被遗忘的小型核反应堆历史（2015）

# 被遗忘的小型核反应堆历史 来源：https://spectrum.ieee.org/the-forgotten-history-of-small-nuclear-reactors 密歇根州纽波特的恩里科·费米原子能发电站一号机组是美国原子能委员会资助建造的早期小型核反应堆。该反应堆于1963年达到临界状态并运行至1972年，尽管在1966年曾发生过部分堆芯熔毁事故。 **一个诱人的提议**再次在核工业界兴起：小型核反应堆（https://spectrum.ieee.org/tag/nuclear-reactors）相比目前建造的标准尺寸反应堆具有经济和其他方面的优势。其理念在于，通过降低大型核电项目的巨大财务风险，小型反应堆是推动备受讨论的核电复兴（https://spectrum.ieee.org/tag/nuclear-power）的最佳选择。 尽管气候变化（https://spectrum.ieee.org/tag/climate-change）的担忧促使能源规划者将核电保留为一种选项，但该技术在整个美洲和欧洲仍处于停滞或衰退状态。美国（https://spectrum.ieee.org/tag/united-states）目前进行中的两个新核电项目是自上世纪70年代末以来该国首个获得建设许可证的项目。根据《BP世界能源统计年鉴2014》的数据，2013年全球核电占总发电量的比例约为11%，低于1996年17.6%的峰值。在美国，随着最近佛蒙特州扬基核电站的关闭（https://www.vox.com/2014/12/30/7468263/vermont-yankee-shut-down），运行中的核电站数量已降至100座以下。 这种衰落的一个根本原因确实是经济性的。与其他类型的发电方式（https://spectrum.ieee.org/tag/electricity-generation）相比，核电成本高昂。根据华尔街咨询公司Lazard 2014年的一份报告，从新建核反应堆（https://spectrum.ieee.org/tag/nuclear-reactor）发电（未考虑政府补贴，包括针对严重事故的责任补贴）的成本在每兆瓦时92至132美元之间。相比之下，天然气联合循环电厂为61至87美元，风力涡轮机（https://spectrum.ieee.org/tag/wind-turbines）为37至81美元，公用事业规模太阳能发电为72至86美元。核电的高成本直接源于建造反应堆本身的极高成本——Lazard估计为每兆瓦540万至830万美元。这些每兆瓦成本换算成美元就是数十亿。例如，上述美国两个项目之一——位于南卡罗来纳州詹金斯维尔附近建造的两座1,117兆瓦反应堆（https://www.thestate.com/news/business/article14658584.html）——的最新预估成本为110亿美元。 这些成本在2012年一次行业会议的宣传册（https://www.slideshare.net/etully/2nd-annual-small-modular-reactor-conference）中得到了承认，该会议专注于所谓的所谓小型模块化反应堆（https://spectrum.ieee.org/tag/small-modular-reactors）（SMR）。宣传册指出传统核电站带来的“数十亿美元的巨大挑战”，并宣称“小型模块化反应堆是完美的解决方案，能够缓解数十亿美元的财务风险，随电力需求的增长逐步扩张，并提供更短、更容易的建设周期...SMR市场是全球性的，而且极其广阔...简而言之，全球电力行业都在呼唤商业SMR项目”。 如果是这样，电力行业很可能会失望。事实上，小型反应堆的历史可以追溯到原子能发展的最早期，在厂商宣传新一代技术时，不应忽视这一漫长的历史。正如历史所清晰表明的，小型核反应堆既不会像其现代支持者所宣称的那样便宜，也不会那样易于建造和运营。 **SMR的功率输出**在10到300兆瓦之间。相比之下，目前全球运行的最常见反应堆类型的平均功率为860兆瓦，在建反应堆的平均功率为980兆瓦。尽管数十种新型小型反应堆设计[PDF]中有一些采用了新颖的方法，但其中许多，尤其是那些最有可能首先获得建设许可的，只是对熟悉的轻水反应堆的变体。支持者表示，SMR的成本可以保持在较低水平，部分原因是使用工厂预制的模块，这些模块只需在电厂现场进行有限组装。 控制盘面板图片 容器图片 冷却剂管道图片。美国海军在麦克默多站的PM-3A核动力装置是南极洲第一座也是唯一一座核反应堆。1972年，在安全壳容器和冷却剂管道出现裂缝和泄漏后被关闭。最终，受污染的部件和14,400公吨土壤被运往加利福尼亚进行处理。照片：上图：美国海军/国家科学基金会（2）；下图：美国海军海蜂建筑营博物馆。 这一基本构想实际上可以追溯到20世纪40年代，当时美国空军、陆军和海军各自启动了各种小型反应堆的研发工作。从1946年到1961年，空军（https://www.military.com/Content/MoreContent1/?file=cw_atomicairpower）花费超过10亿美元试图建造一个为远程轰炸机提供动力的反应堆，但未获成功。约翰·F·肯尼迪总统在取消该计划时写道：“在可预见的未来实现具有军事用途的飞机的可能性仍然非常渺茫”。 海军在为航母和潜艇（https://spectrum.ieee.org/tag/submarines）开发核动力方面取得了更好的成功。但这些要求与当今的SMR提议有很大不同。潜艇反应堆的设计是为了在苛刻条件下运行——例如在舰船加速时提供爆发功率。而且与民用核电站不同，海军核反应堆不必与其他发电来源进行经济竞争。它们的压倒性优势在于能够使潜艇在不进行燃料补给的情况下长时间在海上停留。 在美国军方早期的小型反应堆中，与当今讨论最相似的是陆军核动力计划的产物。该计划导致建造了八座小型反应堆。其中几座位于与现在被认为可能对SMR有吸引力的地点类型相同的地方：南极洲、格陵兰岛和偏远的陆军基地。这部1969年的陆军纪录片强调了该计划被认为具备的优点： 这些地点的经验并不令人鼓舞。例如，位于南极洲麦克默多站的PM-3A，“出现了几次故障，包括其一回路系统的泄漏[和]安全壳容器上的裂缝需要焊接”，根据劳伦斯·H·苏伊德（Lawrence H. Suid）为该计划撰写的官方历史（https://www.amazon.com/Armys-Nuclear-Power-Program-Contributions/dp/0313272263）记载。该电站（由美国海军拥有和运营）的泄漏导致了严重污染，14,400公吨土壤被移除并运往位于洛杉矶以北的惠内梅港海军基地进行处理。 与海军的潜艇反应堆不同，陆军反应堆可能被常规柴油发电机取代，因此陆军于1976年取消了该计划。正如苏伊德所写，陆军得出结论：“开发复杂、紧凑的先进设计核电厂既昂贵又耗时……开发和生产此类电厂的成本实际上如此之高，只有当反应堆具有独特的能力并满足国防部支持的明确目标时……陆军和五角大楼（https://spectrum.ieee.org/tag/pentagon）才需要准备好提供与美国原子能委员会（AEC）在核能方面的开发工作相称的财政支持。” **事实上，**美国原子能委员会（美国能源部（https://spectrum.ieee.org/tag/department-of-energy）和核管理委员会（https://spectrum.ieee.org/tag/nuclear-regulatory-commission）的前身）对小型反应堆非常感兴趣。从20世纪50年代开始，美国提出了许多民用小型反应堆计划，最终共有17座（https://www.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=US）功率输出低于300兆瓦的反应堆投入运行。这些反应堆如今无一在运行。 许多项目得到了AEC的支持，AEC向美国公用事业公司推广核电。Wendy Allen在其1977年的报告《发电核反应堆：美国1946年至1963年的发展》（https://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/reports/2007/R2116.pdf）[PDF]中写道，AEC在1955年1月宣布的第一轮资金，用于支持那些能够作为“原型反应堆，有助于大型反应堆发展”的小型装置。 在提交的四个方案中，AEC资助了三个：扬基（https://www.yankeerowe.com/）（不要与后来规模大得多的佛蒙特州扬基混淆）、德累斯顿一号和费米一号。其中，费米最为知名，因为它在1966年发生了堆芯熔毁事故，约翰·G·富勒1975年的著作《我们差点失去底特律》[PDF]和吉尔·斯科特-赫隆（Gil Scott-Heron）的同名歌曲（https://www.youtube.com/watch?v=b54rB64fXY4）对此进行了生动的描述。另外两座反应堆在实现其既定目标方面相对成功。功率为185兆瓦的扬基反应堆，也称为扬基罗威，运行了31年；然而，其退役耗时16年，花费了6.08亿美元。 如前所述，AEC将这些反应堆视为未来大型反应堆的原型。它偏爱大型反应堆而非小型反应堆，原因很简单：规模经济。建造和运营反应堆的许多费用并不随发电量成线性比例变化。例如，一座400兆瓦反应堆所需的混凝土和钢材不到200兆瓦反应堆的两倍，而且可以由不到两倍的人员操作。AEC的一位高级成员在1961年《科学》杂志上撰文表示，担忧“来自化石燃料电厂的竞争确实强大”，并建议“使用当前的压水堆技术，通过大型电厂最容易降低核电成本”。 电力行业对规模经济的信念如此之强，以至于在20世纪60年代初，一些公用事业公司联合起来以消化一座大型核电站的产出。 面对这种普遍看法，小型反应堆的支持者将希望寄托在另一个流行的商业原则上：“大规模生产带来的经济效益”。例如，洛杉矶水电局的总经理兼总工程师塞缪尔·B·莫里斯（Samuel B. Morris）于1955年远赴日内瓦参加第一次国际和平利用原子能会议。他在会上为小型反应堆进行了论证，认为由于“小型装置的数量……是大型装置的许多倍”，因此在小型装置的开发和重复制造中可以实现“经济性”。 与此同时，包括农村地区在内的小型电力公司（https://spectrum.ieee.org/tag/electric-utilities）代表认为，AEC对大型反应堆的关注实际上将他们排除在外。 核管理委员会图片 埃尔克河核电站关闭图片。明尼苏达州短期运行的22兆瓦埃尔克河动力反应堆所发的电成本是燃煤电厂的两倍。该反应堆仅运行了三年半，于1968年2月因冷却系统管道出现裂缝而永久关闭。照片：核管理委员会（2） **面对这些论点**，并希望将核电扩展到无法支持大型反应堆的地区，AEC于1955年9月宣布了第二轮资助。这次，小型反应堆本身就是目标，而非达到目的的手段。委员会收到了七份方案，资助了其中两个：一个位于明尼苏达州埃尔克河（https://www.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/ReactorDetails.aspx?current=596）的22兆瓦反应堆，距离明尼阿波利斯西北约50公里；另一个位于俄亥俄州皮奎镇（https://www.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/ReactorDetails.aspx?current=894）附近的12兆瓦反应堆。后来又有两座反应堆加入该计划：位于波多黎各蓬塔希格拉（Punta Higuera）的沸腾核过热堆（Bonus）反应堆（https://www.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/ReactorDetails.aspx?current=703），以及位于威斯康星州日内瓦（Genoa）的拉克罗斯沸水堆（https://www.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/ReactorDetails.aspx?current=710）。 埃尔克河被其运营商誉为“美国农村第一座原子能发电厂”。与现在设想的SMR非常相似，它由预制组件制成，其反应堆容器足够紧凑，可以用标准铁路平车（https://ansnuclearcafe.org/2013/04/18/the-hook-ons/）运送到现场。 该反应堆设计是沸水堆的一种变体，沸水堆是当今第二常见的反应堆类型。但其燃料不同寻常，由高浓缩铀（https://spectrum.ieee.org/tag/uranium）（其链式反应同位素铀-235的含量高于典型的核燃料（https://spectrum.ieee.org/tag/nuclear-fuel））和钍（https://spectrum.ieee.org/tag/thorium）的混合物组成。许多专家认为钍从长远来看是核能的希望，部分原因是他们担心铀会耗尽；至今仍有一些人认为钍是解决所有核能问题的答案（https://spectrum.ieee.org/tech-talk/energy/nuclear/is-thorium-the-nuclear-fuel-of-the-future）。 在关于电力示范计划的国会听证会上，正在建造该电厂的农村合作电力协会主席O·N·格拉夫加德（O.N. Gravgaard）表示：“我们农村电力行业从零开始，出于必要。几年前还没有电力可用……我们农村电力行业将尽一切努力使这座反应堆在经济上取得成功。” 埃尔克河的建设于1959年1月开始，反应堆于1962年11月达到临界状态。但直到1964年7月（https://www.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/ReactorDetails.aspx?current=596）才被宣布投入商业运行，比原计划晚了三年半。漫长的延迟源于各种工程问题，包括一些部件出现裂缝。根据1967年的国会听证会，埃尔克河的建造成本翻了一倍多，从620万美元增至1600万美元。当然，当时和后来建造的其他反应堆最终成本至少是其初始估计的三倍；相比之下，埃尔克河的情况看起来相当不错。 **对于一座耗时五年多才完工的反应堆来说，**埃尔克河的运行寿命异常短暂：仅三年半。1968年2月，在冷却系统（https://spectrum.ieee.org/tag/cooling-system）管道出现裂缝后，该反应堆被永久关闭。面对估计100万美元的维修费用，该合作社选择不予修复。该合作社的一位发言人告诉《芝加哥论坛报》，该组织“觉得我们不想花这笔钱，尤其是因为这座反应堆由于规模太小而一直不太经济”，并补充说该反应堆发电的成本是燃煤电厂发电成本的两倍。 正如核物理学家沃尔特·帕特森（Walt Patterson）（https://www.waltpatterson.org/nuclearpower.htm）在其1976年的著作《核能》中指出的那样……