小型堆发展概论

自上世纪50年代以来，随着核能发电的发展，反应堆的机组规模从 60 MWe 增长到 1600 MWe 以上，并产生了相应的规模经济效益。与此同时，已经建造了数百个小型动力反应堆供海军使用（高达 190 MW 热反应堆）；且作为中子源，小型动力装置在工程方面形成了丰富的专业知识。

（来源：微信公众号“嘿嘿能源heypower” ID：heiheinengyuan 作者：Heypower）

国际原子能机构 (IAEA) 将“小型”的标准定义为 300 MWe 以下，而将“中型”定义为最高 700 MWe 左右——包括20 世纪的许多运行堆。IAEA 将它们统称为中小型反应堆（SMRs，small and medium reactors）。然而，“SMR”通常是“小型模块化反应堆”（small modular reactor）的首字母缩写，该反应堆设计可用于串联建造，并共同组成一座大型核电站。建议将超小型反应堆的子类别——vSMRs——用于15兆瓦以下的机组，尤其是偏远社区。

小型模块化反应堆 (SMRs)通常定义为等于或小于 300 MWe 的核反应堆，采用模块化技术设计，使用模块工厂制造，追求批量生产的经济性和较短的建造时间。这一定义来自世界核能协会（NEI），它是基于 IAEA 和美国核能研究所的定义。下面提到或列出的有一些已经运行的小型反应堆不符合这一定义，但所述的大部分反应堆还确实符合这一定义。

压水堆(PWR) 类型的SMR可能具有整体蒸汽发生器，在这种情况下，需要更大的反应堆压力容器，从而限制了从工厂到现场的便携性。因此，许多较大的压水堆，例如英国罗尔斯·罗伊斯的SMR都有外部蒸汽发生器。

目前研究的关注点在于小型类别中的先进设计，即那些目前正在首次建造或仍在计划中的设计，以及一些大型设计，它们不属于先进核动力反应堆所涉及的主流类别。其中，有些设计实际上还没有真正成型，有些正在运行或者正在建设中。目前正在寻求的四种主要选择堆型: 轻水反应堆（LWR）、快中子反应堆（FNR）、石墨慢化高温反应堆和各种熔盐反应堆（MSR）。第一种的技术风险最低，但第二种(FNR)可以更小、更简单并且在重加燃料前有着较长的操作时间。有些 MSRs 是快谱的。

如今，开发小型机组的部分原因是由于通过蒸汽循环发电的大型动力反应堆的投资成本高，部分原因是由于需要为低于约4 GWe的小型电网提供服务。这些设备可以独立建造，也可以作为模块建造在一个更大的综合设施中，并根据需要逐步增加容量。由于生产的数量，设想了规模经济。还有一些为偏远地区开发独立小型机组的举措。相比于成本通常可与相关公用事业资本化相当的大型设备，小型设备的投资被视为更易于管理。

对SMR 感兴趣的另一个原因是，它们可以更容易地在“棕地”选址，以取代退役的燃煤电厂，这些电厂的机组很少且非常大——超过90%的机组低于500 MWe，有些低于50 MWe 。在美国，2010-2012年退役的燃煤机组的平均功率为97 MWe，而在2015-2025年退役的燃煤机组的平均功率为145 MWe。

在西方国家，有大量的私人投资正在推动SMR的发展，包括一些小公司在内。这些新投资者的参与表明，核能研发正在发生深刻转变，从政府主导和资助的核能研发，到由私营部门和具有强烈创业目标的人主导，通常与社会目标相关联。该目标通常是部署负担得起的清洁能源，而不会排放二氧化碳。

芝加哥大学能源政策研究所(University of Chicago Energy Policy institute) 2011年为美国能源部(Department of Energy) 提交的一份报告称，小型反应堆可以显著降低与大规模核电站相关的财务风险，可使小型反应堆能够与其他能源进行有效竞争。

一般来说，用于发电的现代小型反应堆，尤其是SMR，预计将具有更简单的设计、大量在工厂批量生产的经济性、更短的建设时间和更低的选址成本。大多数还被设计为在发生故障时具有高度被动或固有安全性。还有许多被设计成放置在地面以下，对恐怖主义威胁有很高的抵抗力。美国核学会(American Nuclear Society)召集的一个特别委员会在2010年发布的一份报告显示，在即将到来的小型反应堆设计中，许多安全措施是必要的，或者至少是谨慎的。这主要是由于与大型机组相比，它们的表面积与体积（以及堆芯热量）之比更高。这意味着许多需要安全的工程，包括大型反应堆的散热，在小型反应堆中是不需要的。由于设想在许多情况下使用小型反应堆取代化石燃料发电厂，因此所需的应急规划区域的设计半径可不超过300米。

许可对于SMR来说可能是一个挑战，因为设计认证、施工和运行许可成本不一定比大型反应堆低。一些开发商参与了加拿大核安全委员会（CNSC）的预许可供应商设计审查流程，该流程确定了在加拿大许可新设计的基本障碍，并确保存在的解决途径。许可前的审查实质上是一次技术讨论，第1阶段涉及的工作人员需花上约5000小时的时间，考虑到概念设计，费用由开发商来承担。第2阶段是这一阶段的两倍，解决系统级的设计问题。

世界核能协会（NEI）2015年关于SMR许可证标准化和监管要求协调的报告指出，SMR的巨大潜力取决于许多因素：

l 由于其体积小和模块化程度高，SMR几乎可以完全在可控的工厂环境中建造并逐个模块地安装，从而提高了建造质量和效率水平。

l 它们较小的尺寸和被动的安全特性使它们更适用于电网较小且核电经验较少的国家。

l 与大型工厂相比，规模、施工效率和被动的安全系统（需要较少的冗余）可以使融资更容易。

此外，实现“批量生产经济性”的特定 SMR 设计将进一步降低成本。

世界核能协会（NEI）列出了 SMR 的以下特点：

l 功率小且架构紧凑，通常（至少对于核蒸汽供应系统和相关的安全系统）采用被动概念。因此，减少了对主动安全系统和额外泵的依赖，从而减少了事故的交流电源。

l 紧凑的架构实现了制造的模块化（在工厂内即可完成），这有助于实施更高的质量标准。

l 低功率导致放射性源项的减少以及反应堆(更小的反应堆)中放射性存量的降低。

l 反应堆机组的地基（地下或水下）的潜在位置，可提供更多保护，以免受自然（例如，地震或海啸）或人为（例如飞机撞击）造成的危害。

l 模块化设计和小尺寸有助于在同一地点可拥有多个单元。

l 获得冷却水的要求较低——因此适用于偏远地区和采矿或海水淡化等特定应用。

l 到达使用寿命时能够拆除反应堆模块或就地退役。

2020 年，国际原子能机构出版了其 SMR 书籍《小型模块化反应堆技术发展进展》的最新版，开发人员提供了涵盖了 70 多种设计方案。IAEA 有一个计划，评估具有整体蒸汽发生器的概念性多用途小型轻水反应堆 (MASLWR) 的设计，重点是冷却剂的自然循环，并在2003年美国能源部发布了一份关于此 MASLWR 概念设计的报告。下面的几个整体式 PWR 设计有一些相似之处。

目前，有一些小型模块化反应堆需要定义为低浓缩铀（LEU）的顶端浓缩燃料——20%U-235。美国核基础设施委员会（NIC）要求部分军用高浓缩铀的浓度降低到仅为19.75%U-235左右，以便提供少量燃料储备，否则这些燃料将很难获得(因为民用浓缩工厂通常不能超过5%)，建议储备20吨高纯度低浓缩铀(HALEU)。NIC表示，否则，许多正在开发的先进反应堆的唯一燃料供应将是外国浓缩铀。“如果美国国内没有现成的高浓缩低浓缩铀供应，就很难对先进反应堆进行研究，这可能会推动美国的创新企业走向海外。”2019年，美国能源部与Centrus Energy签订合同，部署一系列大型离心机，为先进反应堆生产HALEU燃料。美国 Urenco公司已宣布准备从其新墨西哥工厂的专用生产线供应HALEU。