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更安全,更便宜的浮式核电站

em由于核电厂不排放二氧化碳,它们被认为是绿色能源未来的重要组成部分。一个新的核电厂承诺比目前的核电厂更安全,更便宜,更容易部署,但其特别之处在于,它将漂浮八海里以上。 / em

许多专家认为核电是低碳能源未来的重要组成部分。核电厂是大量电力的稳定可靠来源;他们运行廉价和丰富的燃料;并且它们不排放二氧化碳(CO2)。

一个新的核电站,将浮出海面八英里或更长的距离,比今天的陆基工厂更安全,更便宜,更容易部署。在由麻省理工学院研究人员开发的一个概念中,浮式工厂结合了两种成熟的技术 - 核反应堆和深海石油平台。它在造船厂建造并退役,在其生命的两端节省时间和金钱。一旦部署后,它位于远离沿海居民的相对较深的水域中,仅通过水下输电线与陆地相连。在特定的深度,海水可以保护植物免受地震和海啸的侵袭,并且可以在紧急情况下作为无限的冷却水源 - 无需抽水。对潜在市场的分析已经确定了全球许多适合部署漂浮工厂的物理和经济条件的场址。

“目前有70多个新型核反应堆正在建设中,但这还远远不足以使全球二氧化碳排放大幅减少,”麻省理工学院核科学与工程(NSE)教授Jacopo Buongiorno说。 “所以问题是,为什么我们不建造更多?”

海上浮式核电站

研究人员关于海上浮式核电站(OFNP)的愿景包括一个直径约45米的主结构,该结构将容纳发电300兆瓦的电厂。对于1,100兆瓦的工厂来说,另一种设计需要一个直径约75米的结构。在这两种情况下,这些结构包括用于运输人员的住宅和直升机停机坪 - 类似于海上石油钻井平台。

Buongiorno引用了这个愿景的几个挑战。首先,虽然燃料价格便宜,但建设核电厂是一个漫长而昂贵的过程,常常受到延误和不确定因素的困扰。其次,选址任何新的发电厂都很困难:靠近冷却水源的土地是有价值的,当地的建设反对意见可能会很大。第三,几个重要国家的公众对核电失去了信心。许多人仍然清楚地记得2011年日本福岛核电站事故时,地震造成海啸淹没了设施。切断冷却泵的电源,反应堆堆芯中的燃料融化,辐射泄漏出去,并且有超过10万人从该地区撤离。

鉴于此类担忧,Buongiorno及其团队 - NSE教授Michael Golay;尼泊尔托德雷亚斯,核电科学与工程和机械工程教授;和他们的NSE和机械工程专业的学生 - 一直在研究一个新想法:在一个类似于海上石油和天然气钻井中使用的浮动平台上安装一个传统的核反应堆,并将其停泊在大约10英里的海域。

OFNP将两项成熟的技术与全球已有的强大供应链结合起来。 Buongiorno说:“有造船厂建造我们需要的大型圆柱形平台和建造我们所需类型核反应堆的公司。” “所以我们只是将这两者结合起来。在我看来,这是一个很大的优势。“通过坚持已知的技术,研究人员将开发任务和许可程序的成本和耗时降到最低。然而,他们正在进行他们认为会改变核选项的变革。

造船厂建设,离岸选址的优势

根据研究人员的计划,OFNP将完全建在造船厂,其中许多已经定期处理石油和天然气平台和大型核动力船。 OFNP结构 - 平台和全部 - 将建立在可移动的滑架上,装载到运输船上,并进行到现场。在那里,它将从船上漂浮,系泊到海底,并通过水下电力传输电缆连接到陆上电网。在其寿命结束时,它将被拖回船厂退役 - 就像现在的核动力潜艇和航空母舰一样。

与部署地面核电站相比,这一过程应提高质量控制,标准化和效率。没有必要将人员,材料和重型设备运输到建筑工地 - 或者在工厂退役后进行清理。该计划还减少了对现场评估和准备的需求,这造成了不确定性和延误。最后,OFNP主要由钢制成,几乎不需要处理结构混凝土,据Buongiorno说,这种混凝土通常造成重大成本超支和施工延误以及大量二氧化碳的排放。总而言之,这些因素意味着OFNP可以以前所未有的速度部署 - 对于资本密集度高的项目来说,这是一项重要的收益。 Buongiorno说:“你不希望在没有开始发电的情况下,在那里呆上8年或10年的大笔投资。

浮动工厂的计划地点提供其他好处。 OFNP将位于海上8至12英里(在领海范围内)以及至少100米深的水中。因此,它远离沿海人口(其唯一的陆上存在将是一个小型的开关设施和一个人员和材料管理设施),其下的深水将减少地震和海啸的威胁:在该深度,水吸收任何地震期间海床的运动和海啸波都很小。只有当海岸线撞到海岸线上的浅水区时,海啸才会变得庞大而具有破坏性 - 这是对岸边核电站的关注。

最后,公海会为OFNP提供无尽的冷却水。如果出现事故情况,可以使用海水来去除反应堆中的热量;由于该设备远低于供水管线,所以必要的流量将被动地发生,而没有任何泵送和没有任何海水污染。 “我们不会失去最终的散热器,”Buongiorno说。 “即使在反应堆关闭后,核燃料产生的衰变热也可以无限期地消除。”

OFNP因此解决了Buongiorno引用的福岛三个主要问题:远离人口密集区域,防止地震和海啸,并且永远不会失去对燃料的冷却。

专为高效操作而设计,增强安全性

本文随附的插图展示了OFNP在其海洋环境中的视图以及植物的主要特征。整体结构直立,呈圆柱形,分为多层,大部分分隔为水密舱壁隔开的舱室。上层设有非关键部件,如生活区和直升机停机坪。就石油和天然气平台而言,工作人员由船上或直升机带出三到四周轮班。小型维修活动的食品,燃料,设备和材料由供应船带出,重物由起重机吊起。

核反应堆(300兆瓦或1,100兆瓦机组)及其相关安全系统位于结构较低的水密舱室内,以提高安全性和安全性,方便使用海水,并使总体结构较低重心以增加稳定性。反应堆堆芯和相关的关键部件安装在反应堆压力容器(RPV)内,反应堆压力容器位于称为安全壳的紧凑结构内。围堵遏制 - 但隔开一个间隙 - 是一个大的房间,延伸到圆柱结构的边缘,并不断充满海水,海水自由进出港口。

具体的设计特点可以应对正常冷却操作中的各种类型的中断。一般来说,泵从低海洋层引入冷水,并将用过的热水排放到温暖的表层,从而防止可能威胁当地生态系统的“热污染”。如果该冷却过程暂时中断,则允许来自反应器的热水自然循环到淹没室内的特殊热交换器。如果更严重的问题(例如管道破裂)威胁到堆芯,从RPV内部排出的蒸馏冷却水被释放到安全壳内(始终保持堆芯不被淹没),并且来自外部隔间的海水填充安全壳周围的空隙。热量通过密封壁高效地传递到海水中,并不断被动地更新。在任何时候,冷却水和海水都保持分离,以防污染物不能从一个流向另一个。

在极少数情况下,尽管持续散热,安全壳内的压力会达到危险水平,但安全壳内的气体仍可排入海洋。但是,气体首先会通过过滤器捕获铯,碘和其他放射性物质,从而最大限度地减少它们的释放。目前的研究正在跟踪这种材料可能的分散和稀释,以确保即使在极端情况下,水中的任何放射性仍然低于可接受的限度。

有前途的经济,丰富的潜在市场

麻省理工学院的团队认为,就核电的经济性而言,OFNP可能是“潜在的改变游戏规则”。它提供了多个单元的“工厂”生产的经济优势,但单元可以足够大以受益于规模经济。另外,与任何类型的陆地植物不同,OFNP是移动的。 Buongiorno说:“如果你在陆地上建造一座发电厂,它仍然会在建设地点呆上40或50年。 “但是对于OFNP来说,如果在十年或者两年之后,你需要在距离海岸100英里的地方建设发电能力,那么你可以解除浮动电厂的运行并将其移到新的位置。”

研究人员想法的可行性当然取决于是否有地点具有必要的物理属性 - 相对靠近岸边的水深,但远离繁忙的航道和频繁的大规模风暴 - 以及采用OFNP的经济和其他激励措施。

详细分析确定了许多潜在的网站。例如,东亚和东南亚地区的土着资源有限,地震和海啸以及需要电力的沿海居民都面临高风险。中东国家可以使用OFNP来满足其国内需求,从而腾出宝贵的油气资源进行销售。沿海非洲和南美洲的一些国家依靠发电机供应的进口柴油燃料 - 这是一种昂贵且污染严重的方式。 Buongiorno说:“引入OFNP,将其靠近海岸,并建立一个小型分销系统将具有很大意义 - 对基础设施开发的需求最小。

继续研究

研究人员正在继续研究OFNP的各个方面。例如,他们正在开发加油的最佳方法,系泊系统的详细设计,以及风暴波中植物水动力响应的更完整模型。此外,他们正在建立一个有凝聚力的OFNP保护计划。

工厂设计提供了相当的安全性:反应堆在多个船体内的结构中很深;高层甲板允许无阻碍的360度视野;物理布局可以最大限度地减少攻击者的攻击方式。研究人员正在与安全专家合作,正在研究涉及最先进的声呐和雷达系统,海底网和湍流的附加战略以及一队武装保安人员。

Buongiorno说:“虽然我们还有很多工作要做,但我们预计可以在十五年内部署第一批OFNP,以协助应对气候变化所需的核能利用的大规模增长。”

资料来源:麻省理工学院能源倡议Nancy W. Stauffer

图片:Jake Jurewicz;贾斯汀·奈特; MIT