小型模塊堆能否提高核能應對氣候變化的貢獻?本文對市場、部署障礙以及克服這些障礙所需措施進行了詳細闡述。

1、SMR必須要面臨的挑戰

安大略電力公司選擇GE-日立的BWR-X300作為其達林頓電廠堆型(圖源：GE-日立)

如今，核電站供應世界10%的電力(以及26%的低碳電力)。許多國家政府已經確認了核能當下和未來對應對氣候變化的潛在貢獻。

盡管在格拉斯哥舉行的COP26的最后公報中沒有提及核能——就像之前所有COP大會一樣——但大多數展望低碳或凈零碳未來的情景都包括重要的核貢獻。

然而，在現有的核電國家和許多潛在的新來者中，公眾對建設更多的核電站表示懷疑，甚至反對。

哪些新的發展可能會提高公眾對這項技術的接受度?

如今，有超過60種新反應堆正在開發設計中，它們的共同特點是體積小。

這些小型模塊化反應堆(SMR)通常每個模塊的容量小于300MWe，基于廣泛的技術，其中一些技術從未商業化部署。

一些SMR設計處于開發的高級階段，有幾個正在部署中。

然而，SMR是否會成為全球能源供應的重要組成部分尚不清楚。

如果SMR要成為改變全球核能發展方向的堆型，必須要面臨的挑戰是：

清晰演示SMR能夠提供的安全改進和其他優勢;

一個令人信服的競爭經濟案例——每千瓦裝機和每千瓦時發電;

完善的國際監管體系，加強許可和監督，同時建立公眾和政治支持;

可靠的乏燃料管理戰略，包括國家深層地質存儲庫、多國處置方案和供應商“回收”乏核燃料(SNF)的方案;

對SMR(電力生產、熱能或氫氣工藝)的需求足夠大，足以支持工廠“生產線”制造;

政府在政治、金融、監管和組織方面對第一批SMR的支持。

2、SMR的改進

SMR及其類似非電氣應用溫度(℃)(來源：改編自IAEA《小型模塊堆技術發展進展》，2020年版)

任何核動力反應堆的主要技術挑戰，都是需要實現非常強大的安全性能，以便降低事故發生的可能性，并且可以有效控制事故后果。

新的SMR反應堆概念旨在通過一種設計來實現這一點，該設計基于實驗證據、分析、測試性能和運行經驗的組合，與足以提供保證的系統相似。

有證據表明，基于運行大型反應堆的豐富經驗，大多數SMR將比現有反應堆安全得多。

增強安全性的總體特征是明確的。

SMR的較小尺寸意味著在事故條件下，需要清除的廢熱要少得多，需要管理的放射性要少得多。

系統配置和控制系統的進步使SMR更易于控制。

控制所需的操作員操作更少(在某些情況下不需要)。

SMR設計通常使用被動功能來實現安全功能，因此可能出現故障的主動系統較少(在某些設計中，沒有主動系統)。

在一些SMR中，被動系統允許反應堆實現安全停堆狀態，而無需硬件或操作員的主動干預。

SMR設計利用了先進技術(更好的材料、更可靠的設備、用于監測工廠狀態的先進傳感器技術、人工智能技術)。

最后，SMR將更容易檢查和維修，因為方便的檢查和維修通常是設計標準之一;工廠制造將提供更好的質量控制，模塊之間的可變性更小，因此操作參數更可預測。

更重要的是，場外應急準備將不那么困難，因為潛在的事故將產生更小、更本地化的場外影響。

可以簡化選址要求的優勢——設施占地面積較小，放射性庫存較低。

對于一些SMR而言，乏燃料和放射性廢物的儲存負擔將不那么復雜，成本也會更低。

SMR的另一個重要的積極特征是，由于其模塊化和多功能性，它們可能更容易集成到主要基于可再生能源的能源系統中。

綜合考慮，眾多不同的安全改進和優勢應該會讓許多地方的公眾更容易接受這些新SMR。

3、SMR的經濟性

與目前主導市場的大型反應堆相比，SMR的財務風險敞口更低，發電成本可能更低。

機組尺寸約為當今反應堆尺寸的十分之一到四分之一——在某些情況下甚至更小——意味著每個反應堆的前期資本承諾更低。

但他們需要SMR特有的優勢來彌補規模經濟的不足，規模經濟導致反應堆的容量增至1600MW。

SMR將主要在工廠制造，并交付至發電現場，這將使按時、按成本完成發電廠成為常態。

設計的簡單性還應控制施工成本和交付進度。

SMR可以增量地添加到大型電網中，以靈活地適應電力需求的增長，或者在需求不確定的情況下，替代退役的核和非核容量。

它們還可以部署在電網較小或不太穩定的市場，這可以提高它們的經濟價值。

一些SMR概念還旨在提供電力以外的能源服務，包括工藝和區域供熱、海水淡化或氫氣，從而擴大SMR市場潛力。

SMR的經濟性在很大程度上受這些因素的影響。

為了讓SMR成為核能發展的改變者，他們必須能夠充分利用模塊化和大量工廠串聯生產所提供的技術學習。

只有這樣，投資成本的動態“買斷”才能使SMR具有競爭力。這是一個“雞和蛋”的問題，因為大多數SMR設計都是“第一種”。

迄今為止，不存在可靠的投資隔夜成本，可以作為技術學習評估的出發點。

隔夜投資成本(每千瓦時裝機)和發電成本(每千瓦時)最初預計將高于大型反應堆——這對快速市場滲透和部署構成了阻礙。

對于第一批SMR，每個模塊較低的前期資本要求和較容易的融資計劃不太可能彌補這一劣勢。

能否獲得前期資金，以及為新能源設施籌集資金的成本，取決于技術鏈是否在其整個生命周期內被認為是可持續的。

那些被判定符合這一標準的能源將被納入可接受能源的正式清單或分類中。

太陽能和風能就是例子，但關于核能一直存在爭議。

SMR的經濟性還取決于市場規模和試圖進入該市場的競爭對手數量。

雖然設計多樣化和開發者之間的競爭有其優點(帶來最好的技術)，但它阻礙了技術學習、成本降低和市場采用。

如果沒有大規模市場采用特定設計，生產量可能不足以大規模生產，并導致學習減少。

SMR項目的成本也將取決于許可和實施所需的時間。

從發電廠訂購到并網的預計交付周期通常為三年左右(幾乎是大型反應堆的一半)，但在安全功能增強之前，監管批準、許可和公眾反對相關的不確定性不太可能改變。

標準化監管和許可可以顯著縮短施工前的交付周期。

不確定性仍然是私營部門贊助的主要風險因素。

承認并支持SMR為“氣候良性”技術的公共氣候政策可以緩解這些私人投資者的風險擔憂，無論支持是直接的(政府擁有所有權股份)還是間接的(積極政策)。