六月初，凱文·克拉克(Kevin Clark)在《電力工程》(Power Engineering)上發(fā)文[1]，報道了他對美國通用電氣-日立核能公司(GEH)先進核能執(zhí)行副總裁肖恩·塞克斯通(Sean Sexstone)的采訪，說他們的BWRX-300技術(shù)設(shè)計，基于現(xiàn)有的“建造簡易的反應(yīng)堆”，使這種小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)成為簡單而廉價的市場進入者。塞克斯通說，“95%的工作已經(jīng)完成，也許規(guī)模有點小，但已得到證實。”

BWRX-300有進一步發(fā)展核能的潛質(zhì)

現(xiàn)在，越來越多的人認為，先進核能可在電網(wǎng)和其他行業(yè)的去碳化過程中發(fā)揮重要輔助作用。各家公司都在爭先恐后地爭取在本世紀(jì)30年代部署小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)，而GEH的BWRX-300型SMR，有可能在2025～2030年間建成發(fā)電，成為世界最早流行的水冷先進SMR。

美國GEH公司對其BWRX-300型SMR設(shè)計抱有希望，這是該公司沸水堆設(shè)計的第十次演進。這個單機功率300MWe的BWR(沸水反應(yīng)堆)設(shè)計，基于已獲美國核管理委員會(NRC)許可的經(jīng)濟簡化沸水堆(ESBWR)。

GEH先進核能執(zhí)行副總裁肖恩·塞克斯通把BWRX-300稱為“制造簡單的反應(yīng)堆”，因為它使用的設(shè)備和燃料與世界各地通用電氣公司設(shè)計反應(yīng)堆的設(shè)備和燃料相同。

塞克斯通說，“95%的工作已經(jīng)完成。也許這個項目的規(guī)模稍小，但非常成熟。”GEH相信，這是BWRX-300能夠成為最便宜、最快速、上市風(fēng)險最小SMR的原因之一。

塞克斯通說，公司采用了ESBWR的基本設(shè)計并對其進行了簡化，包括BWR技術(shù)中幾項新的專設(shè)安全設(shè)施：原來認為，安全泄壓閥是最有可能導(dǎo)致失去冷卻劑事故(LOCA)的因素，因此在設(shè)計中取消了;隔離冷凝器系統(tǒng)(ICS)，是ASME BPV規(guī)范第III節(jié)第I類設(shè)備，提供超壓保護。為了適應(yīng)這些變化，設(shè)計壓力比以前的BWR提高20%。GEH還采用整體式隔離閥，在事故情況下關(guān)閉隔離閥，以阻止冷卻劑流失。

總體而言，由于它占地面積相當(dāng)小，基建投資減少，選址更加靈活，被視為解決困擾大型核電項目成本超支問題的一劑良藥。

塞克斯通說，GEH能消除ESBWR設(shè)計約90%的混凝土和鋼材，使電廠的占地總面積小于一個足球場。該公司預(yù)計，與典型的水冷式SMR相比，BWRX-300每MWe的基建成本最多可降低60%。但是，盡管政策支持和市場對新核電的需求在增長，其經(jīng)濟性仍然令人“望而生畏”。

據(jù)國際能源咨詢公司伍德麥肯茲(Wood Mackenzie)引用的行業(yè)估算，同類首臺(FOAK)SMR的成本可能高達8,000美元/kWe，也可能低至6,000美元/kWe。分析師預(yù)計，在開發(fā)商建設(shè)項目初期，F(xiàn)OAK成本將處于這一范圍的高端，甚至可能更高。

塞克斯通告訴《電力工程》，供應(yīng)鏈伙伴關(guān)系將是成功的“關(guān)鍵”。他說，“如果我們要建造兩三百個或更多BWRX-300型的核電廠，就必須建立非常好的合作伙伴關(guān)系，并且能夠在加拿大、美國和全球擴展供應(yīng)鏈。”

2023年3月，GEH宣布與加拿大安大略電力公司(OPG)、美國田納西流域管理局(TVA)和波蘭Synthos綠色能源公司(SGE)簽訂《技術(shù)合作協(xié)議》，旨在加快監(jiān)管流程和部署。合作伙伴將總共投資約4億美元，用于開發(fā)BWRX-300型SMR標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和關(guān)鍵部件(包括反應(yīng)堆壓力容器和內(nèi)部構(gòu)件)的詳細設(shè)計。合作者正在組建設(shè)計中心工作組，目的是確保機組的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計可在美國、加拿大、波蘭和其他國家部署。

塞克斯通說，“我們的目標(biāo)是，一旦設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)，就不再改變。然后，就可在部署多個反應(yīng)堆的過程中努力降低成本曲線。”他補充說，“我們必須做好頭一兩件事。”

安大略發(fā)電公司的目標(biāo)是，先在其位于安大略省克拉林頓的達靈頓(Darlington)核電廠新項目現(xiàn)場部署B(yǎng)WRX-300。2023年1月，GEH、OPG、SNC-Lavalin和Aecon公司已簽署商業(yè)合同。2022年，加拿大基礎(chǔ)設(shè)施銀行已承諾為這個項目提供9.7億加元(約合7.13億美元)資金，這是迄今為止該銀行在清潔能源領(lǐng)域的最大一筆投資。

這將是北美第一個上網(wǎng)規(guī)模的SMR，目前正在進行場地準(zhǔn)備工作。GEH預(yù)計將于2024年底獲準(zhǔn)開工，可能將于2028年底或2029年初建成投產(chǎn)。

圖1. 安大略省能源部長托德·史密斯(左)和安大略省發(fā)電公司總裁兼首席執(zhí)行官肯·哈特威克(右)宣布，計劃在達靈頓再建三臺BWRX-300機組。

塞克斯通說，“我們正在做施工現(xiàn)場準(zhǔn)備，確定最終標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和廠址特征設(shè)計，提前訂購施工專用設(shè)備，這對確保施工進度非常重要。”

2022年8月，TVA開始為可在田納西州橡樹嶺附近的克林奇河場址部署B(yǎng)WRX-300進行規(guī)劃和初步許可。2022年6月，薩斯喀徹溫省電力公司宣布，它已選定BWRX-300，可能將于2030年代中期在薩斯喀徹溫省部署。

GEH、NuScale和Holtec公司都在開發(fā)輕水冷卻式SMR。正在開發(fā)的其他先進堆技術(shù)，使用非傳統(tǒng)的冷卻劑，包括液態(tài)金屬、熔鹽和氣體等。

美國核能協(xié)會(NEI)首席核能官道格·特魯(Doug True)說，“所有這些項目都已啟動，政府和私營企業(yè)資助了新型設(shè)計的開發(fā)。對于這個行業(yè)來說，這是非常激動人心的時刻。”

另一個推動因素源自聯(lián)邦政府的《通脹削減法案》(IRA)，它為先進堆和微堆提供慷慨的稅收減免。這使得SMR對公用事業(yè)公司更具吸引力。特魯說，NEI在2022年對美國公用事業(yè)公司首席核官員進行了調(diào)查，詢問他們需要多少先進核電才能實現(xiàn)去碳化目標(biāo)。他說，累計答復(fù)超過90GW。IRA通過之后，NEI更新了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大約增長10%，據(jù)說約需新型核電100GW。

從另一個角度來看，美國電力研究所(EPRI)的《先進反應(yīng)堆路線圖》引用的最新評估表明，未來10～20年，美國和加拿大部署先進堆的需求可與北美現(xiàn)有全部運行的核能容量相媲美，甚至可能會超過。

特魯說：“挑戰(zhàn)是存在的。但是，其他國家降低核反應(yīng)堆成本的方法是善于建造核反應(yīng)堆。通過建成第一批核電廠的過程獲得經(jīng)驗教訓(xùn)，我們會變得越來越好。”

伍德麥肯茲公司的建模展示，如果到2030年成本降至120美元/MWh，在世界某些地區(qū)，SMR就能與壓水堆(PWR)、天然氣和煤炭(包括帶減排和不帶減排)發(fā)電的成本相競爭。

BWRX-300技術(shù)設(shè)計參數(shù)

BWRX-300是額定出力300MWe的水冷、主回路“自然循環(huán)”、采用簡單、固有安全保護系統(tǒng)的SMR。它是第10代沸水反應(yīng)堆(BWR)，代表自1955年通用電氣開始開發(fā)核反應(yīng)堆以來最簡單，但最具創(chuàng)新的BWR設(shè)計。BWRX-300是美國NRC許可的1520MWe的ESBWR的演進版，是在嚴格遵循原子能機構(gòu)縱深防御指導(dǎo)方針的理念下開發(fā)的。

下列BWRX-300型SMR的堆芯配置和主要技術(shù)參數(shù)，是GEH在2020年提供國際原子能機構(gòu)(IAEA)發(fā)布的。詳見參考資料[2]。

圖2. BWRX-300型SMR的堆芯配置和主要技術(shù)參數(shù)

BWRX-300已通過加拿大核設(shè)計兩階段聯(lián)合審查

GEH的BWRX-300設(shè)計，已經(jīng)通過了加拿大核安全委員會(CNSC)供應(yīng)商設(shè)計審查(VDR)過程的前兩個階段，標(biāo)志著這個SMR設(shè)計取照不存在任何根本性的障礙[3]。

加拿大核監(jiān)管機構(gòu)的VDR程序是一種可選的預(yù)許可機制，允許CNSC工作人員在設(shè)計過程的早期向申請方提供反饋。雖然CNSC迄今已完成11個核能設(shè)計的VDR，但獲準(zhǔn)大多數(shù)通過的是三個階段的第一階段審查。完成第一階段審查僅僅意味著，監(jiān)管機構(gòu)根據(jù)CNSC的最新要求，對供應(yīng)商的核電站設(shè)計進行了評估。Moltex能源公司(SSR-W)、Holtec國際公司(SMR-160 PWR)、超安全核能公司(MMR，HGTR微堆)和陸地能源公司(IMSR)等幾家小型堆設(shè)計公司的設(shè)計，都已通過了第一階段的審查。

第二階段涵蓋與許可的潛在“基本”障礙相關(guān)的評估，第三階段允許供應(yīng)商“跟進”第二階段發(fā)現(xiàn)的某些方面問題。迄今為止，只有AECL的ACR-1000、西屋電氣的AP1000和加拿大坎杜能源公司的增強型Candu通過了前兩個階段的審查。

值得注意的是，GEH于2019年12月與CNSC達成協(xié)議，為其300 Mwe(870 MWt)沸水堆BWRX-300進行第一階段和第二階段的聯(lián)合VDR。CNSC表示，“第一階段和第二階段合并VDR的目的是，確定GEH是否理解CNSC的監(jiān)管要求，以及反應(yīng)堆設(shè)計滿足這些要求的程度。”

GEH指出，它于2020年首次向CNSC提交了對BWRX-300設(shè)計的審查，此后提交了19個VDR重點領(lǐng)域的文件，包括電廠概況、控制系統(tǒng)和設(shè)施、研究與開發(fā)以及設(shè)計過程。GEH先進核能執(zhí)行副總裁肖恩·塞克斯通3月15日指出，“這些階段的成功完成以及收到的SMR設(shè)計反饋，是這種技術(shù)部署的重要步驟。”

預(yù)許可步驟支持給達靈頓SMR頒發(fā)許可證

CNSC指出，聯(lián)合審查基于200多份文件提供的信息。“CNSC的工作人員從這些信息中得出結(jié)論，GEH理解并正確解釋了加拿大核電站設(shè)計監(jiān)管要求的意圖”。

然而它說，盡管CNSC工作人員沒有確定許可的“根本性”障礙，但是“審查確實揭示了某些需要進一步開發(fā)的技術(shù)領(lǐng)域，以便GEH更好地證明遵守了CNSC的要求。”其中一項要求是，“BWRX-300的安全分析需要按程序進行，詳細說明這些技術(shù)步驟。”

CNSC指出，它強調(diào)許多的“發(fā)現(xiàn)”和“技術(shù)澄清”會支持未來的許可申請，包括安大略發(fā)電公司在安大略省克拉靈頓達靈頓新核項目(DNNP) BWRX-300的部署。

OPG于2022年10月向CNSC提交建造開創(chuàng)性SMR型核電廠的許可證申請。2023年2月，OPG和GEH宣布與加拿大核電公司SNC-Lavalin和Aecon組成的合作伙伴，以支持該核電機組的部署。正如POWER網(wǎng)站報道的，兩家公司的聯(lián)盟協(xié)議是北美電網(wǎng)規(guī)模SMR的第一個此類協(xié)議，其宗旨在于解決與新建項目相關(guān)的施工復(fù)雜性、潛在的延誤和成本超支問題，使之成為加拿大和美國首批商業(yè)化的SMR項目之一。

GEH在3月16日說，達靈頓SMR建設(shè)將于2028年底完成。這個項目的成功開發(fā)可以鞏固在薩斯喀徹溫省、新不倫瑞克省和阿爾伯塔省的潛在部署。GEH近期的其他潛在部署，包括田納西州和波蘭的項目。

值得注意的是，田納西流域管理局(TVA)2022年8月就與GEH簽署協(xié)議，開始規(guī)劃并向NRC申請初步許可，在田納西州橡樹嶺附近克林奇河場址部署B(yǎng)WRX-300。與此同時，CNSC和NRC于2022年9月批準(zhǔn)了BWRX-300型 SMR設(shè)計許可審查中的監(jiān)管和安全問題的合作備忘錄。

圖3. 美國TVA克林奇河廠址預(yù)留SMR設(shè)施的藝術(shù)想象

CNSC已為潛在的核擴張做好準(zhǔn)備

據(jù)CNSC首席執(zhí)行官魯米娜·韋爾希(Rumina Velshi)說，監(jiān)管機構(gòu)的合作努力“改變了游戲規(guī)則”。韋爾希于2月24日在加拿大核協(xié)會2023年會上發(fā)表講話說，CNSC和NRC一直在努力，“通過聯(lián)合評估，利用他們的知識和經(jīng)驗。”“我們剛剛發(fā)表了第四份聯(lián)合評估報告。”

韋爾希補充說，“雖然我們一直與美國NRC合作良好，但我們現(xiàn)在已經(jīng)進入全新的合作階段。”“隨著我們進入授權(quán)階段，我們正在為更大的合作奠定基礎(chǔ)。我們還考慮到兩家公司的近期和長期目標(biāo)，制定了一項戰(zhàn)略計劃。”

CNSC最近與英國和波蘭的核監(jiān)管機構(gòu)簽署了類似的合作協(xié)議。值得注意的是，GEH于2022年12月正式向英國監(jiān)管機構(gòu)提交了通用設(shè)計評估(GDA)。與VDR類似，GDA是由英國核監(jiān)管辦公室(ONR)和環(huán)境局(EA)監(jiān)督的非強制性監(jiān)管程序，以確保新建核電站符合安全、安保和環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)。

按照韋爾希的說法，CNSC合作努力的關(guān)鍵是“確保提議部署的SMR設(shè)計的數(shù)量得到良好的管理。”她說，在實現(xiàn)凈零排放的努力中，這一點尤為重要。韋爾希指出，加拿大獨立電力系統(tǒng)運營商(IESO)在2022年12月提出的脫碳路線圖預(yù)計，安大略省可能需要多達17.8GWe的新核電供應(yīng)。

圖4. 科學(xué)與研究常務(wù)委員會(Standing Committee on Science and Research)于2023年2月向加拿大下議院提交的報告強調(diào)加拿大正在開發(fā)的新核項目。

她說，“從這個角度看，安大略省目前的核能發(fā)電裝機總?cè)萘考s為13GWe。需要強調(diào)的是，這只是安大略省的數(shù)據(jù)。而阿爾伯塔省、薩斯喀徹溫省和新不倫瑞克省，也在考慮類似的新核電裝機容量的指數(shù)增長。”韋爾希強調(diào)，“平衡”至關(guān)重要，這樣CNSC和行業(yè)的努力才能得到適當(dāng)?shù)募泻蛢?yōu)化。“監(jiān)管機構(gòu)不希望成為引進新技術(shù)的障礙。”

全球推建BWRX-300型先進SMR的前景

1. 據(jù)IAEA報告，近期全世界開發(fā)水冷SMR的技術(shù)設(shè)計達30多個[3]，但有廣泛影響的堆型不多，影響最大的仍在北美。有近期順利商業(yè)化建造前景，可能在20年代內(nèi)建成發(fā)電的，也就是GEH的BWRX-300[4]。

2. BWRX-300型輕水冷卻SMR設(shè)計的最簡單描述是，額定功率300MWe、水冷、主冷卻劑自然循環(huán)，并且設(shè)有非能動安全系統(tǒng)的先進SMR。與其他水冷式SMR設(shè)計或現(xiàn)有的大型核反應(yīng)堆設(shè)計相比，它是成熟的、經(jīng)多年運行BWR設(shè)計的簡化，可顯著降低基建成本，已經(jīng)加拿大和美國核安全當(dāng)局預(yù)審查，沒有發(fā)現(xiàn)頒發(fā)許可的根本性障礙[5]。

3. 世界最早、最先選定建造BWRX-300型輕水冷卻SMR的是加拿大。已經(jīng)政府批準(zhǔn)，并已簽訂商務(wù)合同，開展現(xiàn)場施工準(zhǔn)備;已確定第一臺機組的建成發(fā)電進度的是OPG的達靈頓核電站預(yù)留廠址，2028～2029年將建成并網(wǎng)發(fā)電;后續(xù)三臺機組將建在同一廠址，續(xù)建時間是2034～2036年[5]。

4. 加拿大SaskPower公司2022年6月宣布，它已選定BWRX-300，或?qū)⒂?030年代中期開工，部署在薩斯喀徹溫省[6]。

5. 2023年2月23日，美國通用電氣-日立核能公司、美國田納西河谷管理局、加拿大安大略電力公司和波蘭Synthos綠色能源公司代表三個國家，在華盛頓特區(qū)簽署技術(shù)合作協(xié)議，投資開發(fā)BWRX-300標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和關(guān)鍵部件的詳細設(shè)計，包括反應(yīng)堆壓力容器和反應(yīng)堆內(nèi)部部件。電力生產(chǎn)商還將組成一個設(shè)計中心工作組，旨在確保標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計在多個司法管轄區(qū)可部署并獲得許可。目的是提高BWRX-300設(shè)計的競爭力和可部署能力，使這個標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計“一旦完成，可多次翻版”[7]。

6. 美國田納西流域管理局已在2022年2月宣布，將在橡樹嶺附近的克林奇河現(xiàn)場準(zhǔn)備BWRX-300的建設(shè)許可申請。根據(jù)3月23日三國四方聯(lián)合發(fā)布的公告，美國田納西流域管理局還在探索其服務(wù)區(qū)潛在SMR部署的其他地點[8]。

7. 在波蘭，ORLEN合成綠色能源(SGE和PKN ORLEN的合資企業(yè))及其合作伙伴通過向波蘭國家原子能機構(gòu)提交了BWRX-300評估申請，開始了預(yù)許可程序。波蘭能源公司OSGE已經(jīng)啟動選址程序，計劃在這十年內(nèi)部署第一個機組，并有可能組建一個BWRX-300的堆群。就在不久前，加拿大核安全委員會和波蘭國家原子能機構(gòu)簽署了一項協(xié)議，將合作進行SMR技術(shù)審查[7]。

8. GEH于2023年2月8日宣布，愛沙尼亞費米能源公司選定GEH的BWRX-300小型模塊化反應(yīng)堆，可能部署在該歐洲國家。費米能源公司是一家私人控股公司，成立的目的是調(diào)查在愛沙尼亞采用SMR的可能性。GEH和費米能源公司自2019年開始合作，雙方達成協(xié)議，就BWRX-300的潛在部署應(yīng)用程序進行合作。這種合作在2021年得到推進，雙方達成合作協(xié)議，在許可支持和供應(yīng)鏈開發(fā)等領(lǐng)域共同合作[9]。

為了支持BWRX-300的全球部署，GEH還與捷克、瑞典、英國等國的公司簽訂了諒解備忘錄或其他協(xié)議。GEH還開始了在英國為BWRX-300的設(shè)計認證過程。

9. 2022年3月，Kärnfull Next公司與GEH就在瑞典部署B(yǎng)WRX-300簽署諒解備忘錄，目標(biāo)是在2030年代初在瑞典一個新核電廠址運營第一個商用SMR[10]。

見解與思考

1. 全球核電發(fā)展的緊迫性和現(xiàn)實性，因俄烏“軍事沖突”復(fù)雜化了，但2023年的氣候危機現(xiàn)實與前景預(yù)測更令世人“不寒而栗”。能源轉(zhuǎn)型的緊迫性促使世界各國認真看待核能的優(yōu)劣，并作出抉擇。“小堆能否支撐核能的新一輪規(guī)模化發(fā)展”[11]，取決于兩個關(guān)鍵要素：經(jīng)濟成本和安全性。

2. 目前核能在世界能源轉(zhuǎn)型中的地位是可再生能源的“補充”，而不是“主導(dǎo)”。因為核能的平準(zhǔn)化成本中，燃料占比高達60～80%，而可再生能源的平準(zhǔn)化成本接近“零”。

3. 三代和三代+核能，在中國和世界大多數(shù)地區(qū)，因技術(shù)和核安全處于劣勢，而且僅限于起源國和國有體制(中國和法國)，很難推廣和扭轉(zhuǎn);而在核能技術(shù)最發(fā)達的北美地區(qū)不可能再建AP1000和先進“坎杜”堆，其他肯作出這種決策的國家“鳳毛麟角”。

4. 先進SMR和第四代核能研發(fā)“如火如荼”，最大的障礙是“示范”，安全不是問題。因為它們的“應(yīng)急規(guī)劃區(qū)”是“廠區(qū)圍欄”或“核島外墻”;最具說服力的理論是“確定論”而不是“概率論”。最關(guān)心“示范”的是國家和投資方，而不是用電的“客戶”，而且能最早示范的是社會公眾熟悉的先進水冷SMR(BWR，PWR)。至于第四代核能系統(tǒng)，大多在上個世紀(jì)50～70年代就已經(jīng)初步示范過了，因為使用的冷卻劑很“新鮮”，“示范”的關(guān)鍵是通過國家核安全監(jiān)管機構(gòu)的嚴格“審評”。

5. 先進核能研發(fā)“如火如荼”最具“誘惑力”的前景，是解決現(xiàn)代水冷堆“用過的”(乏)核燃料“后處理”和“再循環(huán)”演示成功，從根本上解決裂變核能的“核廢料”問題，使先進核能的核燃料“平準(zhǔn)化成本”也接近“零”，成為另一種“可再生能源”，可與太陽能、風(fēng)能、水能及其他天然可再生能源相競爭……

參考資料與注釋

[1] Kevin Clark, “We have to get this right”: GE Hitachi’s Sean Sexstone on new nuclear, Power Engineering, 6. 1. 2023.

[2] IAEA, Advances in Small Modular Reactor Technology Developments: A Supplement to: IAEA Advanced Reactors Information System (ARIS), 2020 Edition, September 2020.

[3] Sonal Patel, BWRX-300 Becomes First SMR to Clear Two Phases of Canadian Nuclear Design Review, POWER, Mar 16, 2023.

[4] David Appleyard, Building up speed for the SMR roll out, NEI, 12 April 2023.

[5] ANS, More BWRX-300 units to be deployed at Darlington, July 10, 2023.

[6] WNN, BWXT to manufacture BWRX-300 reactor vessel, 22 March 2023.

[7] ANS, GEH Nuclear Energy celebrates three-nation plan for BWRX-300 standard design, March 23, 2023.

[8] WNN, TVA, GEH cooperate on BWRX-300 deployment at Clinch River, 03 August 2022.

[9] ANS, Fermi Energia picks BWRX-300 SMR for Estonia, February 9, 2023.

[10] WNN, Kärnfull Next receives investment from climate tech fund, 07 July 2023.

[11] 馬清遠，小堆能否支撐核能的新一輪規(guī)模化發(fā)展?能源雜志，2023-07-03。