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本文4982字，阅读约需12分钟 摘 要：核能是实现脱碳化的有力选择，不仅可以用于发电，而且有可能用于包括热利用等在内的广泛领域中。但是，关于核能的利用，受福岛第一核电站事故（以下简称“福一事故”）的影响，需要兼顾极高的安全性和能够与其他能源竞争的经济性。除了传统的大中型压水反应堆和在日本的燃料循环政策下开发的快速反应堆之外，三菱重工还将小型压水反应堆、高温气冷反应堆和微型反应堆定位为“未来反应堆”，并对其进行开发以满足未来的各种需求。本文中将对这三种未来反应堆的特点、优点和采用的技术等进行说明。 关键字：核能、创新型核反应堆、脱碳、未来反应、小型压水反应堆、高温气冷反应堆、微型反应堆、核能发电、核能制氢 核能的使用是实现脱碳的有力选择之一，而脱碳是近年来最大的社会需求之一。核能不仅可以用于发电，还可以代替化石燃料应用于更多的领域，例如，供给热能（制氢、寒冷地区等），向难以提供燃料的灾区、偏远地区、偏远岛屿等提供能源等。此前，建立具有规模优势的大型发电厂普遍受到青睐，但是最近，随着面向未来的分布式电源和热利用等社会需求的多样化，具有简单且紧凑结构的创新型核反应堆备受关注。这些反应堆也被称作SMR（Small Modular Reactor），存在几种类型。三菱重工将这种创新型核反应堆定位为未来反应堆，特别是针对小型压水反应堆、高温气冷反应堆和微型反应堆，正在根据日本政策进行大力开发。
未来反应堆所要求的条件是确保其社会实施所带来的价值（用途）、支撑其发展的经济性，此外最重要的是要确保其安全性，能够被公众所接受。关于被定位为未来反应堆的小型压水反应堆、高温气冷反应堆和微型反应堆，三菱重工在时刻考虑以上条件的同时，正在对其概念和规格进行探讨，以确保与其他能源的经济竞争力。特别是在日本，作为地震多发国家，而且由于福一事故制定了世界上最严格的抗震和安全法规，因此兼顾安全性和经济性尤为重要。从开发的初期阶段开始，三菱重工就认识到了这一点，因此正在努力开发创建出能够被社会认可的概念和规范。 除了目前主流的大中型核电厂外，小型压水反应堆还有望作为无碳电源投入实际使用，该无碳电源主要用于新兴国家和电网不发达地区等小型电网。此外，小型压水反应堆作为面向偏远孤岛、海岛地区以及灾区的紧凑型移动电源的需求也备受期待，目标是结合这些用途，实现约30万kWe以下的小规模输出功率。小型压水反应堆的特征为：①输出规模小，因此具有固有的安全性，并以此为基础，简化了事故发生时的核反应堆冷却安全系统；②采用模块设计进行工厂制造，并缩短了现场建设工程等。 到目前为止，三菱重工在日本参与了24座PWR（压水反应堆：Pressurized Water Reactor）的建设和维护，在提高安全性和可靠性、并实现长期持续使用方面积极进行技术开发的同时，还致力于包括小型反应堆在内的各种创新型核能技术开发。其中，小型反应堆的开发早于压水反应堆的引进，最先开发了核能船“陆奥号”（1967年～1972年；日本核能船开发事业团）的动力反应堆，之后致力于开发一体化模块化反应堆IMR（Integrated Modular Water Reactor），不仅进行了概念设计，还对小型一体化反应堆的特征性基础技术进行了实证测试，积累了相关开发知识。基于这些开发知识，在充分利用已有实绩的PWR特性的同时，根据用途采用小型反应堆特有的安全设计和模块设计等，从而不仅可用作小型电网电源，还可满足偏远孤岛、海岛等电网极小地区的电源供应和灾区的应急电源供应以及船舶动力等的需求，因此三菱重工正在致力于开发一种模块化压水反应堆（船载反应堆）。图1示出小型压水反应堆开发的概念图。
图1. 小型压水反应堆开发的概念图 作为发电用小型压水反应堆、移动式小型压水反应堆的通用概念，采用将传统PWR的初级冷却剂环路（大口径管道）和初级系统的主要设备（蒸汽发生器、初级冷却剂泵、加压器等）整合到核反应堆容器中的一体化核反应堆。由此，原则上消除了由初级冷却剂管道破裂而导致的冷却剂损失等事故风险。另外，通过结合安全措施来提高安全性和可靠性，这些安全措施可以利用小型反应堆的低输出特性来稳定事故和冷却核反应堆。此外，吸取福一事故的教训，日本制定了最新监管标准，从符合该标准的角度出发，基于日本国内现有设备重启的实绩，该设计还反映了严格的抗震要求、应对海啸和龙卷风等自然灾害（外部危险）的措施以及应对恐怖主义和飞机相撞等的措施。在确保这些安全性的基础上，通过尽可能采用最简单的系统配置和设备设计，使储存容器小型化，并通过采用应用最新技术的模块设计和先进的施工方法等，可以使施工流程合理化并缩短施工周期，从而大幅降低施工成本。 移动式小型压水反应堆的输出规模比发电用小型压水反应堆小一倍，通过使核反应堆容器进一步小型化，可以将其安装在船舶上。利用PWR的优势，即使在海上作业所特有的摇摆/倾斜等环境条件下也能实现稳定运行。此外，为了最大程度地提高作为移动电源的可操作性，三菱重工的目标是最大限度地减少大型设备的更换频率和在偏远孤岛、海岛地区的维护和保养次数，并实现燃料长时间无需更换。 如上所述，三菱重工开发的小型压水反应堆不仅可以用于在小型电网和无输电网地区进行发电，还可用作船载反应堆的移动式电源、舶用动力等，为未来各种需求和应用提供无碳核能。 高温气冷反应堆的特点是具有不会导致堆芯熔融的固有安全性，并且能够提供900℃以上的热量，不仅可以用于常规发电，还可以用作无碳高温热源，该热源可以应用于制氢等，且可稳定供给。 日本为了实现脱碳化，制定了2050年前温室气体排放减少80％的长期目标，要求不仅在电力领域，在工业领域也要减少二氧化碳排放。例如，在日本钢铁行业中，提出了以在2030年实现实用化为目标的“创新型炼铁工艺技术开发（COURSE50: CO2，Ultimate Reduction in Steelmaking Processes by Innovative Technology for Cool Earth 50）”，此外，氢还原炼铁是实现零碳的超创新型技术，因此将来的目标是实现向氢还原炼铁的转换。为实现未来氢还原炼铁的实用化，从量产、廉价和稳定供应的角度来看，核能供氢备受期待。 关于日本国内高温气冷反应堆的开发，以日本原子能研究开发机构（JAEA：Japan Atomic Energy Agency）（原日本原子能研究所）为中心开始高温气冷反应堆的调查研究，1991年开始建设日本国内首个高温工程试验堆（HTTR：High Temperature Engineering Test Reactor），1998年达到初临界，2004年在核反应堆出口氦气温度为950℃时全输出运行，并进一步进行了安全性实证试验，验证了高温气冷反应堆的高温核热供给及其固有的安全性。 三菱重工从初期开始就参与了HTTR建设的研发，在HTTR的建设中，其作为其牵头经办人，负责协调四个设计公司，设计和制造HTTR的成套设备工程、反应堆容纳容器、主要冷却系统设备、高温管道等。此后，关于高温气冷反应堆的实用反应堆的基础技术开发，还参与了超致密板翅式热交换器的开发、高温隔离阀的开发以及与JAEA合作的高温气冷反应堆燃气轮机发电系统（GTHTR300：Gas Turbine High Temperature Reactor of 300 MWe）的设计研究，以作为高温气冷反应堆的实用反应堆的基础技术开发。此外，关于制氢系统，三菱重工在与JAEA的HTTR连接制氢系统设计研究方面拥有丰富的成果。 基于这些积累的技术和经验，三菱重工目前正在开发一种高温气冷反应堆热电联产工厂，该工厂具有出色的经济性和灵活性，可以满足脱碳化和氢能社会等各种未来社会的需求。图2示出高温气冷反应堆热电联产工厂图。 该工厂使用在HTTR中开发的技术将反应堆出口温度设为950℃，进行制氢和发电的热电联产。一般来说，尽管核电站的燃料成本较低，但是与建造相关的初期成本较高，因此，为了回收投资成本，需要提高设备利用率，并且核反应堆最好在额定输出下运行。该热电联产工厂根据氢气需求或电力需求的变化，平衡发电量/制氢量，并保持核反应堆输出恒定，从而在考虑与可再生能源的共存性的同时，提高设备利用率。 此外，通过将核反应堆出口温度设为950℃，有望在制氢和发电中都实现高效率。特别是在发电中，三菱重工的目标是通过在初级系统中直接使用氦气涡轮机，实现比使用蒸汽涡轮机的兰金循环更高的效率。 在安全性方面，基于由HTTR证实的固有安全性，进行独创的燃料/堆芯设计和结构研究，并通过分析来验证安全性，从而即使在提高核反应堆输出规模的情况下也能保持相同的固有安全性。
图2 高温气冷反应堆热电联产工厂图 在制氢技术中，首先应用蒸汽重整法来实证核能制氢，目标是基于利用HTTR的制氢实证，建成可稳定生产大量低碳氢的工厂。该工厂的目标是以约220MWt的热量，实现每小时制造12万Nm3／hr的氢气（每年9亿Nm3以上）。此外，假设2050年以后，高温水蒸气电解法和IS法等无碳制氢方法投入实际使用，目标是通过连接这些制氢设备的高温气冷反应堆热电联产工厂，实现大量无碳氢的稳定生产。 此外，在经济性方面的目标是，通过简化和优化基于固有安全性的安全系统，在初级系统中直接采用氦气涡轮机的简单系统结构、利用高温氦气的高效发电，以及通过模块化实现的建设成本降低等，在确保较高发电效率的同时，利用核能实现低成本制氢。 如上所述，三菱将与旨在向氢还原制铁转换的钢铁行业用户等合作，在与国家政策推进的脱碳化和实现氢能社会的创新等行业努力相协调的同时，针对高温气冷反应堆热电联产工厂的实用化进行研发。 微型反应堆的输出水平和尺寸比一般的小型反应堆小，具有固有安全性以及便携性，是一种可以提供不同于现有陆上动力核反应堆的新价值的选择之一。三菱重工正在开发一种多功能模块化微型反应堆，其目的是在图3所示的非输电网区域中使用电源和热源，进行能量存储等。 为了应对各种使用目的和安装环境，微型反应堆与现有的大型反应堆相比，安装在距离公众较近的地方。因此，为了实现其实用化，从保护普通公众和环境不受辐射影响的角度出发，作为开发的基本理念，首要的是最大程度地追求安全。在现有核反应堆中，当核反应堆冷却剂由于事故而损失时，放射性物质流向外部的风险提高。为了从根本上消除这种事故原因，该微型反应堆采用不使用液体进行反应堆冷却的“全固态核反应堆”概念。全固态核反应堆使用石墨基高导热体作为堆芯结构，并将堆芯的热能传递给发电系统。该概念可以从根本上消除由液体冷却剂引发的事故，显著提高核反应堆的安全性，并减少辐射对公众和环境的影响。即使发生事故，其输出本来就很小，并且具有高导热率的石墨基材料仅通过空气自然冷却便可稳定地去除衰变热量，因此不会发生福一事故那样的燃料熔融事故。 此外，该设计还可以通过固有的安全性和简化的控制系统进行无人自动运行。为了实现无需燃料替换作业的长寿命堆芯，将采用铀浓缩度上限为20％的HALEU燃料（High-Assy, Low-Enriched Uranium）。
图3 微型反应堆的应用场所图 预计该微型反应堆每个模块的最大输出为1MWt，并且可以根据需求规模配置多个单元构成。计划在工厂生产线进行生产，可以通过量产来降低成本。此外，为了达到可通过卡车运输的重量，最大程度地利用比金属基材料轻70％的石墨基材料来减轻核反应堆的重量。关于尺寸，计划采用HALEU燃料来使堆芯尺寸最小化，并将所有反应堆系统和发电系统收纳在40英尺的国际海运集装箱中。微型反应堆的开发计划规格如表1所示。
如上所述，为了满足多用途需求，三菱重工将继续致力于开发便携式模块化微型反应堆，以创造新的核反应堆价值。 三菱重工将继续进行未来反应堆的开发，在与国家和各行业经营者进行对话的同时进行设计研究，以便成为被需要（被选择）的工厂。 三菱重工进行的小型压水反应堆、高温气冷反应堆和微型反应堆开发作为有助于社会脱碳化的核能技术，是为满足未来社会需求的重要举措。这三种创新技术不仅可用于传统发电，还有可能充分发挥各自特性在社会上进行实施，未来，将在与服务提供商进行讨论的同时推进开发。此外，还需要对每种创新技术进行实证，并且有必要继续追求安全保障，实现有竞争力的经济效益。关于安全法规，与传统的大中型反应堆不同，有望尽早开始讨论输出小、适用于创新安全概念的法规标准。 参考文献： （1）杉浦宽和等，实现多用途的轻水小型PWR的开发，日本原子力学会2020年秋季大会，1I05。 （2）须山和昌等，无堆芯熔融的高温气冷反应堆热电联产工厂（制氢·发电）的开发，日本原子力学会2020年秋季大会，1K08。 （3）淀忠胜等，三菱多用途模块式超安全微型反应堆的开发，日本原子力学会2020年秋季大会，2I07。 翻译：李释云 审校：李涵、贾陆叶 统稿：李淑珊  ●使用水电解装置大量制造“绿氢”的时代——全球项目数量已超400个 ●托普索：将建设大型SOEC电解池生产工厂，以满足客户对绿氢的需求 |
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