美国能源部资助X-energy、TerraPower,发展小型先进模块化核电厂

全球第三代核电厂发展已经走到死胡同,核分裂发电技术要继续走下去,只能预期第四代的小型模块化核电厂,美国能源部在2020年5月宣布先进反应炉示范计划(Advanced Reactor Demonstration Program,ARDP)希望推动小型模块化核电厂的发展,于2020年10月中宣布选择两个研发团队,分别为TerraPower、X-energy,各补贴8,000万美元,总共注资1.6亿美元,希望推进第四代核能的发展。

美国能源部在2020年5月宣布的先进反应炉示范计划,总计未来7年内将注资32亿美元给先进核能领域,2020年剩下2.3亿美元预算,计划用来支持额外的核能示范计划,但10月中宣布支持的TerraPower、X-energy两家公司,能源部认为先进核能技术领先群雄,本身也财务健全,能找到与能源部投注金额相匹配的资金,有能力在7年内完成目标。

美国核产业正面临青黄不接,由于第三代核电厂投资额过高,施工旷日废时,使得核分裂发电几乎已经遭判死刑,美国如今面临大量老旧核电厂本来申请延役却因为经济因素提早关厂,新核电厂计划逐一遭放弃,目前仅存美国南方电力公司(Southern Company)在乔治亚州的佛格妥核电厂(Plant Vogtle)新建反应炉案,但也严重超出工期与预算。

然而美国军事上有大量核能应用,核工人才不能断炊,第四代核电厂成为核能产业续命的重要希望。当前第三代核电厂灭亡的主因是大而无当,要筹集太高的资金,工期太长,安全范围太大所以厂址偏远,也是工程费用提升的原因之一,这些在在让投资人兴趣缺缺。美国能源部希望若是能小型化,这些根本问题能得到解决,第四代核电厂创业公司业务能够在美国尽快站稳脚步,衔接第三代核电厂,以免整个核工上下游产业链崩溃,之后还能进一步外销他国,与中、俄之间保持竞争优势。

此次得到美国能源部资助的TerraPower,成立于2008年,背后投资人包括微软创办人比尔盖茨,合作伙伴包括传统核工大厂通用日立核能(GE-Hitachi Nuclear Energy)、美国最大建筑工程公司贝泰(Bechtel),以及美国能源部的橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory),电力公司方面则与西北能源(Energy Northwes)、杜克能源(Duke Energy)、南方电力(Southern Company)、太平洋电力集团(PacifiCorp)合作。过去也曾在2016年取得能源部4,000万美元需匹配资金。

TerraPower与通用日立核能合作开发的小型模块化核分裂反应炉名为“钠”(Natrium)反应炉,结合TerraPower原本的钠冷快中子反应炉(Sodium-cooled Fast Reactor,SFR)搭配熔盐储能。因为“钠”反应炉的热能输出,高于发电能力345百万瓦(megawatt)发电容量,多余的热能可利用熔盐储能存储起来,当用电尖峰时,以熔盐的热能驱动另一组发电涡轮,总计可达500百万瓦的发电容量输出,借由这样的设计,来应对用电需求上下波动的基本问题。

第四代核电厂发展至今并不顺利

“钠”反应炉顾名思义,与过去主流轻水式、重水式反应炉的差异,就在于不是使用水,而是以液态的金属钠为冷却剂,反应堆温度更高,有更多快中子反应,一旦发生意外事故,反应堆自然冷却后,无法维持反应温度,就会自动停止反应,有被动安全效果。

X-energy则成立于2009年,采用球床反应炉(Pebble bed reactor,PBR)设计,球床反应炉的燃料包覆在石墨中制作成圆球形,昵称为“卵石”,圆球与圆球中间有空间可以通气,与传统重水式或TerraPower的液态钠不同,采用惰性气体或接近惰性气体为冷却剂,也就是气冷式设计。

球床反应炉反应温度同样比轻水反应炉的运行温度更高,反应较有效率,但燃料密度较低,没有系统机制协助下,产生的热能少于溢散的热能,在发生意外停止运行时,会逐渐降温,不会发生炉心熔毁,也是具有被动性安全设计。球床反应炉的另一个优点是,燃料球不需停机就能依次更换,所以不需要如传统核反应炉,每几年就得关闭数周更换燃料棒。

虽然理论上球床反应炉有以上优点,但是过去实际运行,德国第二个测试炉运行4年就发生意外停机,之后德国的研究停摆,换中国兴致勃勃,但小规模测试后,2012年开工的250百万瓦发电容量的石岛湾核电厂,原本计划2017年完工上线,却面临工期一拖再拖,如今华能集团称2021年计划进行反应堆首次装料。

X-energy的XE-100球床反应炉发电容量为80百万瓦,反应炉零部件都将在工厂预先制作,现地组装,降低设计复杂度同时降低施工成本与缩短工期,也有利于规模量产,可结合4个以上单位达到320百万瓦以上发电容量。针对床床反应炉最为人担忧的燃料球可能破损造成核外泄问题,则开发三层结构的燃料球改善安全性。XE-100球床反应炉也同样能以储热的方式存储能源。

X-energy过去2016曾得到5年5,300万美元的能源部资金,并与南方电力的核能部门合作,其他合作伙伴包括美国海军核子潜艇与航空母舰核动力开发商BWX Technology、国防航天与海事等先进工程解决方案商Teledyne-Brown Engineering、碳材料大厂西格里集团(SGL Group)、俄勒冈州立大学、爱达荷国家实验室,以及球床反应炉技术的诞生处:橡树岭国家实验室。

第四代核电厂发展至今并不顺利,2018年跨原子(Transatomic)宣布停业,其他开发商也至今尚未能有可商用生产的反应炉。2007年成立的新规模电力(NuScale Power)于2020年9月取得美国联邦许可,但其第一个50百万瓦反应炉预计要到2027才完工,若没有工期延长。

在国家战略需求下,美国能源部对于第四代核电厂的发展越来越积极,大有恨铁不成钢的感觉,但是随着可再生能源的价格仍在持续下降,核能的商用经济价值也越来越受怀疑,最终恐怕还是只能接受国家补助,局限于军事用途。

(首图来源:pixabay)

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