美國擴展微型輕水堆計劃，量化供熱和制氫的效益

據《核能內幕》(Nuclear Energy Insider)網(wǎng)報道，美國能源部將在美國實(shí)施設計創(chuàng )新，規?；販y試首臺小型模塊式反應堆(SMR)，用以于優(yōu)化非電應用“收益流”。

SMR開(kāi)發(fā)商的目標是供電的同時(shí)，開(kāi)發(fā)能源的工業(yè)應用

去年12月，美國能源部核能辦公室與猶他州聯(lián)合市政電力系統公司(UAMPS)和巴特爾能源聯(lián)盟(Battelle Energy Alliance)簽署諒解備忘錄(MoU)，將努斯卡爾(NuScale)公司計劃在愛(ài)達荷建造的720MWe的SMR核電站一部分用于研究目的。

NuScale型SMR屬微型輕水堆技術(shù)，經(jīng)美國核管會(huì )審查，已確認其安全性，應急規劃區的邊界就是核電站的現場(chǎng)邊界，并將定于明年8月頒發(fā)建造許可證。

這個(gè)無(wú)碳電力項目，包括2017-2026年在愛(ài)達荷國家實(shí)驗室(INL)現場(chǎng)建造12個(gè)NuScale型 60MWe的SMR模塊。據此MoU，其中一個(gè)60MWe的模塊，將專(zhuān)用于聯(lián)合使用模塊裝置(JUMP)研究項目的非電力應用測試。能源部還計劃使用第二個(gè)模塊，給INL的設施供電。

這個(gè)電廠(chǎng)的其余模塊將給UAMPS供電。UAMPS代表猶他州、加州、愛(ài)達荷州、內華達州、新墨西哥州、俄勒岡州和懷俄明州的社區擁有的電網(wǎng)。

INL系統集成經(jīng)理、JUMP項目主管香濃·布拉格-西頓(Shannon Bragg-Sitton)告訴《核能內幕》，JUMP研究項目將考察一系列非電應用，包括給工業(yè)過(guò)程、海水淡化和制氫提供熱能。她說(shuō)，INL還將創(chuàng )建一個(gè)平臺，借助NuScale擴大以前的研究，允許運營(yíng)商藉此應對可再生能源的間歇性問(wèn)題，并在電力供應過(guò)剩時(shí)開(kāi)展非電應用。

布拉格-希頓說(shuō)，此研究旨在支持SMR的多種用途，開(kāi)辟新的市場(chǎng)。她說(shuō)，“核電廠(chǎng)傳統上用來(lái)發(fā)電，并不用來(lái)滿(mǎn)足工業(yè)過(guò)程的熱能需求，但這種模式正在發(fā)生變化。”

新型市場(chǎng)

聯(lián)合使用模塊裝置(JUMP)項目分為三個(gè)階段。第一階段(2018-2021)，INL將為核電機組創(chuàng )建一個(gè)廣義的非電應用項目清單，開(kāi)發(fā)成本估算，并與NuScale、公用事業(yè)公司和其他潛在的終端用戶(hù)創(chuàng )建一綜合的建模、測試和取證計劃。第二階段(2021年至2026年)，INL將對不同的運營(yíng)體制進(jìn)行臺式測試和上規模的非核演示。在第三階段，INL將在2027年前后電廠(chǎng)投產(chǎn)時(shí)實(shí)施研發(fā)計劃。待檢驗的各種應用，包括為工業(yè)過(guò)程、微咸水或海水除鹽制備飲用水以及制氫提供熱能。

供暖被視為SMR的關(guān)鍵“賣(mài)點(diǎn)”，尤其是在企業(yè)和政府努力實(shí)現碳減排目標之際。儲能效率、電-熱轉換能力和基礎設施完備程度，都會(huì )影響這種電廠(chǎng)的競爭力。

制氫則涉及從NuScale動(dòng)力模塊的蒸汽分流。氫氣可以用于制氨、煉油、蒸汽制造或日益增長(cháng)的燃料電池市場(chǎng)。美國潛在的工藝需求是87百萬(wàn)公噸/年，而目前美國銷(xiāo)售額僅為13百萬(wàn)公噸/年(包括合成氨和煉油)。

美國潛在的氫氣需求

NuScale公司和INL在2014年的一份研究報告中發(fā)現，一個(gè)300MW的NuScale型電廠(chǎng)可以滿(mǎn)足一個(gè)中型氨生產(chǎn)廠(chǎng)的氫氣需求，600MW的電廠(chǎng)可以支持一個(gè)中型煉油廠(chǎng)。

儲氫設施可以讓運營(yíng)商在電力需求低或供應過(guò)剩期間轉向制氫，從而優(yōu)化電廠(chǎng)的收益。

試驗設施

布拉格-西頓說(shuō)，INL正在建設一可擴展的綜合測試設施，用于工業(yè)應用的非核測試。這個(gè)測試設施能提供核反應堆的電信號、太陽(yáng)能光伏和風(fēng)能的輸入，以及實(shí)時(shí)數字模擬器，以表示電網(wǎng)電力系統、熱能和電能儲存以及最終用戶(hù)的需求。

按燃料類(lèi)型預測的美國發(fā)電量

能源信息署年度能源展望(2019年1月)

該系統將使用電加熱器表示來(lái)自核系統的熱量，還將包括一熱能分配系統，把熱能轉給聯(lián)接的“用戶(hù)”。

布拉格-西頓告訴《新能源現代化》網(wǎng)，第一個(gè)要測試的應用將是高溫蒸汽電解制氫。聯(lián)接的化學(xué)合成反應器將用氫氣作為原料，生產(chǎn)各種工業(yè)化學(xué)制品。

她說(shuō)，“測試設施的模塊化方法，允許測試多個(gè)最終用戶(hù)，既可并行測試，也可按順序測試”。

關(guān)鍵的前沿

JUMP項目將安裝先進(jìn)的傳感器和儀器，以更好地了解流態(tài)和溫度。先進(jìn)的監測能力將使科學(xué)家能夠在在原型環(huán)境不中斷堆堆芯發(fā)電的情況下，測試新的儀器。

INL通過(guò)進(jìn)入研發(fā)階段，可優(yōu)化傳感器的安裝過(guò)程，使研究機會(huì )最大化。布拉格-西頓說(shuō)，部署過(guò)程遠比運營(yíng)核電廠(chǎng)容易，因為建造前可以修改儀器計劃和取照相關(guān)的修正。

她說(shuō)，“反應堆投入運行后安裝附加的儀器設備要困難得多，因為輻射環(huán)境，而有可能影響運行核電機組的主要任務(wù)。它的主要任務(wù)是給電網(wǎng)提供電力”。此外，一旦建成，接近安裝儀器的機會(huì )可能非常有限。”

這個(gè)設施一旦建成，可幫助運營(yíng)商加快測試和監管部門(mén)批準其他新技術(shù)。INL正在考慮為這個(gè)該設施配備一系列先進(jìn)儀器。布拉格-西頓說(shuō)，可以證明，諸如光纖等技術(shù)在"改變游戲規則"。“光纖提供了一個(gè)機會(huì )，可以提供大量的數據，例如，可對單個(gè)貫穿進(jìn)入反應堆壓力容器的溫度進(jìn)行數百次測量。”

INL將監控最新的傳感器技術(shù)，并在未來(lái)幾年做出決定。布拉格-西頓說(shuō)，“我想說(shuō)的是，作為一種選擇，一切還有待決定”。“這是發(fā)展和選擇豐富的領(lǐng)域，兩年后可能會(huì )有很大不同。”

美國和加拿大的國家核工業(yè)基地主動(dòng)與核能創(chuàng )新項目相結合、提供技術(shù)支持和服務(wù)的做法，意義和影響深遠，值得我們研究、借鑒。

依據資料:Jax Jacobsen, DOE expands NuScale SMR plan to quantify heat, hydrogen benefits, Nuclear Energy Insider, Feb 13, 2019