小型模块反应堆的成本曲线

为了在分布式、脱碳的能源行业中赢得一席之地并降低成本，SMR必须让投资者和消费者从心里接纳。

1、新能源发展经验

玲珑1号SMR已经在中国建设中

核工业界希望小型模块化反应堆(SMR)能够成为能源系统的主力军，生产制造时可以直接打包，以模块形式交付，这些模块可以在现场快速方便地组装，并为邻近客户或整个电网提供热量或电力。

理论上，使用一种快速大量推出的小型模块化技术，可以提高供应链效率，为业主和投资者建立运营经验，并推动技术沿着“成本曲线”下降。

风力涡轮机、太阳能光伏发电和各种电池的不断推出，在不到20年的时间里，这些新的能源形式从几百台上升到能源行业的支柱，这一过程在能源行业已经变得很普遍。

事实上，政府间气候变化专门委员会(IPCC)在其3月份的报告中指出，2010年至2019年间，太阳能光伏的单位成本“持续下降”了85%，风能下降了55%，锂离子电池下降了85%。

这一阶段部署是太阳能光伏开始发展时的10倍。

核能SMR能走同样的路线吗?还是该行业目前的设计方法限制了其在成本曲线上追随其他清洁能源技术的机会?

成功通过成本曲线的技术有几个相同的特点。

它们(最初)很小;使用了一种熟悉的技术;已经大量推出;他们可以被安置在各种各样的地点;第一批项目的经验很快被吸收;这些数据让第三方金融家有信心投资后续项目。

例如，锂离子电池正在以千兆瓦的规模推出，但最大的装置，安装在非常像集装箱的设施中，包含熟悉的小型电池阵列。

在将其作为一个大阵列进行运营、将其与电网集成、开发其所能提供的服务市场(作为电网响应形式，而不是基本负荷电力)以及建模和管理最佳运营机制方面，都需要创新。

现在，随着电力系统运营商重视他们所能提供的服务，出现了“市场吸引力”。

2、设计种类繁多

Holtec SMR-160设计效果图

SMR仍处于“市场推动”阶段。

国际原子能机构(IAEA)表示，目前全球已经有80多个SMR设计，但其先进反应堆信息系统(ARIS)列出了48个处于设计阶段的SMR类反应堆设计。

事实上，其中近十几个实际上不在IAEA自己的SMR定义范围内，该定义将反应堆额定功率的上限定为300 MWe，而300 MWe的设置，也意味着一些更古老的常规设计，如印度的PHWR，被列入IAEA的SMR清单。

IAEA的ARIS清单在设计的早期或后期有七种不同类型的技术，每一类的设计都有所不同。

有十几种是轻水反应堆，可能被认为最接近目前构成大多数工作反应堆的压水堆和沸水堆。七种基于铅冷却剂，九种基于钠冷却剂，五种基于铅铋冷却剂，六种氦气冷却剂，五种以氟化物和石墨为基础的。二者将石墨慢化剂与熔盐冷却剂结合在一起。

通过复制来降低成本需要“边做边学”，即建造反应堆。

这需要解决几个问题：一个理解良好的设计，最好是有运营记录，以及一个让供应链有信心投资的电厂。

SMR行业在这一过程中取得了哪些进展?

3、许可

六模块VOYGR-6工厂图(图源：UAMPS)

许多其他类型的发电都没有遇到，而SMR遇到的障碍，就是核许可证。

这既需要技术许可证，也需要场地许可证，这是每项技术都必须通过的瓶颈。

NuScale的VOYGR SMR设计的核心剖面图

第一个这样做的是NuScale，该公司于今年1月获得了美国核管理委员会(NRC)对六模块VOYGR变体的设计批准。

然而，该技术的设计批准并不一定意味着它可以安装在选定的地点。

NRC会对NuScale的批准，允许公用事业公司或其他运营商参考该设计，但运营商仍需申请联合许可证，才能在美国任何地方将其作为核电站进行建设和运营。

BWRX-300电厂图(图源：GE日立)

下一个获得设计批准的可能是GE日立的BWRX-300，它“利用了GE日立美国NRC认证的ESBWR的设计和许可基础”，于2020年进入美国NRC许可程序。

BWRX-300已经完成了加拿大核安全委员会(CNSC)供应商设计审查程序的第一阶段和第二阶段，并于2022年12月GE日立宣布已将其提交给英国通用设计评估(GDA)。

英国核监管办公室(ONR)去年也接受了英国劳斯莱斯(Rolls Royce)SMR公司的一个新反应堆的GDA。

该公司将该反应堆描述为SMR，尽管在440 MWe，大大高于IAEA满足该定义的上限。

这三种设计都是基于已经部署，并有运行记录的众所周知的核技术。

尽管SMR版本有许多不同之处，但这些设计可能具有大规模推出所需要求。

4、处于领先地位

在为潜在SMR选址方面取得了哪些进展?

大型核装置必然更受场地特征的影响，SMR的关键要求是“复制”。

这意味着该电厂场地应该能够承载多个机组，或者应该有大量潜在的站点可用。

NuScale

NuScale在许可过程中取得的进展，使其在提高潜在买家兴趣方面处于有利地位。

该公司正在出售其77MWe NuScale工厂，有3个、6个或12个机组版本，品牌为“VOYGRTM”，并正在与犹他州联合市政电力系统公司(UAMPS)合作，为位于爱达荷州国家实验室的六模块工厂申请联合许可证。

该申请将于明年提交给NRC，目标是在2029年和2030年启动机组。

尽管成本增加，UAMPS联合体最近重新批准了该项目。

UAMPS表示，一项新的预算计划“将把SMR项目纳入一项积极的2023年工作计划，重点是完成2024年1月提交给NRC的建造和运营申请的准备工作”。

新签署的协议，斗山能源公司将开始为NuScale SMR 制造主要设备。

今年，它还将采购长周期材料——NuScale Power已经向斗山能源公司下了上部反应堆压力容器订单——并将制定更详细的施工估算。

NuScale已经与另外两家公用事业公司签署了协议，这可能会为更多的部署打开大门。

此外，NuScale Power还与其他国家的潜在业主留有大量谅解备忘录。

罗马尼亚的RoPower核电公司，于12月与NuScale Power签署了前端工程和设计(FEED)工作合同。

RoPower授予NuScale的FEED工作的第一阶段，确定将部署在Doicesti发电站的VOYGR-6的具体投入。重要的是，Doicesti以前不是一个核电站，而是拥有小型燃煤发电机组。

NuScale Power和波兰KGHM 签署了一项最终协议，最早将于2029年在波兰部署第一座NuScale VOYGR SMR 电厂。

同样，在波兰，NuScale签订了协议，在过去没有核设施的地点部署VOYGR时，NuScale将提供“支持”。

KGHM已经开始与国家原子能机构(NAEA)进行讨论，并与NuScale签署了早期工作协议。

NuScale还有欧洲与保加利亚、乌克兰和捷克的谅解备忘录。

在欧洲以外，NuScale在约旦和哈萨克斯坦也有类似的协议。当然，所有这些都要求反应堆获得许可。

GE日立

GE日立BWRX-300工厂图(图源：GE日立)

GE日立核能公司的BWRX-300 SMR也确保了潜在客户的安全。

去年，当安大略省发电公司(OPG)选择其在达林顿部署时，该公司获得了第一个站点。

OPG的目标是在2028年完成该场地的第一个商业建设。

值得注意的是，GE日立已与SNC-Lavalin和Aecon就该项目签署了项目交付协议。

CNSC的设计验收将为萨斯喀彻温省选择BWRX-300进行潜在部署的SaskPower的第二次部署提供领先优势，尽管这是在20世纪30年代中期。

今年，GE日立还宣布，田纳西河谷管理局(TVA)已开始规划并初步许可在其位于田纳西州的Clinch River现场部署BWRX-300。

将在安大略省达林顿核电站建造BWRX-300核电站

波兰启动了监管审批程序，奥伦合成绿色能源公司(OSGE)及其合作伙伴已向波兰国家原子能机构提交了对BWRX-300进行评估的申请。

OSGE表示，它希望在本世纪末部署“至少10座”BWRX-300，其中第一座投入使用。此外，费米能源公司宣布已选择BWRX-300在爱沙尼亚进行潜在部署。

劳斯莱斯

劳斯莱斯SMR工厂及剖面图(图源：劳斯莱斯)

劳斯莱斯尚未在其本土市场为其SMR找到一个场地。

它认为，该反应堆将引起所谓“工业集群”的兴趣，英国特别关注这些领域的脱碳。

政府为工业集群提供的资金已用于发展碳捕获和储存(CCS)或氢气生产，而不是开放新的核设施。

新的核选项目前仅限于英格兰和威尔士的特定地点(苏格兰暂停新的核项目)，这是20年前政府决定重启核建设时确定的。

最终确定的地点是以前的核设施。目前正在进行的规划法改革，应该会扩大这一范围，但目前，工业用地需要政府的特别许可。

然而，劳斯莱斯也在波兰找到了愿意合作的伙伴。国有工业企业是工业发展署股份公司的子公司，已选择劳斯莱斯SMR作为中央氢能集群，计划每年生产50000吨低碳氢气。

它想要最多三台机组，劳斯莱斯SMR表示，这可能为“在整个2030年代用SMR取代波兰南部超过8 GW的燃煤发电厂的机会”打开大门。

5、用户优先

X-Energy的Xe-100高温气冷反应堆可能部署在陶氏化学工厂

NuScale、GE日立和劳斯莱斯已首先寻求设计批准，并随着反应堆的进展建立了客户数量。但X-Energy可能会合作进行这一过程。

X-Energy是美国能源部(DOE)先进反应堆示范计划(ARDP)的一部分，在ARDP工作的整个生命周期内，将从DOE获得12亿美元的成本分摊资金。

现在，该公司已与美国化工集团陶氏公司签署了一项联合开发协议(JDA)，将X-Energy的Xe-100高温气冷反应堆用于工艺热和电力。

X-energy的Xe-100 (图源: X-energy)

JDA的范围包括准备和向NRC提交施工许可证申请。据说X-energy正准备向NRC提交许可证申请。

他们计划在陶氏工业基地建造X-Energy的第一个机组，这是该公司在路易斯安那州和得克萨斯州墨西哥湾沿岸拥有的几个机组之一。预计今年年底将选定一个地点。

陶氏化学本身就代表着一个部署机会——在31个国家运营制造基地，Xe-100可用于脱碳运营。

它可能会与X-Energy联手，将该技术许可给其他工业客户以及电力公司。

X-Energy此前曾与华盛顿州西北能源公司和格兰特县进行过讨论，这两家现在将进行后续机组建设。

6、能否做到?

显然，波兰市场将是该行业的一个开端。

这也带来了自身的风险：由于波兰的一些欧盟成员国反对任何类型的核能，并将对此表示反对，欧洲新的和现有的核能市场变得更加困难。

同样，欧盟成员国希望看到波兰能够关闭其煤炭行业，清理其整个能源行业，这可能有利于SMR。

那么竞争推出的大量其他技术呢?

他们的机会很可能是在大规模部署领先的期权创造了市场“吸引力”之后出现的。

如果投资者和公众熟悉工业场地上使用的小型反应堆模型，那么它可以降低部署的风险，并可以向愿意接受风险的投资者展示新技术。

同样，对电池市场也具有指导意义。

锂离子电池的大规模部署发展了交付和安装的供应链，以及为投资者创造回报的技能。

现在“市场吸引力”已经存在，人们的注意力转向了下一项技术。

彭博社新能源财经最近的一项分析称，“由于产量低和供应链不发达，如今钠离子电池比锂离子电池更贵。

但BNEF看到了材料节约和能量密度提高的潜力，这将为钠离子电池提供一条可行的途径，使其成本达到目前磷酸铁锂的一半”。

核工业正在努力部署SMR，但有两三个版本显示出了其他资产类别成功的特点。

这项技术相对熟悉，而小规模意味着他们每次将在10台内部署。问题将是，是否可以增加到数百或数千，以获得复制的真正优势。

这可能会让有前景的设计半途而废，但这是所有资产类别都熟悉的经验，因为复制导致的成本下降超过了纸面上看起来更经济的技术。

7、一次性部署?

CAREM-25建设现场(图源：CNEA)

世界各地在建的一些SMR基于熟悉的轻水型设计，但在国内市场之外的“系列建造”中显然无法复制。

阿根廷的CAREM是一种小型压水堆，额定功率为32 MW，旨在利用当地的核供应链——约70%的组件将来自阿根廷公司。

2021，阿根廷政府宣布努力在三年内完成该反应堆，尽管该项目已经酝酿多年，可以追溯到20世纪80年代中期。为福尔摩沙规划的一个潜在的后续项目与100 MWe的额定功率不同。

昌江核电站安全壳厂房内的反应堆坑(图源：CNNC)

中国昌江玲珑1号项目也是一个小型压水堆，额定功率为152 MWe，2016年，它是第一个通过IAEA安全审查的SMR。第一批混凝土于2019年年中浇筑，据报道，去年年底设备安装已经开始。

中国和俄罗斯都为其SMR指定了后续电厂地点。中国计划在白山建造两台200 MW的机组，俄罗斯将哈萨克斯坦的库尔恰托夫确定为两台300 MWe机组的预期场地。