小型核反应堆的大计划

更高效的核电站，小型模块化反应堆，安全性，下一个新核电站的时间表，以及核能是最近讨论的主题之一美国核学会(ANS)会议。参见图片和相关链接。美国的核能继续在积极和消极的混合发展中取得进展。以下是有关最近进展的最新情况，包括与美国能源部(DOE)的核能项目2月6日，能源部负责核能的助理部长彼得·b·莱昂斯(Peter B. Lyons)博士提交了这份报告。

美国核学会(ANS)邀请Peter B. Lyons博士作为2014年2月芝加哥分会会议的发言人。在“当前问题:能源部的核能项目”中，莱昂斯指出，联邦综合预算(2014财年)对核能的处理相当好，达到8.88亿美元。莱昂斯博士是美国能源部负责核能的助理部长，也是美国核管理委员会(NRC)的前专员。

能源部有一项多任务任务，即为现有和新的核反应堆开发技术。提高可靠性、维持安全性和延长使用寿命的项目适用于目前的反应堆，而开发“改善可负担性”的工作则针对新的反应堆技术。莱昂斯指出，能源部的其他相关活动包括减少监管和技术风险，管理核废料，了解并尽量减少核扩散和恐怖主义的风险。

在最近的联邦预算中，几个核能领域的资金得到了大幅增加。莱昂斯指出，其中一个例子是“先进核燃料”，这是一项计划开发抗熔毁燃料的倡议。在福岛第一核电站事故的推动下，“事故容忍燃料计划”寻求减少氢气的产生和减少氢气爆炸。这一长期项目仅处于研发阶段，包括改善燃料棒包壳性能的方法。

先进的反应堆技术，如高温反应堆，是另一个增加资金的领域。目前的重点是气冷和钠冷反应堆的设计。另一个附属领域是研究如何使老化的核电站部件寿命更长。莱昂斯解释说，在老化的工厂中，很难更换混凝土结构、电缆和压力容器，其中一些很快就会超过60年。

然而，美国核电站的整体寿命证明了它们的设计完整性，这使得许可延期和安全运行远远超过它们的原始设计寿命。

热循环，计算工具

目前的核反应堆以兰金循环运行，热效率约为33%。目前正在进行的工作是开发利用基于布雷顿循环的超临界热力学运行的反应堆，使效率超过40%。莱昂斯还提到，布雷顿循环发电厂可显著减小涡轮尺寸，实现更高效的热转换。

高性能计算和先进的建模与仿真在管理核能的复杂物理和控制要求方面发挥着至关重要的作用。目前正在采取一些进一步的行动，以推进现有和新的反应堆设计。新的计算工具将使研究人员能够专注于以前无法实现的细节。据美国能源部称，这被视为适用于从核燃料到完整核电站运营等广泛领域的可行解决方案。

技术阶梯短环到超级扁环

小型模块化反应堆(SMRs) -通常低于300兆瓦的电力输出(MWe) -代表了一种相对较新的核能方法。业内专家认为，这种小型反应堆设计是美国核能复兴的关键因素。里昂列出了smr的几个好处。

工厂制造的SMR单元可以完好无损地运输到工厂现场。因此，相关的资本成本可以更低，对更多的电力公司来说，小型反应堆可能是一种更经济可行的投资。

模块化意味着反应堆可以根据电力需求以“一口大小”的块投入使用。smr还可能对电网造成较小的压力。

-小型模块化反应堆为市场提供了进一步的属性。莱昂斯说，例如，它们可以更容易地达到施工进度，很好地适应许多国家的小型电网，并且可以空气冷却。

“总的来说，小型模块化反应堆可以代表核能的新范式，”莱昂斯说。“每千瓦的成本将是关键。”

能源部已与工业界签订了开发小尺寸反应堆的成本分担协议。最近的两个项目值得注意。一份协议，授予mPower america，一个合作伙伴巴布科克&威尔科克斯公司田纳西流域管理局(TVA)和贝克特尔-目标是支持到2022年在TVA位于田纳西州橡树岭的克林奇河基地建造的180兆瓦反应堆的商业运行。莱昂斯提到，mPower的反应堆设计是基于60年的寿命和4年的换料周期。可铁路运输的整体压水堆模块将采用被动安全系统。

2021年商业运营

据美国能源部称，mPower America已经制定了一项计划，预计在2021年10月实现商业运营。主要项目活动包括:

• 2014年底向NRC提交设计认证申请，2018年批准。
• 在TVA克林奇河现场进行地质表征。
• 在2015年年中之前向核管理委员会提交施工许可证申请，以便在2018年之前获得批准。

2013年12月宣布了第二项SMR计划NuScale Power LLC．DOE将其描述为提供了安全性、可伸缩性、可移植性、经济性和先进的设计成熟度。与美国能源部的合作协议预计将在2025年实现商业运营。NuScale Power的反应堆设计旨在实现更小的45mwe模块，具有自然循环(重力、对流和传导)，以实现正常操作和安全关闭，而不需要泵，Lyons指出。整体压水堆设计允许在一个工厂站点多达12个模块的可扩展性，最大输出540 MWe。

主要活动包括:

• 2015年第一季度完成初步设计
• 执行测试程序以支持设计开发和NRC评审要求
• 2015年年中前向NRC提交设计认证申请，2018年底前获得批准
• 2018年底前完成初级系统最终设计。

核能也有它的反对者，无论这些反应堆是传统的公用事业规模还是小型的模块化反应堆。SMR的反对者提出的论点是，将核设施分布到更多的地点，并有可能引发恐怖主义。与之相对的是美国大型核反应堆的卓越安全记录，有时被称为“白金标准”。在未来的小型模块化反应堆设计中，安全性有望得到进一步的应用。

小型模块化反应堆的控制方面

与大型轻水反应堆相比，较小的物理尺寸使得小型模块化反应堆(SMRs)可以实现更简单的仪表和控制(I&C)系统。简单性包括使用反应堆的自然循环，在某些设计中消除了泵的需要，就像NuScale Power的开发情况一样。反应堆安全仍然是最重要的考虑因素。

SMR工厂I&C体系结构由两种主要系统类型组成:一种用于安全相关功能，另一种用于非安全相关功能。NuScale Power表示，与安全相关的I&C架构将是一个新的基于硬件逻辑的系统，结合多层多样性，以实现整体植物保护系统架构的简单性。非安全I&C系统平台的选择将留给现场许可证申请人，而不是设计认证的指定。

要监测的I&C系统功能和过程变量将类似于典型的压水堆，例如压力、温度、流量、液位和中子通量。NuScale指出，每个反应堆模块的传感器数量尚未确定，但会比典型的大型轻水反应堆的数量少一些。

至于I&C系统通信和/或总线网络，将使用自定义和专有的设计来实现安全相关功能;对于非安全相关功能，SMR设计认证将不指定此区域。

行业现状

好消息是，在中断了30多年后，目前有5个新的核电机组正在建设中。新建筑包括乔治亚州A.W. Vogtle发电厂(3号和4号机组)的两个反应堆南方有限公司以及两个在建的反应堆南卡罗来纳电力天然气公司V.C.夏季工厂(2号和3号机组)位于该州。另外一个部分建成的反应堆正在TVA位于田纳西州的瓦茨巴2号机组完成。

目前，这些新反应堆的预计运行日期如下:瓦茨巴2号反应堆将于2015年底运行;2017年和2018年分别为Vogtle 3和4;2017年底和2019年夏季2和夏季3。在更长的时间框架内(2022-2025年)，另外4到6个反应堆可能会投入使用。

与此同时，由于安全问题以外的各种原因，最近有5个反应堆被关闭。电力需求持平、天然气价格低，以及与老化有关的问题，可能会导致进一步的反应堆关闭。上述市场力量导致提前关闭的一个例子是多米尼的科沃尼(威斯康星州)工厂。这座运行良好的核电站在2013年关闭，按计划还将运行多年。正如能源部的里昂所说，美国的市场形势是这样的:“国家目前并不重视核能。”

美国仍然拥有数量最多的核反应堆(截至本文撰写时为99座)，但由于最近的关闭，全国范围内的核电发电量已从相当长一段时间内的略高于20%下降到18%。尽管美国电力生产总量的18%代表着巨大的能源资源，但这确实表明了一个严重的趋势。

莱昂斯说:“核电站的退役可能会对未来的电力供应产生巨大影响。”能源部正在审查的一种可能情况是，到2035年，美国三分之一的反应堆可能因设计寿命结束而关闭。如果没有足够的替代品，这种发展将引起严重关切。

相比之下，全球有70个在建核电站，中国、韩国和俄罗斯都是主要参与者。

一些人把美国最近的新核电站建设称为核能复兴。莱昂斯总结道:“我不认为这是核能复兴。“这个国家未来将需要更多的核能，我们必须为此做好准备。”

美国核学会是一个非营利性的国际性科学教育组织，总部设在华盛顿特区。ANS的核心宗旨是促进人们对核科学与技术应用的认识和理解。

-弗兰克·j·巴托斯，体育老师控制工程贡献内容专家。联络他的地址是braunbart@sbcglobal.net．

在线

关键概念

• 美国能源部的任务是为现有和新的核反应堆开发技术。
• 新技术旨在提高效率和安全性。
• 美国正在建设五座核反应堆

考虑一下这个

如果美国不扩大核开发，随着最后一代电厂的退役，基载电力短缺似乎很可能出现。

-请参阅本帖底部的相关文章。

先进技术:“美国闲置”——核能

美国核能更新:2012年的序曲?

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。