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為AI供電的“終極方案”?詳解SMR(小型模塊化核反應(yīng)堆技術(shù))

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本文作者:董靜

來(lái)源:硬AI

在全球電力需求加速增長(zhǎng)的背景下,小型模塊化核反應(yīng)堆(SMR)正成為滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心、工業(yè)制造和電氣化需求的關(guān)鍵解決方案

10月18日,摩根大通在最新研報(bào)中認(rèn)為,這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)化和工廠制造,試圖突破傳統(tǒng)大型核電站的經(jīng)濟(jì)和建設(shè)瓶頸,為清潔基荷電力供應(yīng)開(kāi)辟新路徑。

摩根大通稱(chēng),全球目前有99座SMR處于積極開(kāi)發(fā)階段,但僅有7座在建或運(yùn)營(yíng)。氣冷和水冷SMR概念在近期部署中處于領(lǐng)先地位。國(guó)際能源署(IEA)預(yù)計(jì),若部署順利,到2040年SMR可占全球核電裝機(jī)的10%,美國(guó)將貢獻(xiàn)其中20%的增長(zhǎng)。

研報(bào)指出,特朗普政府的行政命令為SMR發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力。新政策將民用核能列為國(guó)家和經(jīng)濟(jì)安全優(yōu)先事項(xiàng),要求聯(lián)邦機(jī)構(gòu)加速先進(jìn)反應(yīng)堆部署,簡(jiǎn)化監(jiān)管審查,并開(kāi)放政府燃料儲(chǔ)備。監(jiān)管改革將許可審查時(shí)間壓縮至18個(gè)月,目標(biāo)在2026年7月前實(shí)現(xiàn)三座先進(jìn)反應(yīng)堆投運(yùn),同時(shí)擴(kuò)大投資和生產(chǎn)稅收抵免,顯著改善項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性并降低許可風(fēng)險(xiǎn)。

然而,摩根大通認(rèn)為,SMR的成功部署仍依賴(lài)政府支持、技術(shù)迭代、供應(yīng)鏈建設(shè)和監(jiān)管許可等多重因素。接下來(lái),我們通過(guò)摩根大通研報(bào),詳細(xì)解析下可能成為AI電力供應(yīng)終極方案的SMR技術(shù)。

SMR技術(shù)核心優(yōu)勢(shì)與市場(chǎng)定位

研報(bào)稱(chēng),SMR通過(guò)五大核心特征重新定義核能應(yīng)用場(chǎng)景:

小型化設(shè)計(jì)使其可靈活部署在多種場(chǎng)所;模塊化建造支持現(xiàn)場(chǎng)組裝以降低成本;可實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)和并網(wǎng)雙重安裝模式;燃料循環(huán)周期長(zhǎng)達(dá)30年;內(nèi)置被動(dòng)冷卻機(jī)制以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并降低成本。

據(jù)核能署(NEA)數(shù)據(jù),SMR開(kāi)發(fā)商總部主要集中在美國(guó)、加拿大和歐洲地區(qū)。按反應(yīng)堆概念分類(lèi),近期市場(chǎng)以水冷反應(yīng)堆為主導(dǎo),占據(jù)最大份額,其次是氣冷和熔鹽冷卻設(shè)計(jì)。從場(chǎng)地所有者角度看,公用事業(yè)公司、工業(yè)用戶(hù)和政府機(jī)構(gòu)是主要客戶(hù)群體,數(shù)據(jù)中心需求正快速增長(zhǎng)。

SMR的獨(dú)特價(jià)值在于滿(mǎn)足多元化能源需求。高溫氣冷堆可提供750攝氏度以上的工藝熱,適用于氫氣生產(chǎn)、區(qū)域供暖和工業(yè)應(yīng)用等傳統(tǒng)大型反應(yīng)堆難以覆蓋的市場(chǎng)??熘凶幼VSMR設(shè)計(jì)雖然許可進(jìn)展有限,但在燃料效率和成本控制方面具有顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì),涵蓋氣冷、熱管、金屬冷卻和熔鹽冷卻等多種概念。

主要技術(shù)路線(xiàn)與開(kāi)發(fā)進(jìn)展

SMR技術(shù)按冷卻劑類(lèi)型分為五大概念:水冷、熔鹽冷卻、氣冷、熱管冷卻和金屬冷卻。水冷反應(yīng)堆代表大多數(shù)近期概念,其中輕水堆(LWR)最接近近期部署。熱管和金屬冷卻反應(yīng)堆代表更前沿的技術(shù)發(fā)展方向。

輕水反應(yīng)堆采用成熟技術(shù),包括沸水堆(BWR)壓水堆(PWR)兩種類(lèi)型。NuScale的50兆瓦和77兆瓦壓水堆設(shè)計(jì)是唯一獲得美國(guó)核管理委員會(huì)(NRC)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)的SMR,在監(jiān)管進(jìn)程中處于領(lǐng)先地位。GE日立核能的BWRX-300沸水堆已獲田納西河谷管理局(TVA)提交建造許可申請(qǐng),成為美國(guó)首個(gè)提交SMR建造許可的公用事業(yè)公司。



高溫氣冷堆(HTGR)使用氦氣作為冷卻劑,陶瓷涂層燃料可產(chǎn)生約750攝氏度的高溫。X-Energy的Xe-100(80兆瓦)、Ultra Safe Nuclear的MMR(5兆瓦)和Radiant的1兆瓦設(shè)計(jì)代表該領(lǐng)域主要開(kāi)發(fā)商。這類(lèi)反應(yīng)堆在工業(yè)應(yīng)用中表現(xiàn)出色,但受限于高豐度低濃鈾(HALEU)燃料供應(yīng)短缺。


熔鹽反應(yīng)堆(MSR)使用氟化鹽混合物作為燃料和冷卻劑,可在高溫下運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)高效傳熱。Kairos Power的140兆瓦FHR、Natura Resources的MSR-100、Terrestrial Energy的195兆瓦整體熔鹽堆和TerraPower的345兆瓦熱功率反應(yīng)堆代表該技術(shù)方向。Kairos已獲得NRC建造許可,成為美國(guó)首家獲得第四代SMR建造許可的公司。


鈉冷快堆(SFR)使用液態(tài)鈉作為冷卻劑,在快中子譜下運(yùn)行,可實(shí)現(xiàn)燃料再利用并減少核廢料。Arc的ARC-100(100兆瓦)、Oklo的Aurora-INL(75兆瓦)和TerraPower的Natrium(345兆瓦)是主要開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。TerraPower的Natrium項(xiàng)目預(yù)計(jì)2032年投運(yùn)。


熱管微堆使用熱管實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱率,有效傳熱率在5000至200000瓦/米之間。Westinghouse的eVinci微堆(5MW)、Oklo的Aurora Powerhouse、Antares Nuclear的R1微堆和Radiant Industries的Kaleidos微堆(1.2MW)正在開(kāi)發(fā)中。

監(jiān)管環(huán)境與部署時(shí)間表

摩根大通稱(chēng),美國(guó)核電站必須經(jīng)過(guò)NRC的安全、環(huán)境和反壟斷審查,獲得早期場(chǎng)地許可、設(shè)計(jì)許可、建造許可和運(yùn)營(yíng)許可。傳統(tǒng)的Part 50路徑采用分步許可流程,先獲建造許可再申請(qǐng)運(yùn)營(yíng)許可。1989年引入的Part 52路徑允許申請(qǐng)人在滿(mǎn)足特定條件時(shí)獲得建造和運(yùn)營(yíng)的聯(lián)合許可(COL),降低違約風(fēng)險(xiǎn)并提高確定性。

特朗普政府的監(jiān)管改革顯著加速審批流程。行政命令要求能源部和NRC設(shè)定18個(gè)月的審查窗口,并在成功完成預(yù)申請(qǐng)階段后,部分新設(shè)計(jì)可能在12個(gè)月內(nèi)完成審批。NRC的聯(lián)合許可方式通過(guò)僅審查新提交與已批準(zhǔn)設(shè)計(jì)之間的"增量",進(jìn)一步縮短審批時(shí)間。

據(jù)摩根大通研報(bào)稱(chēng),目前,NuScale的50MW和77MW輕水壓水堆是唯一獲得NRC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)認(rèn)證的SMR設(shè)計(jì)。

Kairos Power于2023年12月獲得第四代SMR建造許可,2024年7月開(kāi)工,目標(biāo)2027年投運(yùn)
TVA成為首家提交GE Vernova日立BWRX-300 SMR技術(shù)建造許可申請(qǐng)的美國(guó)公用事業(yè)公司。

大多數(shù)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手仍處于預(yù)申請(qǐng)或預(yù)設(shè)計(jì)許可申請(qǐng)階段。

數(shù)據(jù)中心電力需求激增創(chuàng)造市場(chǎng)機(jī)遇

摩根大通認(rèn)為,超大規(guī)模云服務(wù)商(亞馬遜、谷歌、Meta)可能為SMR項(xiàng)目提供直接支持,以滿(mǎn)足清潔能源數(shù)據(jù)中心需求。谷歌已與Kairos Power簽約,確保2030年前實(shí)現(xiàn)SMR上線(xiàn),到2035年達(dá)到500兆瓦裝機(jī)。

能源部將鈉冷快堆、高溫反應(yīng)堆和熔鹽反應(yīng)堆列入2030年部署觀察名單。世界核協(xié)會(huì)追蹤的25個(gè)SMR項(xiàng)目處于預(yù)投資、合作協(xié)議、項(xiàng)目關(guān)聯(lián)、最終投資決定或在建階段。Kairos Power的Hermes熔鹽冷卻反應(yīng)堆是唯一處于"在建"階段的項(xiàng)目。

NuScale、Oklo、Westinghouse、TerraPower和X-Energy是最活躍的開(kāi)發(fā)商。這些公司通過(guò)與大型公用事業(yè)公司、工業(yè)用戶(hù)和政府機(jī)構(gòu)合作,推進(jìn)項(xiàng)目融資和場(chǎng)地選擇。部分項(xiàng)目已獲得美國(guó)能源部的貸款批準(zhǔn)和技術(shù)投資協(xié)議支持。

商業(yè)化仍面臨多重挑戰(zhàn)

摩根大通指出,技術(shù)路線(xiàn)眾多導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)激烈,可能阻礙任何單一技術(shù)達(dá)到商業(yè)臨界規(guī)模。監(jiān)管框架雖在演進(jìn),但往往滯后于SMR技術(shù)的多樣性和新穎性,特別是非水冷和先進(jìn)設(shè)計(jì)面臨許可不確定性和延遲。

供應(yīng)鏈準(zhǔn)備不均衡構(gòu)成重大瓶頸。許多新型燃料形式和反應(yīng)堆部件尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。HALEU燃料供應(yīng)有限對(duì)許多先進(jìn)SMR概念構(gòu)成重大障礙。據(jù)核能研究所(NEI)預(yù)測(cè),北美HALEU需求將快速增長(zhǎng),但供應(yīng)能力建設(shè)需要時(shí)間。

經(jīng)濟(jì)可行性仍待驗(yàn)證。盡管SMR通過(guò)工廠制造和模塊化設(shè)計(jì)尋求經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),但首堆成本和規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)仍是關(guān)鍵考驗(yàn)。BloombergNEF的分析顯示,不同開(kāi)發(fā)商在融資、監(jiān)管、項(xiàng)目和時(shí)間表四個(gè)維度的進(jìn)展差異顯著。NuScale在監(jiān)管批準(zhǔn)方面領(lǐng)先,X-Energy和Oklo在項(xiàng)目管道和客戶(hù)數(shù)量上表現(xiàn)突出。

國(guó)際合作對(duì)加速SMR采用和可擴(kuò)展性至關(guān)重要。目前全球SMR項(xiàng)目主要集中在北美,加拿大和美國(guó)共有超過(guò)30個(gè)處于不同開(kāi)發(fā)階段的項(xiàng)目。安大略電力公司與GE日立合作的達(dá)靈頓核設(shè)施1.2吉瓦項(xiàng)目計(jì)劃2029年投運(yùn),將成為西方世界首個(gè)落地的SMR項(xiàng)目。

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