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小型核反应堆被遗忘的历史

By 涵冰 •  2018-01-05 23:02 •  4次点击 短消息


过去,经济问题扼杀了小型核电站,

将来这种情况可能还会发生。

核工业界又出现了一个有趣的议题:相较于今天标准大小的核反应堆,小型核反应堆具有经济性和其他优势。这种看法认为,小型反应堆能够降低全尺寸核项目的巨大财政风险,是启动我们常说的核能复兴的最佳选择。 

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虽然对气候变化的担忧令能源规划者们将核能保留为备选能源之一,但在美洲和欧洲,这项技术依然停滞不前,甚至有所后退。美国目前正在开展的两个新的核项目是自20世纪70年代晚期以来该国首批被授予建设许可的核项目。2014年的《BP世界能源统计年鉴》显示,2013年,全球11%的电力来自核电,相较于1996年最高时的17.6%有所下降。美国核电站的运行数量已下滑至不足100家,最近一座被关闭的是佛蒙特扬基核电站。

导致这种下降的根本原因确实是经济问题。与其他发电类型相比,核电确实较贵。据华尔街咨询公司拉扎德2014年的一份报告称,使用新型核反应堆产生1兆瓦电功率所需的成本(不考虑政府补贴,也不包括对严重事故进行的那些补贴)为92~132美元。而天然气联合循环电厂产生相同电功率的费用为61~87美元,风力发电为37~81美元,公用事业规模太阳能发电为72~86美元。核电的高成本直接来自于建造反应堆的高昂费用——据拉扎德公司估计,约为每兆瓦540万~830万美元。这些每兆瓦成本合计起来就是数十亿美元。例如,对上文提到的美国两个核电项目之一——南卡罗来纳州杰克逊维尔市附近建造的两座1117兆瓦反应堆——的最新估计为110亿美元。

这些费用在2012年一次有关小型模块化反应堆(SMR)的行业会议手册中得到了确认。该手册提到了传统核电站面临的“数十亿美元挑战”,宣称“SMR是解决这一问题的最佳方式,能够降低数十亿美元的财务风险,能够随着电力需求的增加而增长,并且建造时间更短,也更容易……SMR市场是全球性的,规模极其庞大……简而言之,电力行业迫切需要在全球开展商业化的SMR项目。”

如果真是如此,电力行业怕是要失望了。实际上,小型反应堆可以追溯至原子能技术的初期,在供应商开始兜售新一代这种技术时,我们也不应该忽略这段悠久的历史。诚如历史所示,建造和运行小型核反应堆并不像其现代支持者所说的那样便宜和简单。 

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SMR的输出功率从10兆瓦到300兆瓦不等。相比之下,目前全世界最普遍的现役反应堆的平均输出功率为860兆瓦,在建反应堆的平均输出功率为980兆瓦。虽然有些新型小反应堆设计采用了新方法,但大部分,尤其是最可能首先获得建造许可的小型反应堆只是常见的轻水反应堆的变体而已。支持者称,通过部分使用在工厂生产的模块,只需在电厂进行有限组装就可以把SMR的成本控制得很低。

这一基本想法实际上可追溯至20世纪40年代,当时美国空军、陆军和海军分别针对各种类型的小型反应堆开展研发工作。从1946年到1961年,美国空军花费了十多亿美元尝试建造一个能够为远程轰炸机提供动力的反应堆——结果是徒然。肯尼迪总统在取消该计划时写道:“在可预见的将来,在军用飞机上实现的可能性还是遥不可及的。”

美国海军在开发航空母舰和潜艇用核能方面取得了较好的成果。但它们的要求与今天所说的SMR提议大大不同。潜艇反应堆用于在压力条件下运行——例如,当潜艇加速时,反应堆要在一瞬间提供能量。而且,与民用电厂不同,海军的核反应堆不需要与其他发电能源在经济性上进行竞争。它们的绝对优势在于,能够在无须重新添加燃料的情况下使潜艇在海上运行很长时间。

在美国军队的早期小反应堆中,与今天讨论的小型反应堆最有可比性的来自美国陆军核能计划。该计划建造了8座小型反应堆。其中有些反应堆的地点与现在被提议作为SMR可取地址的地点位于同类偏远地区:南极洲、格陵兰岛,以及偏远的陆军基地。

但在这些地方发生的事情却不那么鼓舞人心。例如,南极洲麦克默多站PM-3A反应堆“发生过多次故障,包括主系统泄漏(和)不得不进行焊接的安全壳裂缝。”劳伦斯•H•苏伊德(Lawrence H. Suid)在记录该计划的官方史书中写道。该核电站(为美国海军所有并负责运作)的泄漏产生了严重污染,人们不得不把1.44万吨土壤转移、装运至洛杉矶北部的海军基地怀尼米港进行处理。

与海军的潜艇反应堆不同,陆军的反应堆可用传统柴油发电机替代,1976年,陆军取消了该计划。正如苏伊德所写,陆军的总结是:“设计先进、复杂又体积不大的核电站既昂贵又耗时间……实际上开发和建造这种核电站的成本非常高,只有当这种反应堆具备独特的能力并能实现由国防部支持的明确目标时,才有正当理由这样做……(并且)陆军和五角大楼需要准备好给予美国原子能委员会(AEC)在核方面的开发努力相应的财力支持。” 

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碰巧,AEC(美国能源部与核监管委员会的前身)当时对小型反应堆非常感兴趣。从20世纪50年代开始,美国提出了大量民用小型反应堆计划,最终建造了17座电力输出功率小于300兆瓦的反应堆。但目前没有一个运行。

这些计划中,许多是由倡导把核能用于美国公用事业的AEC支持的。1955年1月,AEC宣布了第一轮资金流向,温迪•艾伦(Wendy Allen)在她1977年的报告《发电的核反应堆:1946至1963年美国的发展》(Nuclear Reactors for GeneratingElectricity: U.S. Development From 1946 to 1963)中写道,这笔资金投向了作为“原型反应堆”并且“有助于开发大型反应堆”的小型机组。

在收到的4份提案中,AEC资助了3份:扬基(不要与后来更大的佛蒙特扬基混淆)、德累斯顿-I和费米-I。其中,最广为人知的是费米核电站,因为它在1966年经历了熔毁,1975年约翰•G•富勒(John G. Fuller)在其作品《我们差点失去底特律》(We AlmostLost Detroit)中进行了详细描述,吉尔•斯科特-赫仑(Gil Scott-Heron)的同名歌曲也有描述。相对来说,另两个反应堆成功实现了其目标。185兆瓦的扬基核电站,也被称为扬基•罗核电站,运行了31年;但它的停运却花了16年时间和6亿8百万美元。

如上文所提到的,AEC把这些反应堆视为未来更大型的反应堆的原型。AEC更喜欢大型反应堆而不是小型反应堆,原因很简单:规模经济。建造和运作一座反应堆的大部分花费与产生的电量并不成线性比例。比如,建造一座400兆瓦反应堆所需的混凝土和钢铁不到建造一座200兆瓦反应堆的两倍,而且操作400兆瓦反应堆所需的人数也不到200兆瓦反应堆的两倍。1961年,AEC的一位高级成员在《科学》杂志上写道,“(与化石燃料发电厂的)竞争确实很激烈,”建议“使用目前的压水堆技术,大型核电站才最容易实现较低的核电成本。”

当时,电力行业对规模经济非常执着,以至于20世纪60年代早期,一些公用事业单位联合起来吸纳大型核电站的电量产出。

面对这一盛行的观点,小型反应堆的支持者们又把希望寄托在另一种流行的商业原则——“大规模生产经济”上。比如,1955年,洛杉矶水电管理局总经理兼总工程师塞缪尔•B•莫里斯(Samuel B. Morris)一路飞到日内瓦去参加第一届和平利用原子能国际会议。他在会上提出了支持小型反应堆的理由,认为由于“小型机组的数量……是大型机组的许多倍,”所以可能出现“发展和重复制造”小型机组的“经济”。

同时,来自较小的电力公司的代表(包括农村地区的代表)表示,AEC对大型反应堆的关注实际上把他们排除在外了。

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面对这些争论,加之又想将核电扩展到无法支持大型反应堆的地区,1955年9月,AEC宣布进行第二轮注资。这次,小型反应堆不再是实现目标的手段,而是成为了目标。委员会收到了7份提案,对其中两份进行了资助:位于明尼苏达州、在明尼阿波利斯西北部50公里处的22兆瓦埃尔克河反应堆和靠近俄亥俄州皮奎镇的12兆瓦反应堆。后来该计划又增加了另两座反应堆:位于波多黎各蓬塔伊格拉的沸腾式过热核反应堆(Bonus)和位于威斯康辛州杰诺亚(Genoa)的拉克罗斯沸水反应堆。

埃尔克河反应堆被它的运作者称为“美国农村的第一个核电站”。该反应堆与现在设想的SMR很类似,也是由预制组件构成,其反应堆压力外壳很小,使用标准大小的铁路平板车就能运到建造地点。

该反应堆的设计源自沸水反应堆,而后者是目前第二常见的反应堆类型。但它的燃料却与众不同,是高浓缩铀(比一般的核燃料含有更多的连锁反应同位素铀-235)和钍的混合物。许多专家把钍视为核电长远发展的希望,部分原因是他们担心铀会枯竭;直至今日,还有人认为钍是解决所有核能问题的答案。

在电力示范项目国会听证会上,当时正在建造埃尔克河核电站的农村电力合作协会主席O•N•格拉夫加德(O.N.Gravgaard)表示:“我们农村电力是出于必要才从零开始,几年前还没有电……我们农村电力将竭尽一切努力让这座反应堆实现财务上的成功。”

埃尔克河反应堆于1959年1月开始建造,1962年11月达到临界状态。但直到1964年7月才宣布商业化运作,比计划时间晚了3年半。多项工程问题(包括某些组件出现的裂缝)导致了这次长时间的延迟。根据1967年举行的国会听证会,埃尔克河反应堆的建造成本翻了两倍多,从620万美元增加到1600万美元。不过,当时建造的其他反应堆后来花费的费用至少是最初预估时的3倍,相较之下,埃尔克河反应堆算是很不错了。

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埃尔克河反应堆花了5年多才建完,但其运作生命却极其短暂:只有3年半。在冷却系统管道出现裂缝后,该反应堆于1968年2月被永久关闭。面对约100万美元的维修成本,合作协会选择不予维修。该协会的一位发言人告诉《芝加哥论坛报》,该组织“不想花这些钱,特别是这座反应堆并不是很经济,因为它太小了”,又补充说,这座反应堆的发电成本是燃煤电厂的两倍。

正如核物理学家沃尔特•帕特森(Walt Patterson)在其1976年的著作《核电》(Nuclear Power)中所提到的,埃尔克河反应堆是第一座被关闭的示范动力反应堆。由于反应堆压力外壳辐射很大,因此需要开发新型水下焊炬,通过远程控制切割厚厚的钢结构进行拆除。这个过程花了3年时间,耗费了615万美元,几乎等于最初的建造估价。

处理辐射性的铀-钍燃料也很困难。最终,废燃料被装运到意大利南部的一个再处理工厂。

在1968年,也就是埃尔克河反应堆关闭的同一年,AEC最后一座小型反应堆——50兆瓦的拉克罗斯沸水反应堆——接入电网。那座核电站运行了18年;根据2012年关于该核电站废燃料处理的一篇新闻报道,其最终的发电成本是隔壁燃煤电厂的3倍。那篇文章引用了核电站一位前任经理的话,说拉克罗斯核电站“设计很棒,唯一的问题就是太小了”。

自那之后,美国再没有一座小型反应堆投入运行。事实上,美国反应堆的规模不断增长,到20世纪70年代中期已达到800~1300兆瓦的水平。

在这一增长势头之下有一个例外,那就是位于科罗拉多州普拉特维尔的圣符仑堡试验性330兆瓦高温气冷反应堆。该核电站1976年投入运行,并宣传设计得超级安全。但这座反应堆失败了。《纽约时报》一篇有关1988年决定关闭它的文章抓住了问题的要点:“这座最安全的反应堆之所以被关闭是因为它很少运行。”来自国际原子能机构的数据显示,该核电站生产的电量仅仅约为全负荷运行时的15%。

其他许多国家也建造了小型反应堆,但都是迈向大型反应堆的垫脚石而已。最近有小型反应堆经历的国家是印度,该国直到最近还在建造220兆瓦的重水反应堆。这些反应堆与现在小型反应堆支持者们设想的SMR在很多特征上都相符:规模不大、相对标准化的设计、由一家公用事业单位及其合作伙伴负责制造和运作。然而,印度原子能机构决定把这些反应堆的容量提升到700兆瓦甚至更高。总结:规模经济并非美国独有。

不过美国曾经独有,现在仍然独有,并可以解释这个国家为何对小型反应堆最有兴趣的一点是,美国的核电站都由民营公用事业公司运作;而在大多数国家,核反应堆是由受政府控制的组织运作的。民营公用事业公司的预算更为紧张,也面临更加严格的资本约束,所以更容易被可能更加低廉的核反应堆吸引。鉴于其他国家也有兴趣开发小型反应堆,美国开始把目光主要投向出口市场。

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小型核反应堆的梦想并没有在20世纪60年代死去。20世纪80年代,核工业受到70年代开始的反应堆建造高成本和计划延迟问题的影响。因此,核电支持者们又绕回了小型反应堆的思路。

分析人士乔•伊根(Joe Egan)1983年在《能源》(Energy)期刊上发表了一篇文章,陈述了他对小型预制反应堆的设想。“采用以工厂为基础的新方法建造400兆瓦以下的反应堆可能会减少核事业遇到的许多实际限制。”他写道,暗示“对主要核电厂组件进行预制和标准化可以把每千瓦的资金成本降低到现在1000兆瓦模型的水平。”他写道,通过减少监管、缩短建造时间并避免组件出现质量问题,这种工厂装配方式会进一步降低成本。

“反应堆一旦在船上(有一个例子甚至说是在火车上)组装起来,将翻洋过海、沿河而上,或通过货车跨越整个国家运到运行地点。”伊根补充道,“买家将在那儿把核电站最终建起来,轻松地‘按下按钮’就能产生200~400兆瓦的瞬时功率。”

这种设想从未实现过。没有一座一切齐备、随时可投入使用的核反应堆在货车上跨越过整个国家或溯河而上。正如之前的看法,人们认为这样太贵了。

遗憾的是,核工业界仍在继续进行选择性回忆,推行尚未成功的想法。今天,我们眼看着对小型反应堆的呼吁再一次上演:需求将会很大,建造起来既便宜又快速。

但小型核反应堆的历史并没有说明它们会比全尺寸核反应堆更经济。事实上,历史已经非常清楚了:鉴于小型反应堆的低产出和欠佳表现,其成本无一例外都太高了。最终,如1966年通用电气的一名分析师所说,“核电是一项属于大型工厂的事业:大型核电站才最具竞争力。”如果大型核反应堆都不具竞争力,那么小型反应堆也不可能会做得更好。更糟糕的是,试图让小型反应堆变得廉价可能会最终加重其他核电问题:产生长期存在的放射性废弃物,与核武器产生瓜葛,以及偶然发生的灾难性事故。

作者:M.V. Ramana


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