小型模块化反应堆如何推动核能实现清洁能源承诺

投资策略与投资组合管理

全球能源转型正处于关键时期,太阳能和风能的快速发展让人们看到了清洁能源的希望,但在稳定供电方面,核能始终扮演着不可替代的角色。传统大型核电站虽然技术成熟、发电量可观,却面临着建设周期长、初始投资巨大、公众接受度低等挑战。如今,一种新型核能技术正在悄然改变这一局面 - - 小型模块化反应堆正在让核能重新焕发生机,朝着实现零碳能源承诺的目标大步迈进。 美国田纳西州的瓦茨巴尔核电站二号机组在二〇一六年才投入商业运营,这是二十一世纪美国第一座新建的商业核反应堆。在此之前,美国和欧洲的核电建设几乎陷入停滞。然而,这种状况正在发生根本性改变。

二〇二三年和二〇二四年,佐治亚州帕里什核电站的两台新机组相继投入运行,标志着核电复兴的开始。更为引人注目的是,全球范围内的政府和私营部门正加大对核电开发商的投资力度,其中小型模块化反应堆成为最受关注的领域。 小型模块化反应堆的英文缩写为SMR,是一种能够产生高达三十万瓦电力的新型核反应堆。这个发电量看似不大,但足以满足约三十万户家庭的用电需求。与传统轻水反应堆通常超过一百万瓦的发电能力相比,小型模块化反应堆的规模确实较小。然而,这种相对较小的体量恰恰带来了意想不到的优势:建设成本更低、施工难度更小、选址更加灵活。

更重要的是,小型模块化反应堆采用模块化设计理念,反应堆的大部分组件可以在工厂预制完成,然后运输到现场进行组装。这种方式类似于乐高积木的搭建过程,大大简化了现场施工的复杂性,缩短了建设周期。 二〇二五年三月,美国能源部宣布提供九亿美元拨款,用于支持小型模块化反应堆的部署。一年后的二〇二六年,欧洲委员会也表示将投资高达二点二八亿美元用于小型模块化反应堆的建设。这些大规模投资反映出各国政府对新一代核能技术的重视程度。然而,批评者认为小型模块化反应堆并不一定比大型核电站更具经济性。

由于发电规模较小,工厂需要生产数十个模块化反应堆才能实现成本效益。此外,一些小型模块化反应堆设计因使用不同燃料和冷却剂而被认为可能存在安全隐患。尽管如此,更快更廉价的建设前景以及数据中心等对清洁能源日益增长的需求,仍使模块化反应堆的商业开发具有巨大吸引力。 加州阿拉米达的凯罗斯电力公司正在田纳西州橡树岭建设一座名为赫尔墨斯一号的试验反应堆,并于四月开始建设一座五十兆瓦的示范电厂赫尔墨斯二号。公司预计在二〇三〇年开始商业运营,并已与谷歌达成电力销售协议。赫尔墨斯一号具有里程碑意义,因为它是美国核管理委员会五十多年来批准的第一座非轻水反应堆。

传统轻水反应堆使用水作为冷却剂,通常以陶瓷二氧化铀芯块作为燃料,装入锆合金管组成的燃料棒中。而赫尔墨斯一号则采用了一种完全不同的技术路线:它使用三结构各向同性燃料球作为燃料,以氟化锂和氟化铍混合物熔盐作为冷却剂。这种冷却剂被称为氟锂铍,沸点约为摄氏一千四百三十度,远高于反应堆约六百五十度的工作温度。 三结构各向同性燃料是研究人员所称的耐事故燃料中最成熟、应用最广泛的例子。这种燃料由直径三百五十至六百微米的二氧化铀核芯组成,周围包裹着多孔碳层用于捕获逸出的裂变产物,再外面是更致密的碳层,最外层是碳化硅层,起到微型安全壳的作用。数以千计的燃料颗粒被装入每个高尔夫球大小的石墨球中。

当这些燃料球在反应堆内聚集时,裂变反应产生热量,通过冷却剂带走。使用过的燃料球像口香糖机中的糖果一样流出,新的燃料球从上方添加,实现不停机换料。 氟锂铍冷却剂带来了多方面的优势。水在摄氏一百度沸腾,因此轻水反应堆要保持在二百五十至三百二十五度的工作温度需要约一百五十个大气压的压力。而赫尔墨斯一号的熔盐冷却剂沸点极高,工作温度远低于其沸点,这意味着反应堆可以在常压下运行,无需昂贵的安全壳容器。一旦发生泄漏,由于没有压力,冷却剂和放射性同位素不会被喷入空气中。

此外,使用熔盐作为冷却剂的反应堆可以在更高温度下运行,从而提高能源生产效率。 三结构各向同性燃料还有一个重要特性:在反应堆可能达到的温度下不会熔化。在一次测试中,这种燃料在摄氏一千八百度的高温下持续超过十二天仍保持完好 - - 这个温度远远超过了即使最严重的事故情景所能产生的温度。这使得燃料具有了核工业所称的"离开即安全"特性。工程师可以放弃控制、离开现场,而不必担心会发生福岛或切尔诺贝利式的严重事故。 三结构各向同性燃料的挑战在于它需要高分析低浓铀,燃料材料中铀235的富集度约为十五至百分之二十。

今年一月,美国能源部向三家公司授予总计二十七亿美元拨款,用于建立国内高分析低浓铀浓缩能力。在该能力建成之前,三结构各向同性燃料的生产将缓慢且昂贵。科学家们还在为传统反应堆和小型模块化反应堆开发其他燃料。田纳西大学诺克斯维尔分校的一个研究团队正在研究一种三维打印的钼插入物,可以放置在二氧化铀芯块的中心。由于钼具有良好的导热性,插入物可以将燃料芯块的热量导出效率提高一个数量级,从而降低熔化引发事故的可能性。 另一种燃料和冷却剂的组合构成了泰拉电力公司正在怀俄明州凯默勒建设的钠反应堆。

该反应堆的三百四十五兆瓦发电能力略高于通常意义上的小型模块化反应堆上限。钠反应堆使用铀锆合金作为燃料,液态元素钠作为冷却剂。钠的沸点接近摄氏九百度,远高于反应堆约五百度的工作温度。裂变产生的热量加热液态钠,钠再加热熔融氯化钠。熔盐在电力需求低时储存热量,在需求高峰时沸腾水产生蒸汽驱动涡轮机发电。 由于燃料、包壳、液态钠和容器本身都是金属,整个系统导热性能优异。

即使反应堆关闭后,裂变产生的放射性核素继续衰变,产生额外的余热,最初相当于满功率运行时约百分之七的发热量。全金属设计简化了余热的处理。工程师可以通过自然循环让空气流过容器外部来冷却容器。当然,液态钠接触空气或水时会燃烧,但公司表示已设置额外的屏障和传感器来防止这种情况发生。 二〇一一年日本福岛第一核电站因海啸发生事故时,操作人员试图泵入海水冷却反应堆。但地震导致的海啸也损坏了电网和大部分备用电源,无法为反应堆提供足够的冷却,最终导致放射性物质释放到环境中。

钠反应堆采用空气冷却,不需要泵入任何东西,冷却可以无限期持续。钠冷却还有一个内置的安全特性:裂变产生的一些最危险的放射性副产品,如铯137和碘131,都是高度放射性的,一旦泄漏可能进入水源和食物链。但钠会与这两种元素结合,因此钠基冷却剂可以将它们留在罐内,防止污染扩散。 传统轻水反应堆不一定比钠反应堆等小型模块化反应堆更危险。核电站可以采用各种安全措施确保安全:主动安全措施如电动泵驱动冷却剂,被动安全措施如依靠重力从屋顶水箱向下注水或排出燃料。但一些小型模块化反应堆设计具有更多的固有安全特性,依赖物理原理而非工程技术,例如能够在常压下运行,也为设计被动安全系统提供了更多机会。

小型模块化反应堆的不同安全特性意味着它们可能需要更小的紧急缓冲区域。这既是因为较小的电厂必然产生较少的放射性物质,也是因为其设计使放射性物质更不可能泄漏。美国轻水反应堆长期以来一直有十六公里半径的紧急规划区,要求居民在事故发生后立即撤离或就地避难,以及八十公里半径的摄入规划区,放射性物质可能进入土壤和地下水。二〇二三年,美国核管理委员会发布规定,表示小型模块化反应堆的规划区可以根据其技术逐案确定。更小的规划区域可以使核电站选址更接近电力需求地点。 熔盐的用途不仅是作为冷却剂或储能介质。

将铀或钍等放射性元素与熔盐混合,可以创造出同时充当燃料和冷却剂的流体。实际上,"熔盐反应堆"通常指使用这种液相燃料混合物的设计。虽然泰拉电力公司专注于商业化其非熔盐反应的钠技术,但该公司也在美国能源部爱达荷国家实验室运营熔氯化物反应堆实验,使用熔融钠和氯化铀混合物。氯化物和氟化物盐都被认为是燃料混合物的好选择,因为它们可以在更高温度下运行,提高效率,同时在低压条件下工作,避免了压力相关的事故场景。 与凯罗斯电力公司的球床反应堆一样,熔盐反应堆可以在运行期间添加燃料 - - 废燃料可以排出,新的燃料可以泵入,无需停机。熔盐反应堆相对于轻水反应堆的另一个优势是它们可以燃烧锕系元素,这些在核反应中产生的放射性元素可以在后续反应中作为燃料。

在熔氯化物反应堆中,核裂变链式反应由更高能量的中子维持。相比之下,轻水反应堆中的水起到减速剂的作用,使中子慢化。因此,熔氯化物反应堆可以燃烧锕系元素作为额外燃料,而轻水反应堆则无法做到这一点。 熔盐反应堆,无论是氯化物还是氟化物,也为减少核废料提供了机会。轻水反应堆的乏燃料含有约百分之九十五的铀和百分之一的钚。法国和俄罗斯有广泛的回收项目,但美国不回收任何核废料,部分原因是处置更便宜。

处理液相燃料比制造或拆卸固相燃料更容易。然而,在极高温度下运行的机器中存在盐分会带来腐蚀问题。如果系统设计能够将水和氧气隔绝在外,氧化应该不成问题。但即使做到了这一点,其他机制也可能削弱反应堆结构材料。例如,熔盐倾向于溶解铬 - - 添加到钢中使其成为不锈钢的元素。这意味着反应堆部件的铬含量不应超过约百分之七。

这些新型高温反应堆的结构材料还必须承受辐射的影响,辐射可以通过撞击原子使其移位而产生缺陷。高温使这些缺陷容易迁移和形成簇,从而增加材料的脆性。在美国机械工程师协会认证可用于高温反应堆的数千种合金中,只有六种符合资格。而且据专家介绍,这六种合金中没有任何一种被认证用于设计师希望能够使用的最高温度反应堆。目前,研究人员正在开展美国能源部资助的项目来开发更多合适的合金,包括一种磁性钢和一种钒基合金。两者都采用沉淀强化工艺,通过反复加热和冷却在大结构内部形成小块材料来阻挡缺陷,已被证明能够提供辐射抗性。

其他材料科学家正试图工程化材料晶体结构中的晶界,使其成为缺陷的陷阱。 开发新材料、燃料和反应堆设计是一个缓慢的过程,需要耐心。但参与这项研究工作的科学家们认为,这些努力是值得的。核能对于国家和世界的未来都至关重要。它非常安全,确实是下一代能源,将使我们能够超越化石燃料。随着气候变化问题日益严峻,全球对清洁能源的需求持续增长,小型模块化反应堆技术的发展正在为核能开辟一条全新的道路。

通过采用更安全的燃料形式、更高效的冷却系统以及模块化的建设方式,核能有望摆脱过去事故带来的阴影,成为真正的清洁能源支柱。在这场能源革命中,小型模块化反应堆不仅代表了一种技术进步,更象征着人类在追求可持续能源未来道路上的创新精神和不懈努力。 。