快速反应:工厂制造的小型核反应堆可以用卡车运送

英国工程师在开发紧凑型核反应堆(也被称为小型模块化反应堆)方面处于领先地位。斯图尔特·纳森报道。

甚至在第一公斤混凝土浇筑之前，欣克利角C核电站就可能是同类工程的最后一批了。多年来，发电规模达千兆瓦的大型核反应堆一直主导着该行业，但它们的规模和复杂性如今使其成本超出了大多数国家的承受能力。

一种新的核能模式似乎与要求增加发电站规模的逻辑相悖，它正被倾向于取而代之。发电能力高达500兆瓦(MWe)的小型模块化反应堆(smr)越来越被各国政府和核能部门视为降低成本和释放核能新市场潜力的更好选择。smr可以在工厂建造并在现场组装，而不必作为昂贵的一次性建造，这一因素，再加上它们对材料的更节约使用，被视为降低成本的关键。它还允许一种更加分布式的能源发电模式，这种模式在偏远社区和配电网络不适合处理大量电力的地区可能具有吸引力。

英国在这一领域处于领先地位的是罗尔斯·罗伊斯(Rolls-Royce)和美国的努斯卡尔(Nuscale)，前者为英国皇家海军潜艇制造核反应堆，是唯一一家生产、运营和维护核技术的公司，后者总部位于俄勒冈州，开发的技术最初来自俄勒冈州立大学支持的美国能源部的研究。Nuscale已经宣布有兴趣在英国发展制造能力和产能。

在技术方面，努斯卡尔和罗尔斯·罗伊斯都选择了用轻水冷却的压水反应堆(LPWR):这是过去几十年在美国和欧洲主导核领域的那种反应堆的缩小版。这背后的想法是，监管机构既知道也了解这项技术，因此更有可能在更短的时间内获得批准。

努斯卡尔追求灵活性

然而，这两种设计源于不同的反应堆部署方法。对于Nuscale来说，核设施的灵活性是最重要的因素，因此它选择了一种低功率输出模块，根据功率需求，最多可配置为12组。该反应堆的热能输出功率为160MW或50MWe，完全一体化，与反应堆本身在同一壳体内产生蒸汽;主冷却剂(直接从核燃料中去除热量，并与燃料棒接触)和二次冷却剂(用于产生蒸汽，从不与放射性物质接触)的回路都在反应堆安全壳内。

二次热交换器采用螺旋管，以保持蒸汽产生所需的体积尽可能低;蒸汽发生器可以直接连接到汽轮机上，而不需要像传统核电那样使用单独的笨重而复杂的蒸汽产生热交换器。该模块的主要设计师、首席技术官约瑟夫·雷耶斯(josesreyes)表示，这种螺旋结构是努斯卡尔反应堆的主要工程创新之一。此外，整个反应堆模块作为热交换器，因为它被安装在一个水箱中，在紧急情况下它可以向水箱释放热量;雷耶斯声称，在紧急关闭的情况下，这个反应堆池冷却将无限期地保持故障反应堆的安全。

劳斯莱斯选择了更大的输出

相比之下，劳斯莱斯选择了更大的输出功率。它的反应堆的大小使得一个典型的装置可能只有一个反应堆，或者可能有两个。虽然它在大小上与努斯卡尔反应堆相似，但其内部布局更类似于传统反应堆，因此需要连接蒸汽发生器:安装220兆瓦时需要两台，安装440兆瓦时需要四台。该公司负责核能业务的高级副总裁戴维•奥尔(David Orr)在接受采访时表示工程师，被认为提高了设计的“可选择性”，因为它与现有的轻水堆装置相似。

由于劳斯莱斯在为潜艇提供核反应堆方面的经验，人们普遍认为这是其反应堆设计的起源。然而，劳斯莱斯核业务总裁哈里•霍尔特(Harry Holt)最近在伦敦举行的SMR会议上表示，情况并非如此。

“潜艇反应堆必须做与民用动力反应堆非常不同的事情。他们必须能够加速潜艇，这需要民用反应堆不需要的可变功率输出，他们必须应对运动的压力，”霍尔特解释说。“此外，它们的设计目的是在潜艇的整个生命周期内不需要加油。民用反应堆的寿命要长得多，而且要定期补充燃料。我们在苏格兰运营着一个陆基潜艇反应堆原型，这让我们熟悉了核监管办公室，这将有助于我们的审批程序。”

他说，事实上，罗尔斯·罗伊斯的政策是确保不将与国防有关的核研究转移到民用部门。“SMR被视为一个单独的项目，是围绕市场需求设计的，着眼于监管部门的批准、可制造性和可选择性。”

两家公司反应堆的另一个不同之处在于冷却系统的运行方式。努斯卡尔反应堆在主回路中没有冷却剂泵，只使用自然循环。反应堆燃料释放给冷却水的热量使其通过对流上升;然后它会掉回燃料棒，因为它会向二次回路散热。这简化了所需的电气系统，使用由电池阵列供电的停机后监控系统。

另一项创新是，密封系统内部的压力保持在接近真空的水平，努斯卡尔声称，这将最大限度地减少反应堆容器的热损失，从而消除了绝缘的需要。它还减少了容器内部的腐蚀。

在卡车的后面

尽管如此，两个反应堆的尺寸相似:努斯卡尔的长19米，直径2.75米，劳斯莱斯的长16米(安装了控制棒驱动系统)，直径4.5米，稍微大一点。两者的尺寸都适合在标准卡车、火车车厢或驳船上运载;这是smr的关键考虑因素。它们由标准核级材料的钢锻件组成，预计将由外部专业承包商生产并运送到工厂进行组装。两家公司都在与学术界合作，研究制造反应堆组件的方法，谢菲尔德的核先进制造研究中心(Nuclear Advanced Manufacturing Research Centre)参与了研究和原型制作。雷耶斯指出，近净锻造和涂层技术尤其令人感兴趣:这些技术需要获得核用途的监管批准，但这可以在英国2030年部署的时间表内实现。

两座反应堆的设计都是每两年换料一次。努斯卡尔模块包含一个17 × 17的燃料棒阵列。奥尔不愿透露劳斯莱斯设计的燃料棒数量，只说在10到150个之间。两者都使用与传统压水堆类似的燃料棒中的标准轻浓缩核燃料。Nuscale装置使用了一个换料程序，将耗尽的模块从反应堆池中物理移除;雷耶斯说，实际上，燃料补充计划将是错开的，可能每年进行一次。

劳斯莱斯SMR战略的一个关键部分是，它希望成为一个财团的一部分，在一个交钥匙项目中交付整个核电站。因此，该公司正在寻找合作伙伴——最有可能来自中国、德国或美国，奥尔说——来提供核电站不属于核岛的其他部分:尤其是蒸汽轮机。英国不再有能力为核电站制造足够大的涡轮机，即使是为小型反应堆提供的小尺寸涡轮机。

生产工程技术是降低成本的关键。剑桥核能中心(Cambridge Nuclear Energy Centre)的课程主任托尼•鲁尔斯通(Tony Roulstone)表示:“建造核电站的成本与它们的复杂性和你必须在现场完成的工作有关，该行业所做的尝试都没有奏效。”所以是时候尝试其他方法了。制造业的方法适用于其他所有行业。核能是唯一不使用生产工程的行业。”他补充说:“只有进入工厂环境，一遍又一遍地制造这些东西，你才能学会如何降低成本。”

这是英国制造小型反应堆项目面临的一个潜在问题。鲁斯通表示，要产生所需的经济，该计划必须相当庞大，从而使出口变得至关重要。与那些能够为国内市场大规模融资的国家相比，这将使英国处于不利地位。

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