美核创新联盟发布《先进反应堆技术》报告
美国核创新联盟（NIA）2021年9月发布《先进反应堆技术》报告，简要说明了截至2021年8月全球——尤其是美国——先进反应堆技术的发展情况。报告主要包括三部分内容。首先，报告明确了先进反应堆在解决气候问题方面的优势。其次，报告介绍了一些先进反应堆类型及该类型下的具体反应堆设计。最后，报告概述了美国先进反应堆示范计划(ARDP)，并介绍了该计划的最新进展情况。
1 先进反应堆技术可推进碳减排
当前，世界正面临前所未有的气候挑战。维持气候稳定性的关键在于消除因燃烧石油、煤炭和天然气而产生的温室气体排放。目前，化石燃料提供的能源占全球能源总量的84%，占美国能源总量的78%。因此，在制氢、电力生产、交通运输、区域供暖、海水淡化和工业供热等领域，各国需尽快使用零碳能源替代化石燃料，而先进反应堆正是一种关键的零碳能源技术，其拥有的重要优势能够为建立清洁、稳定、平衡且多元化的能源结构提供支持。先进反应堆的具体优势如下:
- 运行灵活性高。例如，先进反应堆既能够发电也能够制氢，还可以以负荷跟踪模式运行，因此先进反应堆能够推进太阳能和风能等间歇性可再生能源的部署，降低对化石燃料的依赖，以及维持能源供需平衡。
- 拥有“黑启动”能力。这种能力使先进反应堆在电网因故障停电的情况下能够快速使电网恢复电力供应。
- 供热温度高。先进反应堆的供热温度高于当下大多数反应堆，因此它的热电转化效率更高，且能够在更广泛的工业领域取代化石燃料供热。
- 体积小。先进反应堆体积小，可被纳入综合能源系统中。例如，它的废热可满足地方供暖需求。
- 易于制造和运行。先进反应堆具有易于制造和运行的特点，因而相比于当前在运的反应堆，其平准化发电成本更低，且故障发生率也较低。
- 具有固有安全性。先进反应堆在丧失冷却能力、面临严重事故的情况下，无需人为和外界的干预仍能保持安全状态，并将剩余热量自然排出。
- 产生的废物较少。现有在运反应堆将乏燃料中的一些材料视为废物，然而先进反应堆或将使用这些材料。因此先进反应堆产生的废物数量较少，更易于处理。
2 先进反应堆设计
报告指出，先进反应堆主要在三种情景下部署。首先是几乎没有接入电网的地区。这些地区需要获得稳定、可靠且规模较小的电力，而先进反应堆能够满足这些需求。其次是作为小型分布式发电系统建设。先进反应堆能够支持这些运营商建立小型分布式发电系统，以避免老化电路系统的拥堵和过载。最后，先进反应堆可应用于传统基荷电力——如化石燃料发电——逐渐消失的地区，因为这些地区需要获得建设时间短、部署灵活、且能够全天候持续供电的电力设施。
2.1水冷堆
报告列举了目前处在研发当中的三种先进水冷堆，均为模块化小堆，分别是纽斯凯尔（NuScale）小堆、通用电气-日立核能公司BWRX-300以及霍尔台克公司SMR-160。
传统反应堆是在厂址直接建设的，而模块化小堆的核蒸汽供应系统主要部件将在工厂中制造并将完整地或以模块化的形式运往现场。在工厂中制造的部件成本更低而质量更高。此外，这一制造方案使得运营商能够在厂址同步开展反应堆和电厂建筑物的建设工作，从而缩短部署时间。
2.2非水冷先进反应堆
2.2.1 熔盐堆和钠冷快堆
报告列举了几种尚在研发中的熔盐堆和钠冷快堆，包括美国泰拉能源公司的Natrium反应堆、加拿大特里斯特尔能源公司的一体化熔盐堆（IMSR-400）、英国莫尔泰克斯能源公司的稳定熔盐堆（SSR）、以及美国卡伊洛斯电力公司的赫耳墨斯示范堆（Hermes）。
Natrium反应堆是一种钠冷快堆，能够以345兆瓦的电功率稳定运行。此外，由于该反应堆配备了一个熔盐储能模块，其电功率能够根据市场需求在100兆瓦和500兆瓦之间调整。例如，在广泛利用太阳能资源的电网系统上，该反应堆将在白天输出100兆瓦的电力，而在日落后的电力需求高峰期，该反应堆能够以500兆瓦的功率运行5.5小时。因此，Natrium适于调峰运行，可与拥有大量可再生能源的电网实现无缝整合，帮助实现削峰填谷。
特里斯特尔的一体化熔盐堆装机容量为195兆瓦，使用液态燃料，是一种可在工厂制造的模块堆。此外，该反应堆无需停堆换料。
莫尔泰克斯稳定熔盐堆的装机容量为300兆瓦。该熔盐堆可使用来自常规反应堆的乏燃料。目前，莫尔泰克斯正在研究将商业坎杜堆乏燃料转变为稳定熔盐堆燃料。
卡伊洛斯的赫耳墨斯示范堆是140兆瓦小型氟化盐冷却高温堆KP-FHR的示范版本。KP-FHR小堆使用三元结构各向同性（TRISO）燃料，以氟化盐为冷却剂，在低压下运行。
2.2.2 高温气冷堆
报告介绍了美国X能源公司的Xe-100小堆和法国法马通公司的棱柱形模块化蒸汽循环高温气冷堆（SC-HTGR）。
Xe-100小堆是一种80兆瓦的小型高温气冷堆，使用铀-235丰度为10%的三元结构各向同性燃料。这一高温气冷堆能够实现灵活的电力供应，同时也适用于工业供热，比如为海水淡化和制氢等工业提供热能。
SC-HTGR的热功率为625兆瓦，可为许多行业提供高效的能源，例如发电、化工和冶炼以及制氢等。该高温气冷堆采用模块化设计，其研究依托于当前三元结构各向同性（TRISO）燃料的开发。
2.2.3气冷快堆
报告介绍了由美国通用原子能公司研发的50兆瓦氦冷模块化快堆（FMR）。由于采用布雷顿循环模式，该快堆在运行期间的总效率高达45%。在运行期间，这一氦冷快堆可根据电网需求快速调节运行功率，每分钟可调节20%。还能实现对反应堆功率和叶轮机械模式的自动控制，使反应堆以恒定温度运行，从而缓解与反应堆负荷跟踪运行相关的热循环疲劳。
2.2.4 微堆
微堆实际上是一种热功率低于20兆瓦或电功率低于10兆瓦的反应堆。由于规模小、运输灵活性高以及能够在更大范围内满足各种能源需求，微堆可以取代柴油在偏远地区供电，也可用于区域供暖。此外，微堆可以用作一些关键设施的电源，如军事哨所、医院和政府设施。
报告介绍了目前几种尚在研发的微堆，包括美国奥克洛公司的Aurora钠冷微堆、美国超安全核公司的石墨慢化氦冷堆MMR、美国BWXT公司的可移动微堆（BANR）、X能源公司的Xe-Mobile微堆以及美国西屋公司的eVinci微堆。
3. 美国先进反应堆示范计划
美国先进反应堆示范计划包括3个子计划。
一是“先进反应堆示范”，目标是在未来7年内帮助建成示范堆。在这一计划下，美国已分别向泰拉能源的Natrium和X能源的Xe-100的研发项目提供8000万美元的资助。
二是“降低未来示范风险”，旨在帮助5个研究团队应对技术、运营和监管方面的挑战，以便为未来的示范做好准备。目前，美国已宣布向五家公司的先进反应堆研发项目提供资金支持，包括卡伊洛斯的赫耳墨斯示范堆、西屋的eVinci微堆、BWXT的可移动微堆、霍尔台克公司的SMR-160、以及南方公司的熔融氯化物快堆(MCFR)。
三是“先进反应堆概念2020”，将支持有望在21世纪30年代中期实现商业化的创新型反应堆设计。在这一计划下，美国将为先进反应堆概念公司的钠冷堆、通用原子能公司的模块化快堆以及麻省理工学院的推进卧式紧凑型高温气冷堆的概念设计提供资金支持。
