全球正在實(shí)施的先進(jìn)堆項(xiàng)目的位置和狀態(tài)(綠色，運(yùn)行中;橘黃，取照中;藍(lán)色，規(guī)劃中;淡紅，建造中)[1]

對先進(jìn)核技術(shù)的普遍誤解是，它們是概念性的，還不能及時(shí)商業(yè)化，為實(shí)現(xiàn)近期氣候目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。然而，全面審視全球發(fā)展先進(jìn)核能的努力，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們在商業(yè)化和運(yùn)行方面的快速進(jìn)展。例如，在美國、加拿大等世界許多國家，許多項(xiàng)目正在進(jìn)行，特別是在北美地區(qū)，最近制定的多項(xiàng)政策，支持先進(jìn)堆的發(fā)展，完全有能力成為這個(gè)領(lǐng)域全球的領(lǐng)導(dǎo)者。其他地區(qū)的某些國家也在大膽地推進(jìn)先進(jìn)反應(yīng)堆的開發(fā)、演示、部署和商業(yè)化項(xiàng)目，有些反應(yīng)堆已經(jīng)在建造或運(yùn)行。美國為實(shí)現(xiàn)在先進(jìn)核領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，還需要加倍采取政策措施，支持先進(jìn)反應(yīng)堆的發(fā)展，包括加強(qiáng)政府與私營部門的伙伴關(guān)系，如先進(jìn)堆示范規(guī)劃(ARDP)，繼續(xù)推進(jìn)核監(jiān)管和許可框架的現(xiàn)代化，確保高含量低濃縮鈾(HALEU)燃料的充足供應(yīng)，并探索聯(lián)邦政府采購先進(jìn)堆技術(shù)的機(jī)會(huì)。

在北美地區(qū)，下一代核反應(yīng)堆統(tǒng)稱為“先進(jìn)(反應(yīng))堆”，正朝著商業(yè)化方向取得重大進(jìn)展，準(zhǔn)備成為清潔能源的新工具。這些先進(jìn)堆，或者是當(dāng)今主要的反應(yīng)堆技術(shù)即輕水堆(LWR)的進(jìn)化，或者是非輕水堆設(shè)計(jì)，但自20世紀(jì)60年代以來一直在實(shí)驗(yàn)和有限的商業(yè)基礎(chǔ)上運(yùn)行，從未廣泛應(yīng)用。

今天是先進(jìn)堆領(lǐng)域的分水嶺，全球多個(gè)不同的設(shè)計(jì)，正在商業(yè)規(guī)模上進(jìn)行演示。它們跨越多個(gè)技術(shù)、規(guī)模和目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域。這些項(xiàng)目的開發(fā)時(shí)間表說明，許多先進(jìn)的核能系統(tǒng)有可能在2020年代進(jìn)行商業(yè)演示，在2030年代降低成本并大規(guī)模投入使用，以應(yīng)對氣候的挑戰(zhàn)。 這些反應(yīng)堆是為大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)計(jì)的，通過模塊化、設(shè)計(jì)簡化和高水平的制造，降低建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)。由于建設(shè)時(shí)間更短、建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)較低，先進(jìn)堆能通過技術(shù)學(xué)習(xí)，迅速降低成本。

先進(jìn)堆類型、規(guī)模與應(yīng)用

美國

2020年是美國先進(jìn)堆取得重大進(jìn)展的一年。5月，能源部(DOE)啟動(dòng)先進(jìn)堆示范規(guī)劃(ARDP)，截至2021財(cái)年，該計(jì)劃為先進(jìn)堆項(xiàng)目撥款4.8億美元。 這個(gè)規(guī)劃有下列三個(gè)不同的發(fā)展和示范路徑：

●先進(jìn)堆示范裝置：獎(jiǎng)勵(lì)兩個(gè)2027年前運(yùn)行的全范圍先進(jìn)堆。DOE將在未來七年為泰拉能源/通用電氣-三菱公司的內(nèi)特瑞厄姆(Natrium)鈉冷快堆和X-能源公司 Xe-100高溫氣冷堆(HTGR)項(xiàng)目投資32億美元，其中包括一個(gè)熔鹽儲能系統(tǒng)。

●降低風(fēng)險(xiǎn)獎(jiǎng)：支持未來10-14年內(nèi)獲得許可和部署的反應(yīng)堆獎(jiǎng)。 DOE預(yù)計(jì)將在七年內(nèi)投資約6億美元。 五名得獎(jiǎng)?wù)呤牵?/p>

■凱洛斯能源公司(Kairos)的小型試驗(yàn)堆赫耳墨斯(Hermes)，是商用氟鹽冷卻高溫堆的先驅(qū);

■西屋電氣公司的伊達(dá)芬奇(eVinci)，熱管式微堆;

■BWXT公司的先進(jìn)核反應(yīng)堆，便攜式微堆;

■赫爾泰克公司(Holtec)的SMR-160，輕水冷卻式反應(yīng)堆;

■南方公司服務(wù)公司的熔鹽氯化物反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)裝置，泰拉能源公司設(shè)計(jì)的熔鹽氯化物快堆。

美國凱洛斯能源公司(Kairos)KP-FHR型反應(yīng)堆的藝術(shù)家想像[2]

●《2020年先進(jìn)堆概念》(ARC 20)獎(jiǎng)，是DOE支持的另一途徑，旨在推進(jìn)本世紀(jì)30年代中期有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化潛力的設(shè)計(jì)。 獲獎(jiǎng)?wù)呤茿RC清潔能源公司，正在開發(fā)一種地震隔離的先進(jìn)鈉冷堆; 通用原子公司(GA)的50 MW級模塊式快堆概念設(shè)計(jì); 麻省理工學(xué)院(MIT)的團(tuán)隊(duì)正在研究的臥式用于先進(jìn)核能的高溫氣冷堆(HTGR)概念。 DOE預(yù)計(jì)將在四年內(nèi)投資5600萬美元。

美國國會(huì)還在年底的綜合法案中，塞進(jìn)了已通過的《2020年能源法案》(Energy Act of 2020)，其中包括66億美元巨款的授權(quán)資金，用于先進(jìn)核能。 這個(gè)法案不僅批準(zhǔn)未來五年ARDP的資金，還有個(gè)支持國內(nèi)高含量低濃縮鈾(HALEU)商用的規(guī)劃。HALEU用于最先進(jìn)反應(yīng)堆的燃料組分，是大規(guī)模部署的必要條件。 此外，《2020年能源法案》授權(quán)的規(guī)劃，側(cè)重于核集成的能源系統(tǒng)，這對于演示非電力應(yīng)用的核技術(shù)如制氫、工藝供熱或除鹽非常重要。 雖然國會(huì)仍需要為這些規(guī)劃撥款，但這項(xiàng)授權(quán)為DOE提供了有用的指導(dǎo)，強(qiáng)烈表明先進(jìn)堆是國會(huì)兩黨優(yōu)先考慮的問題。

《2020年能源法案》中授權(quán)用于先進(jìn)核能的資金的主要內(nèi)容總結(jié)如下:

已授權(quán)的先進(jìn)核能資金(2020年能源法案)

到目前為止，多個(gè)ARDP獲獎(jiǎng)?wù)咝嫉氖痉秷鲋吩谌A盛頓州的里奇蘭(Richland); 田納西州的橡樹嶺(Oak Ridge);懷俄明州已退役的燃煤電廠;愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室(INL)科技園區(qū)現(xiàn)場。

在商業(yè)示范的同時(shí)，美國防部(DOD)正在推進(jìn)“堡壘”(Pele)項(xiàng)目，目標(biāo)是在2024年之前設(shè)計(jì)、建造和演示一個(gè)移動(dòng)式核反應(yīng)堆原型。2021年3月，美國國防部宣布已選擇BWX技術(shù)公司和X-能源公司完成移動(dòng)式核反應(yīng)堆原型的最終設(shè)計(jì)。 在2022年完成最終設(shè)計(jì)后，DOD可能選擇一家公司建造其原型堆，預(yù)計(jì)在2023年底完成反應(yīng)堆滿功率試驗(yàn)，并在2024年在能源部的設(shè)施現(xiàn)場進(jìn)行戶外移動(dòng)試驗(yàn)。

2020年還是美國先進(jìn)堆頒證的重要里程碑。紐斯卡爾能源公司(NuScale)正在與猶他州聯(lián)合市政電力系統(tǒng)(UAMPS)就無碳電力項(xiàng)目(CFPP)開展合作，并于2020年8月獲得美國核管理委員會(huì)(NRC)頒發(fā)的小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)首個(gè)設(shè)計(jì)許可證。 CFPP將位于愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室(INL)現(xiàn)場，預(yù)計(jì)于2029年開始運(yùn)行。 2020年，美國能源部撥款14億美元支持這個(gè)項(xiàng)目的發(fā)展。

奧克洛能源公司(Oklo)也向NRC提交了第一份先進(jìn)堆的聯(lián)合許可申請。 Oklo的極光(Aurora)能源堡(Powerhouse)是個(gè)非輕水堆設(shè)計(jì)的微堆，也建在INL科技園區(qū)現(xiàn)場，預(yù)計(jì)在2023年至2025年之間投入使用。

加拿大

2020年12月，加拿大政府與全國主要利益攸關(guān)方共同啟動(dòng)加拿大SMR行動(dòng)計(jì)劃。 它建立在加拿大自然資源部(NRCAN)領(lǐng)導(dǎo)的2018年SMR路線圖的基礎(chǔ)上，通過與加拿大領(lǐng)土、各省、土著人民和社區(qū)、公用事業(yè)、供應(yīng)商和國家實(shí)驗(yàn)室接觸獲得信息。加拿大的SMR行動(dòng)計(jì)劃，在SMR發(fā)展、示范和部署的關(guān)鍵領(lǐng)域提出了50多項(xiàng)建議，并以利益攸關(guān)方的關(guān)注為基礎(chǔ)，確立具體的目標(biāo)。

加拿大第一個(gè)先進(jìn)堆項(xiàng)目是Global First電力公司在加拿大核實(shí)驗(yàn)室(CNL) 喬克河科技園區(qū)現(xiàn)場的15 MWt的微型模塊堆(MMR)商用示范裝置，核供應(yīng)商是美國超安全核公司(USNC)。這個(gè)項(xiàng)目是CNL在它管理的現(xiàn)場建設(shè)和運(yùn)營SMR規(guī)劃的一部分，有四家公司參與其中，各處于不同的階段。為首的開發(fā)者Global First是安大略省發(fā)電公司(OPG)和核供應(yīng)商USNC的合資企業(yè)。 Global First已參與取照和環(huán)境評估過程，計(jì)劃MMR示范裝置2025年投入商業(yè)應(yīng)用。

加拿大MMR™核電機(jī)組反應(yīng)堆安全廠房剖視圖(反應(yīng)堆壓力容器大，是這種堆的特點(diǎn))[3]

OPG還尋求在其達(dá)靈頓核電廠現(xiàn)場建造電網(wǎng)規(guī)模的SMR。這個(gè)現(xiàn)場已獲得加拿大核安全委員會(huì)(CNSC)頒發(fā)的現(xiàn)場準(zhǔn)備許可證。 OPG正在與三家核供應(yīng)商推進(jìn)工程和設(shè)計(jì)工作，它們是GE-H的BWRX-300、陸地能源公司(Terrestrial)的 IMSR和X-能源公司的Xe-100。OPG的目標(biāo)是第一臺機(jī)組盡早在2028年上網(wǎng)。

新布倫瑞克電力公司(NBP)是加拿大另一家公用事業(yè)公司，也在推進(jìn)新一代核反應(yīng)堆。 NBP正在與兩家核供應(yīng)商Moltex和ARC加拿大核公司合作，2020年代后期在普列斯特角核電廠(Point Lepreau)現(xiàn)場取照并建造先進(jìn)堆核電裝置。

馬尼托巴省偏遠(yuǎn)的Pinawa社區(qū)，也同意向離網(wǎng)社區(qū)或采礦組織展示SMR的優(yōu)勢。 Pinawa是CNL管理的白殼實(shí)驗(yàn)室(Whiteshell)的所在地，這個(gè)核研發(fā)基地目前正在退役中。

俄羅斯

2019年12月，全球首個(gè)浮動(dòng)商業(yè)SMR羅蒙諾索夫院士號(Akademik Lomonosov)接入電網(wǎng)。 船上的兩個(gè)35MWe的KLT-40C反應(yīng)堆，基于俄羅斯破冰船使用的技術(shù)，為俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)的Chaun-Bilibino網(wǎng)絡(luò)提供電力。俄羅斯國家原子能公司(Rosatom)2020年12月宣布，將在西伯利亞的薩哈共和國建造首個(gè)商用RITM-200型50MWe的反應(yīng)堆，它是KLC-40C的升級版，目前用于俄羅斯最新破冰船。今年開始現(xiàn)場工作，預(yù)計(jì)2028年投入運(yùn)行。

俄羅斯在快堆部署方面也有許多經(jīng)驗(yàn)，在別洛亞爾斯克核電站就有兩個(gè)商業(yè)規(guī)模的快堆：BN-600鈉冷快堆(1980年開始運(yùn)行)和BN-800(2016年開始運(yùn)行)，但燃料成分不同。Rosatom越來越把快堆視為俄羅斯核工業(yè)的未來，重點(diǎn)項(xiàng)目之一是Proryv(突破)，力圖展示核燃料閉環(huán)，以提高鈾的利用率，減少核廢物積累。

Proryv項(xiàng)目的關(guān)鍵部分是核反應(yīng)堆研究所(MBIR)的150 MWt的多回路鈉冷快堆，MOX燃料，能測試鉛、鉛鉍和氣體冷卻劑。 這個(gè)堆正在季米特洛夫格勒RIAR內(nèi)建造，計(jì)劃2021年底投入運(yùn)行。 RIAR還要在同一現(xiàn)場建造高溫化學(xué)后處理設(shè)施，使核燃料閉環(huán)，整個(gè)項(xiàng)目與IAEA的國際創(chuàng)新核反應(yīng)堆與燃料循環(huán)項(xiàng)目結(jié)盟，對國外合作持開放態(tài)度。

Proryv項(xiàng)目的另一部分是BREST OD-300、位于托木斯克地區(qū)Seversk的鉛冷快堆。 現(xiàn)場準(zhǔn)備工作于2020年開始，計(jì)劃反應(yīng)堆于2026年投入使用。

Rosatom在托木斯克新建brest - odd -300快堆施工現(xiàn)場上空旗幟飄揚(yáng)[4]

俄羅斯還計(jì)劃在季米特洛夫格勒現(xiàn)場示范SVBR-100。它基于俄羅斯核潛艇上使用的鉛鉍反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。Rosatom和Irkutskenergo(西伯利亞能源公司)各占50%的合資建造，已獲得項(xiàng)目的現(xiàn)場許可證。

其他國家

指英國、阿根廷、烏克蘭，以及沙特阿拉伯等國。但更值得關(guān)注的是中國，正在開發(fā)兩種球床式高溫堆：清華大學(xué)開發(fā)的HTR-PM和中科院上海應(yīng)用物理研究所開發(fā)的TMSR。

快速發(fā)展第四代核能，一直是中國過去兩個(gè)五年計(jì)劃的關(guān)鍵組成部分，很可能仍將是戰(zhàn)略重點(diǎn)。就行動(dòng)而言，一直走在世界前列的，是清華大學(xué)10 MWt的高溫球床反應(yīng)堆(HTR-10)和山東威海石島灣核電站建設(shè)的兩臺100 MWe的HTR-PM裝置。前者早在2003年就曾成功地投入運(yùn)行;后者2021年1月開始熱態(tài)功能測試，計(jì)劃下半年上網(wǎng)發(fā)電。

中科院上海應(yīng)用物理研究所開發(fā)的TMSR，甚至比美國凱洛斯能源公司(Kairos)的HFR還早，而且起點(diǎn)較高，能部署在沙漠地區(qū)，可緩解國家對能源安全的擔(dān)憂;預(yù)計(jì)是世界上第一個(gè)破土動(dòng)工的商用裝置，不使用大量的水或蒸汽系統(tǒng)來冷卻堆芯。

這個(gè)堆的設(shè)計(jì)額定功率100 MWe;其原型堆10 MWe即將建成調(diào)試，將為2030年計(jì)劃建成的首個(gè)商用堆建設(shè)鋪平道路。

釷熔鹽反應(yīng)堆核能系統(tǒng)(TMSR) 原理圖。反應(yīng)堆容器高3m, 外徑2.5 m;但包含蒸汽渦輪機(jī)等其他設(shè)備，整個(gè)核電廠較大。[5]

結(jié)語

許多國家承認(rèn)核反應(yīng)堆是提供低碳能源的一種方法，所以了解先進(jìn)堆廣泛發(fā)展的全球前景很重要。 終端用戶國家對這套技術(shù)感興趣，在于它能滿足特定的需求;核供應(yīng)商國家提供的產(chǎn)品，要有明顯的市場優(yōu)勢。 美國的核技術(shù)，基礎(chǔ)深厚，而且先進(jìn)核工業(yè)已取得重大成就，但能否取得上個(gè)世紀(jì)60-70年代的輝煌，并不確定。

先進(jìn)核技術(shù)和產(chǎn)品的前景，哪些國家和哪種技術(shù)會(huì)取得明顯的市場優(yōu)勢，歸根結(jié)底取決于產(chǎn)品的綜合經(jīng)濟(jì)比較優(yōu)勢，地理位置的局域性是次要的。有些用戶最初選中某種技術(shù)，也可能有某些局限性，但不影響最終的結(jié)果，上個(gè)世界60-70年代堆型選擇的后果，有啟示作用。

幾個(gè)國家都在嘗試“核燃料閉環(huán)”運(yùn)行，這是個(gè)好兆頭。核工業(yè)要取得廣泛公眾的認(rèn)可，核安全和核廢物處置安全至關(guān)重要，而且有可能開啟經(jīng)濟(jì)無憂、安全進(jìn)入“核時(shí)代”之門。

資料與注釋：

1 Third Way, Advanced Reactors: Turning the Corner, Published June 16, 2021

2 ANS, TVA and Kairos partner on demonstration reactor, Nuclear News, May 6, 2021

3 Global First Power, Project Description for the Micro Modular Reactor™ Project at Chalk River, CRP-LIC-01-001, 2019/07/08

4 Darrell Proctor, Nuclear First—Work Starts on Russian Fast Neutron Reactor, POWER, Jun 8, 2021

5 David Dalton, Researchers ‘Unveil Design’ For Next-Generation Commercial Molten Salt Reactor, NUCNET, 22 July 2021