为什么小型模块堆无助于应对气候危机

小型模块堆（SMR）的设计发电量不足300 MW，而常规反应堆一般在1000至1600 MW之间。

核工业界一直在努力推动SMR的发展，据说是为了应对气候变化问题。但对于气候变化问题，SMR真的有用吗？

要回答以上问题，有两个因素最为重要——时间和成本。

 

轻水堆在一般技术和设计原则上与美国现今的动力堆相同，从理论上讲，轻水堆难度较低，结构也更为简单。

 

而且燃料设计也有不同之处，如设计为固态球形，像沙子一样穿过反应堆堆芯，或熔融材料流过堆芯；慢化剂如石墨；冷却剂如氦、液态钠或熔融盐。

 

但是在这两方面，SMR的前景都很差。

 

1、经济与规模

 

由于规模经济的原因，常规反应堆一般很大。而且建造一个三倍于SMR功率的常规反应堆，不需要三倍于SMR的钢材或三倍于SMR的人工费用。也正是SMR的这种缺点，导致在上个世纪五六十年代美国建造的许多小型反应堆提前关闭。

 

SMR的支持者声称，模块化和工厂化制造可以弥补SMR在经济方面的不足。大规模生产反应堆部件并在装配线上进行制造将降低成本。

此外，每千瓦的比较成本意味着每个小反应堆的成本要低得多，从而降低了采购商的总体资本要求。

 

不过，实现规模化生产并不是那么一帆风顺的。

即使对制造商提高生产效率和降低成本作出乐观的假设，制造成千上万台SMR（与大型反应堆相比，价格会更高）也必须按照SMR与大型反应堆每千瓦的比较成本进行。

 

如果从历史发展来看，SMR每千瓦的成本可能根本降不下来。就整个核工业界而言，包括美国和法国这两个拥有最多核电站的国家——总体而言，建造新堆比旧堆会更加昂贵。

 

尽管由于规模小得多，每台SMR的成本会更低，但几个反应堆通常会安装在一个地点，从而再次提高了采购商的项目总成本。

 

2、规模化生产

 

如果批量生产的反应堆出现错误导致安全问题，那么整批次可能都必须召回——就像波音737 MAX和波音787梦想客机一样。

 

但如何召回放射性反应堆呢？如果一个电力系统需要召回完全相同的反应堆，会发生什么？

 

核工业界或政府还没有解决这些问题——事实上，以上问题都还没有被注意到。然而，从智能手机到喷气式飞机，“召回”是规模制造的一个可预测且一贯的特征。

 

这个问题不仅仅是理论上的。

 

压水堆的一大经济问题是，通常采用轻水SMR的设计，包括已获得核管理委员会有条件认证的纽斯凯尔（NuScale）的设计，需要提前更换蒸汽发生器——大型，昂贵的热交换器，将反应堆的高压热水转化为驱动汽轮发电机的蒸汽。

 

在过去的十年里，这些问题导致了南加州圣奥诺弗雷（San Onofre）的两座反应堆和佛罗里达州水晶河（Crystal River）的一座反应堆永久关闭。

 

一些SMR轻水堆设计会将蒸汽发生器放置在反应堆容器内，很难更换，一旦蒸汽发生器出现问题可能导致反应堆永久性停堆。

 

我们已经看到了模块化结构的问题。这是西屋AP1000反应堆设计的一个核心方面，然而在美国和中国建造的AP1000反应堆已经出现了重大的建设成本超支和进度延误。

 

2015年，佐治亚州公共服务委员会（GeorgiaPublic Service Commission）一名前员工对《华尔街日报》（Wall Street Journal）表示，“模块堆建设尚未达到公用事业公司承诺的目标。”

 

规模化制造的需要也造成了鸡和蛋的经济问题。没有这些工厂，SMR永远无法实现理论上的成本降低——这正是弥补规模经济不足的战略核心。但如果没有成本的降低，就不会有大量的订单来刺激首先建立供应链所需的投资。

 

3、SMR的业绩

 

SMR迄今为止的业绩显示了其惨淡的前景。

 

爱达荷州一个采用NuScale设计的拟建项目，在混凝土浇筑之前，总成本就已从2015年的30亿美元左右上升到2020年的61亿美元。

 

这种模式也适用于其他类似的SMR概念，尤其是那些不基于轻水反应堆的概念。例如，一直在拟议中的钠反应堆（45 MW，比SMR稍大，通过钠冷却），自1950年以来全世界在研究上就花费了1000亿美元，但钠冷堆在全球范围内一直没有商业动静。

 

获得此类设计的安全批准可能需要更长的时间，而且成本更高。在许多情况下，即使建立认证程序也需要数年时间，因为每种设计类型的安全和事故模式不同。

 

例如，高温气体石墨堆最大的风险不是堆芯熔毁，而是火灾。

NuScale 的SMR虽然采用了常规轻水堆设计，但仅用于开发和认证阶段的预计成本就达到15亿美元。新的非轻水设计很可能费用更高，从概念阶段到许可证审查和批准阶段也会需要更长的时间。

 

对于SMR，保持与目前大型反应堆相同的发电成本将非常困难——鉴于大型反应堆的高成本，SMR的经济性研发也困难重重。

 

风能和太阳能发电的成本一直在下降，而且预计下降幅度会更大。

 

华尔街金融咨询公司Lazard估计，公用事业规模的太阳能和风能成本约为每兆瓦时40美元。核能是这一数字的四倍——约为每兆瓦时160美元——这一成本差额足以弥补太阳能和风能的间歇性问题。

 

SMR的支持者认为，核能可能是对不稳定电源的一种适当补充，例如风力或光伏发电，这些能源在电网中的份额一直在增加。

 

但这样的部署也有巨大的风险。

 

核反应堆，无论大小，都不太适合应对电力波动问题，因为它们具有较高的固定成本（资本）和较低的可变成本（燃料和维护）。

 

这就是核电站被用作基本负荷电源的原因——一般将固定成本分摊到最大千瓦时数上，总体成本就显得较低。而应对电力波动问题意味着核能只承担部分负荷需求，成本是增加的。

 

利用SMR的高温等淡化海水或制造氢气也不经济，最重要的是，能源供应成本也高。

 

4、SMR与气候危机

 

如今，气候问题迫在眉睫。政府间气候变化专门委员会和其他国际机构警告说，为阻止气候变化造成的不可逆转的损害，我们需要在未来十年内大幅减少排放。

 

但是，在未来十年，SMR的贡献基本为零。

 

SMR的前景也很黯淡，因为第一条供应链在现场建成、测试和验证之后，整个供应链才能建立起来。

 

自上个世纪以来，美国能源部一直在开发SMR。2001年，美国能源部核能办公室预测，有近10种SMR设计“具有经济潜力，只要解决某些技术和许可问题就可以在本十年结束前投入使用”。

 

在这一乐观的想法过去近20年后，最早的官方预计部署日期仅为2029年至2030年，不过这个日期也是非常不确定的，因为核管理委员会的反应堆保障咨询委在其中已经发现了诸多严重的安全问题。在任何电力公司申请建造SMR之前，这些问题都必须得到解决。

 

SMR占用了宝贵的公共资金。例如，联邦政府已经为NuScale的SMR设计开发提供了至少3.14亿美元的资金，据报道，联邦政府还同意投入3.5亿美元的新配套资金。

 

Babcock&Wilcox从能源部获取超过1亿美元的mPower设计，但由于没有客户，2017年该项目停滞。

 

5、其他问题

 

用水是另一个问题，预计未来会更加显著。

 

核电站的取水要求非常高。一个300 MW的反应堆在90%的容量因数下运行，每天将抽出1.6亿至3.9亿加仑的水。

 

如果通过空气冷却来减少对水的需求，就需要增加一个高塔和大型风扇——这将进一步提高建设成本，并将发电量减少到反应堆容量的7%。

 

最后，SMR还将产生多种放射性核废料，因为反应堆的物理尺寸较小，而且由于经济原因经常更换燃料。基于轻水堆堆型开发设计的SMR，如NuScale堆型，每兆瓦时的发电量也会产生更多的核废料。

 

6、结论 

 

在全球快速过渡到无碳电力方面，SMR的现实前景并不明朗。即使是轻水堆设计公司（其中NuScale最先进）一直倾尽努力，前景也将十分黯淡。而那些使用石墨燃料或钠冷却的反应堆，前景可能更为广阔。

 

SMR要实现与大型反应堆成本持平将非常困难，况且目前成本一直居高不下。

 

在实现“气候友好型能源系统”的道路上，有两样最为重要：时间和金钱。客观评估表明，SMR在这两方面完全没有优势。

 

因此，SMR在很难在缓解气候变化方面发挥重要作用。

（完）