。
在小型堆的设计中，为了保证反应堆的安全性，几乎所有的小型堆都在寻求加强自身的固有安全性，并专门设置具有非能动特征的安全系统，即非能动专设安全设施。这些堆型共同的特点在于较强的非能动余热排出能力和更低的堆芯功率密度。此外，小型堆的设计目标还着重于从根源上消除事故的发生，例如，通过取消一回路主管道，从而消除反应堆冷却系统失水事故（LOCA）。这些措施有助于简化核电厂的系统，使电厂达到更高的安全级别，并且在遇到紧急事故时，可以有效的减少场外应急措施和人为干预。
IAEA建议，在小型堆的设计过程中，应该更多的考虑到小型堆的经济性，从而提高与其他能源以及大型反应堆的竞争力，从而更有利于小型堆在日后的推广，有力开辟小型堆独特的市场。其中包括：简化系统，或者利用非能动系统和自动运行设备，削减运行和维修过程中的成本；缩短建造周期、减少土建成本，尽早得到投资回报；如果尚不具备具体的厂址条件，设计可利用参数的包络性，在前期进行标准设计，从而达到尽早通过设计审核的目的；通过设计标准化与产品系列化，统一结构和系统，达到规模化生产；模块化建造缩小投资风险。
堆的同时，又能保证供应的核燃料不被用于军事用途。核不扩散能力主要依靠的是在设计中，通过技术方式、运行模式和外部特征，预防在未经允许的情况下，挪用核燃料的行为。IAEA期望，通过小型堆的推广，一方面解决一些国家，尤其是发展中国家的能源问题，同时又能保证这些核燃料不被用于核武器等军事用途，即在和平利用原子能的方针下，使核不扩散协议得到有效可靠的执行。
在小型堆的发展过程中，IAEA建议部分小型堆可以根据自身特点和实际情况，设计成为无需现场换料的小型反应堆（SmallReactorswithoutOn-siteRefuelling），又称为电池式反应堆。无现场换料小型堆面对的主要是本国核燃料循环和废物处理技术尚不成熟，或者不愿意承担建设较为高昂的燃料供应循环体系的国家。采用了这种反应堆可以通过将整套燃料循环服务外包的方式，寻求到一种较为简洁方便的换料方式。
小型核反应堆发展现状
IAEA曾对小型堆的发展进行过预测，估计在2030年全球将建设43—96座小型堆。根据技术种类进行划分，小型堆可以分为四种形式，即轻水堆、高温气冷堆、液态金属反应堆和熔盐堆。
轻水堆在现有的小型堆设计中，最为常用的技术是轻水堆。这主要是因为数十年安全运行轻水堆的经验，使得这种反应堆在安全性能方面更具保障性。在核蒸汽供应系统的设计方面，大部分的技术都采用了“一体化”压水堆设计，即将一回路的设备全部集中布置于压力容器内；也有少数几种型号的反应堆，选择将蒸汽发生器或者蒸汽发生器的一部分（如汽水分离器）放置于压力容器外。
此外，随着西屋公司的AP1000非能动安全系统的面世与成功推广，“非能动”的理念也深入贯彻到了现有的小型堆设计中。在经济性方面，轻水堆也以较低的初始投入与较少的投资总额受到发展中国家，尤其是不发达国家的青睐。
轻水堆实例：
俄罗斯KLT-40s是一种用于破冰船上的成熟反应堆，也用于偏远地区的电力供应。它具有30—35兆瓦的发电容量以及20兆瓦的供热能力，换料周期为3年。该种堆型的建造模式采用了双机组。除了发电外，还可以用于海水淡化。
CAREM由阿根廷国家原子能委员会开发，是采用一体化蒸汽发生器的模块式压水堆，发电功率为27兆瓦，其可被用于作为研究堆或海水淡化。CAREM的整个一回路冷却剂系统均在其反应堆压力容器内，燃料采用的是带有可燃毒物的铀浓缩度为3.4%的燃料，每年换料1次。
韩国SMART的设计目的是建造一座可用于海水淡化兼作发电，堆芯热功率330兆瓦的反应堆及海水淡化应用系统。这种堆型具有一体化的蒸汽发生器和先进的安全特性，用于发电可达到100兆瓦，同时可以供热。设计寿命是60年，换料周期为3年。
高温气冷堆其概念演化自早期的空气冷却和二氧化碳冷却的反应堆。采用氦气取代空气和二氧化碳作为冷却剂并采用石墨作为慢化剂，提供了更高的中子效率和热效率。
高温气冷堆实例：
中国HTR-10是一种高温球床气冷堆，于2000年启动，2003年达到满功率运行。堆芯中共有2.7万个球状燃料元件，铀浓缩度达到17%，主要是用作实验堆。中国正在建设的高温气冷堆HTR-PM是发电功率为105兆瓦的反应堆，采用铀浓缩度为8.8%的燃料和环形堆芯。
最著名的模块化高温气冷堆项目是由南非牵头开发的110兆瓦球床模块反应堆。这种反应堆采用的是直径小于1毫米的三层包覆碳化铀颗粒形式燃料，铀浓缩度达到14%。燃料的核心由多层碳和碳化硅包覆，为裂变产物提供了一个包壳，使燃料在1600℃或更高的温度下都能保持稳定。乏燃料数量比同样容量的轻水反应堆内的乏燃料要多一些。
美国气轮机—模块氦冷反应堆（GT-MHR）将作为单个285兆瓦的模块建造
，氦气直接驱动气轮机，热效率为48%筒形堆芯包括102根石墨块组成的六角形燃料元件柱，上面有用于氦气和控制棒的通道，石墨反射层在堆芯的内部和周围。每18个月更换一半堆芯。燃耗大约是10万兆瓦日/吨铀。该堆型由美国通用原子能公司与俄罗斯原子能部合作开发，日本富士公司提供支持，起初该反应堆是用来燃用俄罗斯核武器上拆卸下的纯钚，造价预计低于1000美元/千瓦，总发电成本为2.9美分/千瓦时。
液态金属反应堆反应堆中第一回路的冷却剂是液态金属，比如钠-钾合金，由于金属热容小传热快，而且沸点高，所以比使用水来做冷却剂的反应堆来说，效率较高。其中的液态金属冷却快中子堆，是指没有中子慢化剂的核裂变反应堆。
液态金属反应堆实例：
安全可运输式自持反应堆STAR是由美国阿贡国家实验室开发的具有非能动安全特性的铅冷却快中子模块反应堆。其400兆瓦的容量规模意味着可以通过铁路运输以及可以通过自然循环冷却。它使用铀—超铀核素氮化物燃料，每15—20年更换。其中STAR-LM型用于发电，而STAR-H2则用于制氢，由780℃的氦气来驱动一个单独的热化学制氢工厂，而低品质的热可用于海水淡化（多级闪蒸工艺）。商业化发电则是通过氢气燃料电池进行的。
俄罗斯设计的另一种更小且更新的容量为75—100兆瓦铅—铋快堆（SVBR）。这是一种一体化设计，其蒸汽发生器坐落在堆芯所在的400—480℃的铅—铋池内，每个模块直径为4.5米，高7.5米，具有非能动热排除和屏蔽功能。一座拥有16个这种模块的核电厂其发电成本比俄罗斯其它任何新型发电技术还低，同时具有固有安全性和防核扩散性。
日本东芝公司正在与日本电力工业中央研究院合作开发4S（超级、安全、小型和简单）核电池系统。它使用钠作为冷却剂，具有非能动安全特性。整个机组将在工厂制造，然后运往厂址。燃料是铀—锆合金，铀浓缩度达到20%，可以连续运行几十年不换料。其10兆瓦和50兆瓦2种堆型被设计成能自动维持510℃的冷却剂出口温度，适于发电和高温电解制氢。电厂造价为2500美元/千瓦，发电成本为6美分/千瓦时。
熔盐堆属于第四代核反应堆。现今最具代表性的是日本富士公司的Fuji-MSR反应堆，其发电功率为100兆瓦。在熔盐堆里，燃料是锂和铍的氟化物盐以及溶解的钍和铀-233的氟化物的熔融混合物。堆芯包括无包壳的石墨慢化剂，在大约700℃和低压下能形成熔盐流。热量被传送到一个二次盐回路，然后生成蒸汽。裂变产物溶解在熔盐里，经一个在线后处理回路持续清除并用钍-232或铀-238替换。锕系元素仍保留在反应堆里直到它们裂变或转变成更高的锕系元素。熔盐堆燃料循环的高放废物只包含裂变产物，放射寿命短；产生的武器级裂变材料很少；燃料使用量少；由于采用非能动冷却，做成任何尺寸的这种反应堆均十分安全。
小型核反应堆应用
由于不同国家的国情不同，对小型堆应用的领域和目标也有所不同。
中国内陆广大地区、边远地区，受地理位置、地址、气象、冷去水源、运输、电网容量和融资能力等条件限制，大型核电设备的应用受很大制约，而小型堆可以满足这些地区的发电需求。中国城市供热对能源的需求量居世界前列，开发小型堆“以核代煤”发展核能供热是解决大气污染和二氧化碳减排问题的有效途径。同时，中国也是世界上水资源严重缺乏的国家之一，用核能进行海水淡化是现实的解决途径。
美国目前，美国小型堆的呼声很高，一方面是可以减少投资和缩短建造周期，另一方面可实现更高的安全性。其主要用于取代逐渐退役的化石燃料电厂。
俄罗斯地域辽阔，冬季采暖需大量热源，人口分散，海岸线绵长，资源竞争激烈。其对小型堆的开发应用重点在于
浮动核电站，为边远地区城市供电和供热。
发展中国家经济实力有限、电网容量不足，大型核电设备更多局限于少数经济发达大国。小型堆建设和运行先对简单、安全、经济性强，可满足发展中国家电力需求。
对小型堆的期待
小型堆被视为“核能工业的转折点”，是“游戏改变者”，“开创了核能多用途的新时代”。小型堆的多重价值，未来将为核能行业增添新的发展空间。
期待“心理安全”与“技术安全”的结合。核能始终没有放松的安全，同样存在于小型堆的应用中。而公众“心理安全”的最终支撑，还是技术安全。这应包括在小型堆建设和小型堆运行中的管理流程技术等。小型堆的建设推广，要有足够的宣传和科普介入，实现民众对小型堆有足够的认可和踏实的接受，避免因信息不对称造成的“反核”情绪。
期待小型堆除发电外的多用途。小型堆将成为热电冷三联供的理想热源已经是业界共识：其最大的市场优势，是有利于实现高度的安全性和具有高效率的电、热、汽、水联产能力，从而具有较好的经济性，能适应不同的需求。此外，小型堆为破冰船和海上船舰、火箭提供动力也是业界关注的焦点之一。核能用于空间技术的研发也一直在探索中。有关核能领域的专家曾指出，“俄罗斯在该领域研究已经抢先世界一步，要想在2017年实现载人火星探测，必须要以核能为动力”。 |
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