小型核反應堆可解能源危機

一、能源危機需要小型反應堆(SMR)

    歐盟將於2050 年實施全面脫碳的政策和碳稅制度，加上比利時和德國許多大型核電站的關閉以及燃煤電廠的淘汰，而及間歇性可再生能源無法供應足夠電力需求，到2040 年在歐盟部署小型模塊化反應堆(SMR) 是一個有潛力的商機。歐洲的變化速度極快，因為每噸75美元的碳稅將使油頁岩和煤炭發電失去競爭力。歐盟的所有部門都制定了具有法律約束力的2050 年全面脫碳政策。歐盟範圍內的煤電(約60GW 容量)將在2030 年至2050 年間逐步淘汰，只有核能是最具氣候變化和極端天氣適應能力的能源。美國拜登總統宣誓就職後不久就重新加入了關於氣候變化的巴黎協定。目前碳排放量極高的煤炭仍然主導著全世界的發電，用可再生能源取代的希望並不靠譜。目前天然氣價格持續上漲，連帶使電價成本升高，台灣的能源政策中天然氣配比高達50%將吞苦果。全球煤炭發電量為8735 TWh，歐盟目前每年仍燃燒約2.5 億噸煤來發電，中國燃燒4 億噸煤炭用於區域供熱，國家目標是轉向更清潔的燃料。因此，未來幾十年對天然氣的需求將非常非常強勁，為核能創造非常有利的投資環境。

    2021年全世界面臨間歇性可再生能源無法提供大陸規模脫碳所需的能源規模和價格。德國2021年上半年風電部署低於1GW，年度目標為4GW，受熱浪影響，風電發電量下降25%。在德國、荷蘭、挪威和許多其他地區，輸電建設和新風電場的許可正面臨當地真正的反對。與此同時，歐盟的可調度產能關閉才剛剛開始。最近的分析預測，德國的可調度容量缺口為30GW。歐洲的能源危機似乎才剛剛開始;因此，因此迫切需要核能來提供可靠、可擴展的解決方案。在過去20年，為適應全球能源低碳化的大趨勢，核能發達國家都在努力擴大核能應用範圍，多用途的小型堆開發已成為全球核能發展的熱點。IAEA於2020年發布的《小型模塊化反應堆技術進展》共收錄了72種小堆技術。這些堆中，近一半是水堆，由技術成熟的大型壓水堆發展而來，具有明確的近期使用目標。研發國家主要包括中國、俄羅斯、美國、日本等。其中，在海上用的小堆有五六種，包括俄羅斯的海上浮動核電站KIT-40S，現在已經投運。其餘部分本質上屬先進核能係統(四代堆)，包括各類高溫氣冷堆、快堆、熔鹽堆以及微堆。這些堆除少數幾個進入詳細設計外，大部分處於概念設計或初步設計階段，到工程建設還有較長時間。這幾年發展比較好的是高溫氣冷堆、鉛冷或是鈉冷快堆。另外就是熔鹽堆。美國的NuScale。多模塊小型堆輕水冷卻反應堆，設計目標是替代老舊火電廠，提供發電和非電力的工藝熱能，減少二氧化碳排放，並可按照需求靈活增加功率模塊。2020年完成了DCA的審查，2022年將獲得設計認證批准並開始建設，2026年第一個電廠計劃在愛達荷投入商運。

二、小型核反應堆的優點

    小型模塊核反應堆(SMR)對環境影響小，因此較安全且選址更便利。小型核反應堆具有高機動性，因此能成為風能和太陽能等可再生能源的良好補充，可與綠能互補在夜間和無風時獲取電力，由此出現一個潛在的巨大市場——供機動靈活的小型核電站專用。一般而言小型模塊核電站的建設成本較低，且由於功率密度的下降，反應堆的安全性自然提高。小堆設計可建成半地下或者全地下，不但簡化了防擴散屏障的結構，也提高了反應堆抵抗地震海嘯導彈以及飛機墜落等事故的能力。小型核反應堆可提供船舶動力、海水淡化、偏遠海島電力、核能製氫甚至太空火箭核動力。台灣的廢核政策是很愚蠢的行為，自己斬斷高科技的吸收及發展，而美國老大哥不但讓核電廠延役至80年，太空總署還在研發核動力火箭，核動力火箭可大幅縮短地球至火星所需的時間，美國甚至全人類想移民外太空必須借助核能。

    電力系統的脫碳是實現零碳排放的關鍵，核電在扮演碳中和重要的腳色。國際能源署(IEA)數據顯示，2018年供熱佔全球終端能耗的50%，佔CO2排放的40%。熱能利用上，工業部門佔比約50%，建築物房屋(主要為采暖和熱水供應)佔比46%。因此，供熱是全球最大的能源消費領域。SMR在供熱領域的優點，一是SMR的初投資低、建造週期短，在選址方面具有較大的靈活性，可根據用戶需求靈活設計和配置;二是SMR可採用一體化、模塊化設計和工廠製造，較少的堆芯裝量，先進的安全設計理念，具有安全性好、應急要求大大簡化等特點，特別適宜於作為供熱領域的能源。

三、國際小型核反應堆發展情形

    多種因素將影響SMR的成功開發和部署，目前記錄的設計方案中，水冷SMR方案佔比最大，有31種方案，其中6種屬於船用。高溫SMR屬於第二大類，有14種方案。高溫反應堆(HTR) 技術具有多項技術優勢，在製氫方面也非常高效，這兩種SMR方案在工程中都有實際的進展。為配合能源減碳趨勢，多用途的小型堆已成為全球核能發展的重點。美國的NuScale。多模塊小型堆輕水冷卻反應堆，設計目標是替代老舊火電廠，提供發電和非電力的工藝熱能，減少二氧化碳排放，並可按照需求靈活增加功率模塊。2020年完成了DCA的審查，2022年將獲得設計認證批准並開始建設。俄羅斯海上浮動核電站“羅蒙諾索夫院士號”是商用海上浮動核電站，搭載兩台壓水堆KIT-40S反應堆，用於為邊遠地區提供電力和熱能。2019年12月19日並網發電，停靠於俄遠東區楚科奇海岸附近的佩維克港。韓國的SMART是壓水反應堆，用於發電和海水淡化。從技術基礎及成熟度來看，採用輕水堆(包括陸上和海上)技術，仍是目前小堆技術發展的主流，熱電聯供是其主要運行模式。而高溫堆有採用棱柱狀堆芯，也有採用球床堆芯。快堆由於在燃料增殖、減少高放廢物方面具有獨一無二的優勢，仍是國際社會小堆研發重點，特別是鉛(鉍)冷快堆。

    除了電力生產，一些SMR設計也被用於其他用途如製氫， SMR中的高溫氣冷堆（HTGR）以及超高溫反應堆(VHTR)尤其適合用於製氫，其冷卻劑出口溫度達到750-1000℃，非常有利於大規模製氫。因此，SMR將會與多種可再生能源在製氫行業產生競爭，並有助於減少對化石燃料電站制氫的需求。SMR的小批量生產訂單可能會在2030年代初實現。SMR在工廠中大規模生產模塊化系統、組件和結構。如果實現，這將對降低建造成本和時間成本。批量生產取決於現有核部件製造商的訂單和產能的連續性。為了實現大規模生產的經濟效益，需要通過國際合作開發少量的市場化標準化設計。SMR在與常規能源的競爭中必須證明其經濟優勢。或者在偏遠山區、島礁或未並網地區部署微堆。目前，由中國大陸中核集團開發的海南昌江多用途模塊化小型堆科技示範工程ACP100正在積極推進當中，該堆型功率為125MWe，建設工期58個月，可作發電、熱電聯供等。

四、小型核電站將成市場主角

    俄羅斯《消息報》網站發表題為《核電站之爭：小型核電站的市場前景》的文章稱，大型核電機組的銷售額存在大幅下滑的風險，中小型核電站或將成為未來市場主角。縮小規模不僅有助於能買得起，同時也可改變公眾對核電的態度。小型核電站開始成為整個核電工業的救命稻草，美國初創公司NuScale已經拿到了在愛達荷州建造擁有12個反應堆模塊核電站的項目，政府準備其中買下其中的兩個機組。小型核電站具有高機動性，因此能成為風能和太陽能等可再生能源的良好補充。在傳統能源解決方案的框架內，在無法建設大型核電站的地方，小型核電站也得到了新的用武之地。  當前，減少碳排放的主要重點領域之一是核能發電，核電可產生大量綠色，安全且對消費者便宜的電力。

    韓國政府計劃在今年秋季啟動小型模塊化反應堆(SMR) 的研發，韓國斗山重工業(DHIC)宣布，已與韓國水電和核電(KHNP)簽署了一項業務協議，加強在清潔氫生產和能源融合業務方面的合作。根據協議，兩家公司將建立使用清潔能源的氫氣生產和儲存設施，促進使用小型模塊化反應堆(SMR)進行氫氣生產的聯合研發，並在海外開發清潔氫氣生產項目。近日，總部位於西雅圖的超安全核能公司(USNC)的5兆瓦電功率微型模塊反應堆(MMR)已進入加拿大核能安全委員會(CNSC)的正式許可審查。Global First Power（GFP）——由USNC子公司USNC電力公司和安大略電力公司組建的合資企業——已經提議在Chalk River實驗室建造、擁有並運營一個全規模的MMR反應堆，USNC稱MMR能源系統將“一個或多個標準化微型反應堆(MMR)與一個熱存儲單元和相鄰的電廠集合起來，用於電力轉換和利用。該系統適用於提供高質量的過程熱，用於同地工業應用和高效制氫。