BWRX-300或將成為世界水冷先進(jìn)SMR首選

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(jìn)核能執行副總裁肖恩·塞克斯通(Sean Sexstone)的采訪(fǎng)，說(shuō)他們的BWRX-300技術(shù)設計，基于現有的“建造簡(jiǎn)易的反應堆”，使這種小型模塊化反應堆(SMR)成為簡(jiǎn)單而廉價(jià)的市場(chǎng)進(jìn)入者。塞克斯通說(shuō)，“95%的工作已經(jīng)完成，也許規模有點(diǎn)小，但已得到證實(shí)。”

BWRX-300有進(jìn)一步發(fā)展核能的潛質(zhì)

現在，越來(lái)越多的人認為，先進(jìn)核能可在電網(wǎng)和其他行業(yè)的去碳化過(guò)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30年代部署小型模塊化反應堆(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(jìn)SMR。

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

GEH先進(jìn)核能執行副總裁肖恩·塞克斯通把BWRX-300稱(chēng)為“制造簡(jiǎn)單的反應堆”，因為它使用的設備和燃料與世界各地通用電氣公司設計反應堆的設備和燃料相同。

塞克斯通說(shuō)，“95%的工作已經(jīng)完成。也許這個(gè)項目的規模稍小，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(shuō)，公司采用了ESBWR的基本設計并對其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，包括BWR技術(shù)中幾項新的專(zhuān)設安全設施：原來(lái)認為，安全泄壓閥是最有可能導致失去冷卻劑事故(LOCA)的因素，因此在設計中取消了;隔離冷凝器系統(ICS)，是ASME BPV規范第III節第I類(lèi)設備，提供超壓保護。為了適應這些變化，設計壓力比以前的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(wèn)題的一劑良藥。

塞克斯通說(shuō)，GEH能消除ESBWR設計約90%的混凝土和鋼材，使電廠(chǎng)的占地總面積小于一個(gè)足球場(chǎng)。該公司預計，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(chǎng)對新核電的需求在增長(cháng)，其經(jīng)濟性仍然令人“望而生畏”。

據國際能源咨詢(xún)公司伍德麥肯茲(Wood Mackenzie)引用的行業(yè)估算，同類(lèi)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。分析師預計，在開(kāi)發(fā)商建設項目初期，FOAK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》，供應鏈伙伴關(guān)系將是成功的“關(guān)鍵”。他說(shuō)，“如果我們要建造兩三百個(gè)或更多BWRX-300型的核電廠(chǎng)，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》，旨在加快監管流程和部署。合作伙伴將總共投資約4億美元，用于開(kāi)發(fā)BWRX-300型SMR標準設計和關(guān)鍵部件(包括反應堆壓力容器和內部構件)的詳細設計。合作者正在組建設計中心工作組，目的是確保機組的標準設計可在美國、加拿大、波蘭和其他國家部署。

塞克斯通說(shuō)，“我們的目標是，一旦設定了標準，就不再改變。然后，就可在部署多個(gè)反應堆的過(guò)程中努力降低成本曲線(xiàn)。”他補充說(shuō)，“我們必須做好頭一兩件事。”

安大略發(fā)電公司的目標是，先在其位于安大略省克拉林頓的達靈頓(Darlington)核電廠(chǎng)新項目現場(chǎng)部署BWRX-300。2023年1月，GEH、OPG、SNC-Lavalin和Aecon公司已簽署商業(yè)合同。2022年，加拿大基礎設施銀行已承諾為這個(gè)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(gè)上網(wǎng)規模的SMR，目前正在進(jìn)行場(chǎng)地準備工作。GEH預計將于2024年底獲準開(kāi)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(cháng)托德·史密斯(左)和安大略省發(fā)電公司總裁兼首席執行官肯·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(shuō)，“我們正在做施工現場(chǎng)準備，確定最終標準設計和廠(chǎng)址特征設計，提前訂購施工專(zhuān)用設備，這對確保施工進(jìn)度非常重要。”

2022年8月，TVA開(kāi)始為可在田納西州橡樹(shù)嶺附近的克林奇河場(chǎng)址部署BWRX-300進(jìn)行規劃和初步許可。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(kāi)發(fā)輕水冷卻式SMR。正在開(kāi)發(fā)的其他先進(jìn)堆技術(shù)，使用非傳統的冷卻劑，包括液態(tài)金屬、熔鹽和氣體等。

美國核能協(xié)會(huì )(NEI)首席核能官道格·特魯(Doug True)說(shuō)，“所有這些項目都已啟動(dòng)，政府和私營(yíng)企業(yè)資助了新型設計的開(kāi)發(fā)。對于這個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō)，這是非常激動(dòng)人心的時(shí)刻。”

另一個(gè)推動(dòng)因素源自聯(lián)邦政府的《通脹削減法案》(IRA)，它為先進(jìn)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(shuō)，NEI在2022年對美國公用事業(yè)公司首席核官員進(jìn)行了調查，詢(xún)問(wèn)他們需要多少先進(jìn)核電才能實(shí)現去碳化目標。他說(shuō)，累計答復超過(guò)90GW。IRA通過(guò)之后，NEI更新了調查，發(fā)現大約增長(cháng)10%，據說(shuō)約需新型核電100GW。

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

特魯說(shuō)：“挑戰是存在的。但是，其他國家降低核反應堆成本的方法是善于建造核反應堆。通過(guò)建成第一批核電廠(chǎng)的過(guò)程獲得經(jīng)驗教訓，我們會(huì )變得越來(lái)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，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)設計參數

BWRX-300是額定出力300MWe的水冷、主回路“自然循環(huán)”、采用簡(jiǎn)單、固有安全保護系統的SMR。它是第10代沸水反應堆(BWR)，代表自1955年通用電氣開(kāi)始開(kāi)發(fā)核反應堆以來(lái)最簡(jiǎn)單，但最具創(chuàng )新的BWR設計。BWRX-300是美國NRC許可的1520MWe的ESBWR的演進(jìn)版，是在嚴格遵循原子能機構縱深防御指導方針的理念下開(kāi)發(fā)的。

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

圖2. BWRX-300型SMR的堆芯配置和主要技術(shù)參數

BWRX-300已通過(guò)加拿大核設計兩階段聯(lián)合審查

GEH的BWRX-300設計，已經(jīng)通過(guò)了加拿大核安全委員會(huì )(CNSC)供應商設計審查(VDR)過(guò)程的前兩個(gè)階段，標志著(zhù)這個(gè)SMR設計取照不存在任何根本性的障礙[3]。

加拿大核監管機構的VDR程序是一種可選的預許可機制，允許CNSC工作人員在設計過(guò)程的早期向申請方提供反饋。雖然CNSC迄今已完成11個(gè)核能設計的VDR，但獲準大多數通過(guò)的是三個(gè)階段的第一階段審查。完成第一階段審查僅僅意味著(zhù)，監管機構根據CNSC的最新要求，對供應商的核電站設計進(jìn)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)等幾家小型堆設計公司的設計，都已通過(guò)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，第三階段允許供應商“跟進(jìn)”第二階段發(fā)現的某些方面問(wèn)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(guò)了前兩個(gè)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(jìn)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的監管要求，以及反應堆設計滿(mǎn)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設計的審查，此后提交了19個(gè)VDR重點(diǎn)領(lǐng)域的文件，包括電廠(chǎng)概況、控制系統和設施、研究與開(kāi)發(fā)以及設計過(guò)程。GEH先進(jìn)核能執行副總裁肖恩·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設計反饋，是這種技術(shù)部署的重要步驟。”

預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論，GEH理解并正確解釋了加拿大核電站設計監管要求的意圖”。

然而它說(shuō)，盡管CNSC工作人員沒(méi)有確定許可的“根本性”障礙，但是“審查確實(shí)揭示了某些需要進(jìn)一步開(kāi)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(jìn)行，詳細說(shuō)明這些技術(shù)步驟。”

CNSC指出，它強調許多的“發(fā)現”和“技術(shù)澄清”會(huì )支持未來(lái)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(kāi)創(chuàng )性SMR型核電廠(chǎng)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)規模SMR的第一個(gè)此類(lèi)協(xié)議，其宗旨在于解決與新建項目相關(guān)的施工復雜性、潛在的延誤和成本超支問(wèn)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(shuō)，達靈頓SMR建設將于2028年底完成。這個(gè)項目的成功開(kāi)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(kāi)始規劃并向NRC申請初步許可，在田納西州橡樹(shù)嶺附近克林奇河場(chǎng)址部署BWRX-300。與此同時(shí)，CNSC和NRC于2022年9月批準了BWRX-300型 SMR設計許可審查中的監管和安全問(wèn)題的合作備忘錄。

圖3. 美國TVA克林奇河廠(chǎng)址預留SMR設施的藝術(shù)想象

CNSC已為潛在的核擴張做好準備

據CNSC首席執行官魯米娜·韋爾希(Rumina Velshi)說(shuō)，監管機構的合作努力“改變了游戲規則”。韋爾希于2月24日在加拿大核協(xié)會(huì )2023年會(huì )上發(fā)表講話(huà)說(shuō)，CNSC和NRC一直在努力，“通過(guò)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(shuō)，“雖然我們一直與美國NRC合作良好，但我們現在已經(jīng)進(jìn)入全新的合作階段。”“隨著(zhù)我們進(jìn)入授權階段，我們正在為更大的合作奠定基礎。我們還考慮到兩家公司的近期和長(cháng)期目標，制定了一項戰略計劃。”

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

按照韋爾希的說(shuō)法，CNSC合作努力的關(guān)鍵是“確保提議部署的SMR設計的數量得到良好的管理。”她說(shuō)，在實(shí)現凈零排放的努力中，這一點(diǎn)尤為重要。韋爾希指出，加拿大獨立電力系統運營(yíng)商(IESO)在2022年12月提出的脫碳路線(xiàn)圖預計，安大略省可能需要多達17.8GWe的新核電供應。

圖4. 科學(xué)與研究常務(wù)委員會(huì )(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加拿大正在開(kāi)發(fā)的新核項目。

她說(shuō)，“從這個(gè)角度看，安大略省目前的核能發(fā)電裝機總容量約為13GWe。需要強調的是，這只是安大略省的數據。而阿爾伯塔省、薩斯喀徹溫省和新不倫瑞克省，也在考慮類(lèi)似的新核電裝機容量的指數增長(cháng)。”韋爾希強調，“平衡”至關(guān)重要，這樣CNSC和行業(yè)的努力才能得到適當的集中和優(yōu)化。“監管機構不希望成為引進(jìn)新技術(shù)的障礙。”

全球推建BWRX-300型先進(jìn)SMR的前景

1. 據IAEA報告，近期全世界開(kāi)發(fā)水冷SMR的技術(shù)設計達30多個(gè)[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年代內建成發(fā)電的，也就是GEH的BWRX-300[4]。

2. BWRX-300型輕水冷卻SMR設計的最簡(jiǎn)單描述是，額定功率300MWe、水冷、主冷卻劑自然循環(huán)，并且設有非能動(dòng)安全系統的先進(jìn)SMR。與其他水冷式SMR設計或現有的大型核反應堆設計相比，它是成熟的、經(jīng)多年運行BWR設計的簡(jiǎn)化，可顯著(zhù)降低基建成本，已經(jīng)加拿大和美國核安全當局預審查，沒(méi)有發(fā)現頒發(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，并已簽訂商務(wù)合同，開(kāi)展現場(chǎng)施工準備;已確定第一臺機組的建成發(fā)電進(jìn)度的是OPG的達靈頓核電站預留廠(chǎng)址，2028～2029年將建成并網(wǎng)發(fā)電;后續三臺機組將建在同一廠(chǎng)址，續建時(shí)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，或將于2030年代中期開(kāi)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(gè)國家，在華盛頓特區簽署技術(shù)合作協(xié)議，投資開(kāi)發(fā)BWRX-300標準設計和關(guān)鍵部件的詳細設計，包括反應堆壓力容器和反應堆內部部件。電力生產(chǎn)商還將組成一個(gè)設計中心工作組，旨在確保標準設計在多個(gè)司法管轄區可部署并獲得許可。目的是提高BWRX-300設計的競爭力和可部署能力，使這個(gè)標準設計“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(shù)嶺附近的克林奇河現場(chǎng)準備BWRX-300的建設許可申請。根據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)區潛在SMR部署的其他地點(diǎn)[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(guò)向波蘭國家原子能機構提交了BWRX-300評估申請，開(kāi)始了預許可程序。波蘭能源公司OSGE已經(jīng)啟動(dòng)選址程序，計劃在這十年內部署第一個(gè)機組，并有可能組建一個(gè)BWRX-300的堆群。就在不久前，加拿大核安全委員會(huì )和波蘭國家原子能機構簽署了一項協(xié)議，將合作進(jìn)行SMR技術(shù)審查[7]。

8. GEH于2023年2月8日宣布，愛(ài)沙尼亞費米能源公司選定GEH的BWRX-300小型模塊化反應堆，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，成立的目的是調查在愛(ài)沙尼亞采用SMR的可能性。GEH和費米能源公司自2019年開(kāi)始合作，雙方達成協(xié)議，就BWRX-300的潛在部署應用程序進(jìn)行合作。這種合作在2021年得到推進(jìn)，雙方達成合作協(xié)議，在許可支持和供應鏈開(kāi)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(kāi)始了在英國為BWRX-300的設計認證過(guò)程。

9. 2022年3月，Kärnfull Next公司與GEH就在瑞典部署BWRX-300簽署諒解備忘錄，目標是在2030年代初在瑞典一個(gè)新核電廠(chǎng)址運營(yíng)第一個(gè)商用SMR[10]。

見(jiàn)解與思考

1. 全球核電發(fā)展的緊迫性和現實(shí)性，因俄烏“軍事沖突”復雜化了，但2023年的氣候危機現實(shí)與前景預測更令世人“不寒而栗”。能源轉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?；l(fā)展”[11]，取決于兩個(gè)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型中的地位是可再生能源的“補充”，而不是“主導”。因為核能的平準化成本中，燃料占比高達60～80%，而可再生能源的平準化成本接近“零”。

3. 三代和三代+核能，在中國和世界大多數地區，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;而在核能技術(shù)最發(fā)達的北美地區不可能再建AP1000和先進(jìn)“坎杜”堆，其他肯作出這種決策的國家“鳳毛麟角”。

4. 先進(jìn)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(wèn)題。因為它們的“應急規劃區”是“廠(chǎng)區圍欄”或“核島外墻”;最具說(shuō)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(hù)”，而且能最早示范的是社會(huì )公眾熟悉的先進(jìn)水冷SMR(BWR，PWR)。至于第四代核能系統，大多在上個(gè)世紀50～70年代就已經(jīng)初步示范過(guò)了，因為使用的冷卻劑很“新鮮”，“示范”的關(guān)鍵是通過(guò)國家核安全監管機構的嚴格“審評”。

5. 先進(jìn)核能研發(fā)“如火如荼”最具“誘惑力”的前景，是解決現代水冷堆“用過(guò)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(wèn)題，使先進(jìn)核能的核燃料“平準化成本”也接近“零”，成為另一種“可再生能源”，可與太陽(yáng)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?；l(fā)展?能源雜志，2023-07-03。