核能的未来：小型模块化核反应堆

拿起几乎所有有关核能的书，您都会发现普遍的智慧是核电厂必须很大才能具有竞争力。该假设已被广泛接受，但是，如果理解其根源，则可以有效地挑战它。

但是，最近，越来越多的工厂设计师，公用事业公司，政府机构和金融机构认识到，较小的工厂可以利用更多的机会应用所学到的经验教训，并利用数量更多的单元和设备节省的工程和工具成本。在容量增加和融资方面更好地满足客户需求。最终的系统是对核电站菜单的一个令人欢迎的补充，该菜单以前仅限于一种尺寸-超大型。

在这篇文章中，我想向您介绍一些正在发生的变化，我认为这是一个受欢迎的变化。

当西屋公司，通用电气公司及其国际竞争对手首次了解到铀是令人难以置信的热能来源时，它们是规模庞大，实力雄厚的公司，从事建筑用于发电的设备业务。每个人都对大规模生产中央站电力所必需的基础设施进行了重大投资。

经验告诉他们，大型电站可以生产更便宜的电，而中央电站的电可以有效地分配给大量客户，这些客户的需求各不相同，从而使所有客户可以最有效地共享电站的资本投资。

他们的经验甚至被教科书作者用一条经验法则整理成法，说一条生产机器的成本将因吞吐量提高到0.6功率而变化。（根据此经验法则，一个泵的泵送流体可以是另一个类似设计和功能的泵的10倍，而其成本仅为较小泵的四倍。）他们及其公用事业客户知道，通过管道，轮船，驳船或铁路运输散装燃料比将卡车中的少量燃料分配到小型工厂网络要便宜得多。

就像个人根据过去的经验做出判断一样，公司也是如此。核先驱者的集体判断是，对于化石工厂同样适用的经验法则也适用于核工厂。

尽管很难获得准确的成本数据，但是可以肯定地说，核电厂的规模与其成本之间没有可预测的关系。尽管早期核工程学中的图表是基于少于十个已建成工厂的少量数据得出的，但是大型工厂每千瓦容量的成本并没有稳定下降。

如果工程师使用基于错误假设的模型，则工程师可能会进行难以置信的复杂计算而没有单个数学错误，但仍然会得出错误的答案。核电站设计人员和市场人员使用的“越大越好”模型似乎就是这种情况。

尽管“规模经济”在第一个核时代没有奏效，但有证据表明确实适用了不同的经济规则。该规则通常称为经验曲线。根据数项详细研究，似乎当同一组织建造相似的工厂时，后续工厂的建造成本会更低。根据兰德公司的一项研究，“（由建筑师-工程师建造的）反应堆数量增加一倍，可使建造时间和资金成本减少5％”。

这个想法很重要。它告诉我们，核电在概念上与数百种其他新技术没有什么不同。

福特发现的原理现在称为经验曲线。..它规定，在任何业务中，在任何时代，在任何资本主义竞争中，单位成本都倾向于以可累积的经验按可预测的比例下降：已售出的单位总数。无论产品（汽车或计算机，石灰石，数以千计的晶体管，数百万磅的尼龙或数十亿个电话），无论公司的经营情况如何变化，整个行业的单位成本，调整通货膨胀率后，累计产出每增加一倍，下降的幅度往往会在20％到30％之间。乔治·吉尔德（George Guilder）重新捕捉企业精神1990年更新，ICS出版社，加利福尼亚州旧金山。 p。 195

这些想法并不新鲜。我从1996年5月在《原子洞察》上发表的一篇题​​为《规模经济？更大更好吗？

显然，我在14年前提到的想法也发生在许多核电厂设计者和商业决策者身上，他们注意到，随着传统核电厂规模的扩大，其传统核电厂的估算值一直以远远超过通货膨胀率的速​​度增长。详细而逼真。将非常大的系统和项目组合在一起的复杂性不断增加风险，这增加了融资成本和复杂性，需要额外的合作伙伴（包括政府机构和公共补贴）增加了项目的复杂性。

一些受挫的核电站设计者，在与客户讨论他们的需求并记住核反应堆大小的技术上可行的启发下，决定通过完全重新考虑旧经济来解决一些成本并安排投诉。规模范式。对于过去五年左右一直受到关注的任何人来说，Hyperion，NuScale和Toshiba 4S的名称已成为越来越多的讨论话题，因为新兴企业和一些老牌供应商开始设计尺寸分别为10、25和25的核裂变系统。 ，或45 MWe，这与AP1000（西屋），ESBWR（GE-Hitachi）或EPR（Areva）的1000 MWe（plus）尺寸根本不同。

最初，这些新设计的项目负责人考虑在不可用或由昂贵的柴油提供电力的分布式偏远地区使用它们。Hyperion Power Generation的创始人John（Grizz）Deal和他的妹妹Deborah Deal Blackwell，Hyperion Power Generation的创建者考虑了一个简单，不经常加油的核电站如何在不加油的情况下为偏远地区供电长达十年。他们认识到这种系统可以为生活在偏远地区的先前无能为力的人们提供的价值。

该系统可以为制冷，水处理和分配系统，通信系统以及可靠的无闪烁照明提供动力。不幸的是，Hyperion设计所需的特定技术-液态金属（Pb-Bi）冷却和氮化铀燃料元件-尚未在商业上使用。它们已在多个专门的反应堆中使用，并被证明可以可靠，安全地工作，但是建立新的供应链只是Hyperion努力克服的众多障碍之一。东芝4S钠冷却电源系统也面临类似的挑战，但是这两个概念都有自己的风扇，而且都在向前发展。

三支项目团队已经认识到“小”的概念并不意味着您必须从头开始进行供应链，培训计划和安全性分析。有可能从头开始对轻水反应堆进行重新设计，以产生一种经济的设计，通过简化和增加单位体积来实现经济。所有三个团队-NuScale，B＆W和Westinghouse-都设计了将整个主要工厂置于单个压力容器中的系统。这种选择消除了因冷却剂事故而造成大的管道破裂损失的可能性。他们都选择相对于核心功率输出包含大量的水，从而为操作人员提供了任何可能的事故和所需的操作人员之间的较长间隔。他们还选择了不需要任何外部电源即可工作的无源安全系统，因此他们希望能够证明无需冗余电源即可满足现有安全标准。所有iPWR系统都设想使用与商用核电站燃料元件基本相同的燃料组件-但它们将更短，每个堆芯中的组件将更少。所有系统的设计均出于考虑911后的安全性和安全考虑，包括通过使用以下坡度的安装来确定飞机的撞击规则。

NuScale电源模块

在这些共同特征之后，技术特征上会有一些差异，这些差异可能会吸引不同类型的客户。NuScale的模块尺寸为45 MWe，不包含任何冷却液泵；系统在运行和停机时均采用自然循环。该公司期望客户将计划在一个站点上最终安装6（270 MWe）或12（540 MWe）单元。

NuScale已选择Kiewit作为其工程，采购与建筑（EPC）承包商。两家公司共同完成了详细的，自下而上的价格估算，根据客户是希望安装6装还是12装，预计每千瓦容量的成本在4,000美元至4,400美元之间。NuScale已通知NRC，它将在2012年上半年提交许可证申请。它的大部分系统和安全分析工作均由俄勒冈州立大学安装的1/3比例集成系统回路（带有电加热器以模拟核芯）的实际数据提供支持。

Westinghouse的335 MWe IRIS更加先进，但它计划在2014年底之前提交许可证申请。延迟的部分原因是由于公司专注于完成AP1000的修订许可证申请，并迅速解决了工厂建设过程中不可避免出现的任何工程问题。

地下围护中的mPower

125 MWe mPower是集成式压水堆（iPWR），受到企业界和政治领导人的广泛关注。™昨天，美国最大的私人控股公司之一的柏克德公司（Bechtel Corporation）拥有57,000名员工，2009年的收入为308亿美元，该公司宣布将与B＆W成为独家联盟的20％合作伙伴，他们将其商标为Generation mPower。建造完整的交钥匙发电厂。

B＆W拥有已经存在并获得ASME“ N-stamp”认证的美国制造基地，并且在建造为船舶和潜艇提供动力的小型模块化轻水反应堆所需的几乎所有组件方面拥有50年的经验。贝克特尔已经在美国运营的104家核电厂中的64家建造或参与了大型翻新项目。

mPower模块™的尺寸与NuScale模块的尺寸大约相同，但是每个模块的功率约为NuScale模块的2.5倍，因为它们包括浸没式反应堆冷却剂泵，以提供通过核心的强制流动。该系统旨在提供足够的自然循环，以在停机后无需任何泵运行的情况下提供堆芯冷却，从而保持被动安全性。与NuScale一样，Generation mPower希望其工厂的客户可能希望计划在一个站点上安装多个单元，尽管他们可能只从一两个开始，然后逐渐增加其他单元。mPower世代已通知NRC，它将在2012年底之前提交设计认证申请。该申请可能与第一个同类单位的施工和运营许可同时提交。

iPWR项目都将自己定位为在美国获得许可证，将其第一批设备出售给美国客户，并获得经验丰富的核电公司的参与。项目发起人已经确定，较小的单元尺寸对于某些类型的客户将是有吸引力的动力来源，而这些客户在尝试建造其中一个大型工厂时将面临无法克服的障碍。模块化电站可以分阶段进行融资，以增加收入，使其与需求的增长更加紧密地匹配。几家合作的电力公司加入了用户组，这些用户组已经形成，旨在在系统设计师完成详细工作时，帮助mPower和NuScale提供客户观点。

NuScale和Generation mPower均已确定，拟议的机组尺寸与老化的燃煤电厂目前提供的容量更加匹配，并且一旦这些燃煤电厂达到使用寿命，便可以视为合适的替代产品。田纳西河谷管理局和FirstEnergy都表示有兴趣了解更多有关拟议模块如何帮助他们重用目前拥有过时燃煤电厂甚至不靠近天然气管道的现有站点的信息。

越来越多的工厂设计师，公用事业公司，政府机构和金融机构认识到，较小的工厂可以利用更多的机会应用经验教训，利用数量更多的设备可能节省的工程和工具成本，更好地满足客户需求在产能增加和融资方面。最终的系统是对核电站菜单的一个令人欢迎的补充，该菜单以前仅限于一种尺寸-超大型。利用核裂变能源开发更广泛的系统选择可能会对能源市场的某些领域产生可衡量的影响，而这些市场通常是通过燃烧馏分燃料或天然气来服务的。小型模块化反应堆为人类社会将获得其为更大比例的人口增加繁荣所需的全部能源感到乐观。

通过。罗德·亚当斯

Rod是Atomic Insights Blog的作者。Rod在整个1980年代担任美国核动力潜艇的工程主管时获得了最初的原子知识。他于1993年成立了Adams Atomic Engines，Inc.，以生产小型模块化反应堆，但在1996年，石油价格跌至每桶10美元，天然气的价格低至每百万BTU 1.60美元，使该公司陷入困境。