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NO.2503- 小型核電站
文字：HEATNUC
校稿：朝乾 / 編輯：蛾
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能源，作爲經濟運轉的基礎，一直是決定人類社會形态的底層要素。人類大規模利用化石能源也不過是幾百年的時間，而且随着對資源消耗和環境問題的重視，化石能源的比例逐漸讓位于風、光等可再生能源。
但還有一種能源，在上世紀異軍突起，是諸多工業國對未來能源的終極想象，他就是核能，在安全的前提下，其高效、清潔是有目共睹的，集衆多優點于一身。
核電站一景（圖：shutterstock）▼
然而，過去幾十年裏，一些嚴重的核電站事故（如切爾諾貝利、福島）極大加劇了民衆對核能安全的擔憂。對應的解決辦法有很多，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模的核電站，是否就能大幅降低風險？本文将從多個角度講一下，究竟什麽是核電站小型化。
多用途模塊式小型反應堆模型
（圖：壹圖網）▼
發電原理
無論是哪種核電站，都跳不出其發電原理，也就是利用核能釋放的熱量産生蒸汽，驅動蒸汽輪機發電。核能則分爲原子核的裂變和聚變。
核裂變是指一個重原子核在吸收中子後，分裂成兩個或更多個較輕的原子核，同時釋放出大量的能量。這種能量主要以動能、γ 射線和快中子的形式表現。核裂變最常見的燃料是鈾 -235 和钚 -239。
如圖所示（底圖：IAEA）▼
在核電站中，裂變反應通過控制棒和溫度調節來控制。當一次裂變反應産生的中子數量足以維持連鎖反應時，裂變反應就可以持續進行。核反應堆不斷釋放的熱量被用來加熱水産生蒸汽，然後蒸汽驅動蒸汽輪機發電。
整個流程，大緻如下（僅示意）▼
核聚變則是兩個或多個輕原子核合并成一個重原子核，釋放出大量的能量。聚變反應的能量類似于太陽和恒星，其最常見的燃料是氘和氚。
但是聚變反應需要極高的溫度和壓力才能發生，雖然其釋放的能量遠大于核裂變，但要在地球上實現這一環境并穩定控制，難度非常高。
核聚變産生的能量非常大（僅示意）▼
當然，這也是世界各國都在追逐的目前可見的終極能源目标，大體上還處于 " 有生之年 " 的狀态。
什麽是小型反應堆
小型模塊化反應堆（以下簡稱 SMR，Small Modular Reactor）核電站是指一種設計緊湊、模塊化并且電功率在 300 兆瓦以下的核電站。作爲對比，中國華龍一号核電站裝機容量約 1100 兆瓦，中國國和一号核電站裝機容量約 1500 兆瓦。
對比一下，很直觀（底圖：IAEA）▼
目前主流的 SMR 共有四種技術方案可供選擇：輕水反應堆 ( LWR ) 、快中子增殖反應堆 ( FBR ) 、高溫氣冷反應堆 ( HTR ) 和熔鹽冷卻反應堆 ( MSR ) 。這四種方案在反應堆運行溫度和冷卻方法上各不相同。
在技術就緒度上大緻排序：
LWR/HTR/FBR/MSR
在功率密度上大緻排序：
FBR/MSR/LWR/HTR
建造中的小型模塊化反應堆（圖：CNEA）▼
我們會發現極緻的安全性和極緻的功率密度往往不可兼得，但是基于小型模塊化反應堆的一些特性，其整體上在安全性和靈活性方面有很多優勢：
安全性：由于反應堆功率較小，堆芯放射性核素總量也較少，由于系統簡化和固有安全性提高，自然降低了重大事故的發生概率。
經濟性：模塊化設計可以降低設計、制造和建設成本，同時縮短施工周期。
靈活性：SMR 可以根據電網負荷需求靈活部署和調度，适應多樣化的能源結構，對廠址和乏熱冷卻源的要求也比大型核電站更低。
應用場景多元化：除了發電，SMR 也可用于工業供熱、供暖、海水淡化、制氫等領域。
目前，世界各國對 SMR 的研究與嘗試已經有所成果。例如，來自亞洲的Heatnuc團隊一直緻力于研發第三代和第四代模塊化核電站（SMR）技術，同時美國NuScale公司的 NuScale Power Module，俄羅斯的RITM-200 反應堆和中國的ACP100等，都已經進入了實際應用或者試驗階段。
爲什麽這麽難搞
盡管小型核電站在理論上有諸多優勢，但實際推廣中可謂困難重重。
首先就是技術成熟度的問題，雖然已有多個國家開展 SMR 的研究開發，但大部分産品還處在試驗階段；法規标準缺失；設計軟件的适用性需驗證，實現規模化應用還需長期考驗。
小型輕水模組化反應堆
（僅示意，圖：wiki）▼
其次是經濟性，模塊化産品隻有大批量産出才能降低單位成本，但目前的 SMR 顯然還做不到，其設計和生産成本仍然較高，尤其是首堆 ( FOAK ) 的單位功率機組建設成本較高，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的。
新産業的發展往往離不開政策支持，以克服早期的高成本階段，但核能安全又直接牽動着公衆的神經，支持程度直接關系到公衆接受度，聯想到福島核事故，公衆疑慮小型化核電站會不會讓自己離危險更近？
這也是很合理的疑慮，所以很多國家在核能政策上持謹慎态度，對 SMR 的研究自然形成了制約。
福島第一核電站事故▼
最後就是核廢料處理問題，雖然 SMR 的規模較小，但核廢料也是繞不開的，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，會不會更複雜以至于更容易出現疏漏，都是亟待解決的問題。
按輻射污染等級高低來區分（僅示意）▼
當然，以上這些障礙，還是偏重于技術和安全方面，如果将這一産業投入商用場景下檢驗，後續的關卡還有一大堆，包括但不限于設計建造取證、融資渠道、供應鏈、利益相關方的接受度等等。
何況核能問題從來不總是核能問題，如果其應用高度符合國家戰略需求，或許技術和效益等問題将被加速解決。
總之，SMR 核電站理論上具有一定的優勢，有可能降低核能項目的風險。然而，目前 SMR 仍面臨諸多困難和挑戰，需要在技術研發、政策支持、經濟性和公衆接受度等方面取得突破。
在未來的能源體系中，受全球能源碳中和和碳稅政策的影響，作爲零碳基荷穩定能源選項的各類小型先進模塊化核電站或許能成爲一種有前景的替代方案，但仍需經過長期努力和探索，我們共同拭目以待。
* 本文内容爲作者提供，不代表地球知識局立場
封面：壹圖網
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