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    美国能源部先进堆示范计划

    来源:核科技动态 发布时间:2020-11-20 04:01 阅读数:1792

    2020 年 5 月,美国能源部(DOE)宣布启动先进堆示范计划(ARDP),并采用与美国核工业分摊成本的方式为该计划提供1.6 亿美元初始资金,目标是在未来 5 至 7 年内建成两座先进示范堆。在此之前,美国国会已经在 2020 年预算中计划拨款 2.3亿美元,以启动一项新的先进堆示范项目。本文介绍了美国启动ARDP 的目的和意义、ARDP 的示范途径、DOE 对先进堆技术的评估和测试能力以及美国先进堆研发现状。

    1、美国启动 P ARDP  的目的和意义

    DOE 部长丹·布鲁莱特说,“下一代核能对我们国家的能源安全和环境管理至关重要……正如最近公布的《核燃料工作组恢复美国核能领导地位战略》表明的那样,我们必须追求技术创新,增加先进核研发投资,加强美国在下一代核技术领域的领导地位,确保美国核能部门的健康和增长。”先进核能系统具有巨大的潜力,可以降低排放,创造新的就业机会,为美国提供可靠清洁能源和创造经济增长动力。快速示范先进堆设计非常有必要,可以在美国失去关键基础设施以及供应链能力之前,扩大清洁能源的利用,占据市场先机,维

    持和强化美国在该领域的全球领先地位。

    2、 ARDP  的示范途径

    ARDP 确定了三种独立的技术开发和示范途径:

    (1)先进堆的示范。确保开展的先进堆原型示范项目必须

    满足美国核能管理委员会(NRC)的设计、选址、许可等标准,制定完善的运营程序和完整的操作员培训,并确保能够在签署合作协议之日起的未来 5~7 年完成反应堆建造和示范,以确保先进堆能够按计划实现最终商业运营。

    (2)降低未来示范的风险。ARDP 计划再资助 5 个团队,以帮助提高其反应堆设计的商业化成熟度。支持的项目将侧重于解决技术、运营和监管方面的挑战,为未来的示范机会做准备,包括:建立反应堆设计开发、许可和商业化时间表;开发热液环境模拟试验装置,并进行试验;开展仿真和模拟研究,以解决运营安全问题;开发新的核电站安全控制系统;制定和提交设计认证申请、施工许可证申请;反应堆主要零部件或系统原型、制造,设计和运行试验;反应堆原型示范;制定核电站布局示意图;建造全球首个基于同类别技术的核电站;制订核电站的运营及维修计划;完成核电站的成本估算。

    (3)先进堆概念  2020 ( ARC 20 )。支持目前处于低技术成熟度,但是有望在 2035 年左右实现商业化的各类创新型先进堆设计,包括:先进堆概念设计;建模和仿真研究;选择和评估潜在的反应堆材料和燃料测试;设计和执行工程规模的实验;制定早期许可流程,以应对创新反应堆概念的许可、申请和监管问题。

    3、DOE  对先进堆技术的评估和测试能力

    DOE 在爱达荷国家实验室(INL)设立了国家反应堆创新中心(NRIC)来帮助美国私营企业开展先进堆的示范。NRIC 拥有先进堆测试、示范和性能评估的资源,再加上 INL 享誉全球的实验室能力,有利于加快创新型先进堆概念的部署。

    根据《核能创新能力法案》(NEICA)的授权,NRIC 为私营部门技术开发商提供了访问国家实验室战略基础设施和资产的途径。公司可以将这些资源用于商业核能研究、开发、示范和部署活动。这些能力最终将为新核能系统的许可和商业化提供一条及时且具有成本效益的途径。NRIC 旨在:使私营部门能够对反应堆概念进行测试和示范;验证先进堆概念;解决先进堆概念的技术挑战;提供一般研究和开发以改进创新技术。

    70多年来,INL 在当前和下一代核反应堆的开发和部署中发挥了重要的领导作用。INL 的美国国家反应堆测试站(NRTS)帮助建立了美国在全球核技术领域的领导地位。NRTS 获得的数据以及用这些数据验证的程序对 NRC 监管政策和结构的制定发挥了至关重要的作用。政府在促进 NRTS 的测试和示范中,提供了许可和监管基础以及成熟的技术和运营方法,这对于发展当前的商业核能市场至关重要。INL 的大部分综合能力都是通过数十年大力投资 NRTS 而建立的,这些能力包括:

    (1)先进试验堆(ATR),具有世界领先的核燃料和材料测试能力,能够为该领域提供无与伦比的国家级优先服务;

    (2)网络核心一体化中心(CIC),通过跨学科方法来了解处于不断变化威胁环境中的操作技术,运用多项举措来提高工业控制系统的安全性和灵活性;

    (3)协作计算中心(CCC),安置了 INL 最新的超级计算机Sawtooth,并具有开创性的计算环境,可为爱达荷州的大学和研究人员提供广阔合作空间;

    (4)材料与燃料综合体(MFC),是核电相关先进技术的主要测试中心以及创新核燃料和材料研究的纽带,内设以下设施:

    分析实验室;燃料与应用科学大楼;空间与安全电力系统设施;热燃料检测设施;燃料整备设施;实验燃料设施;

    (5)辐照材料表征实验室(IMCL),致力于辐照核燃料和材料的微观结构、热和机械表征研究。

    (6)瞬态反应堆试验设施(TRTF),以进行瞬态反应堆测试;

    (7)多物理场面向对象模拟环境(Moose),在一系列科学领域中进行预测建模工作创新;

    (8)高温测试实验室(HTTL),创建有专门的传感器,可在辐照试验期间监视试验堆堆芯内的各种特性;

    (9)人类系统仿真实验室,是一个完整的虚拟核控制室,在新技术实施之前对其进行安全测试。

    4、美国的先进堆研发现状

    DOE核能办公室及其国家实验室支持各种新型先进堆技术的研发,以帮助美国满足能源、环境和国家安全需求。支持的先进堆功率范围从 1 MV 到 1 000 MV 以上,包括:

    (1)微堆,功率范围为 1~20 MW,可安装在平板卡车上,并且可移动且可展开;

    (2)小型模块堆,功率范围为 20~300 MW,可通过添加更多机组来扩大或缩小规模;

    (3)全尺寸反应堆,功率范围为 300~1 000 MW 及以上,可提供可靠的无排放基荷电力。

    美国开发的先进堆类型主要包括:先进小型模块化水冷堆、

    液态金属冷却(钠冷或铅冷)快堆、气冷堆和熔盐堆。表 1 是美国的先进堆研发现状。

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