小型反应堆：谁说咱只配开潜艇？

◎本刊主笔 季天也

小型反应堆：谁说咱只配开潜艇？

◎本刊主笔 季天也

低投资、多用途、更安全

11月4日，我国首座海上浮动核电站正式开工。与动辄占地数十公顷甚至上百公顷的陆地核电站不同的是，它采用了一套结构更简化、更紧凑的小型核反应堆。一直以来，小型堆在许多人印象中，或许只是开开潜艇和航母，给科研人员当当“小白鼠”，而今却在商业化应用方面显示出勃勃生机，还被视为“核能工业的转折点”，开创了核能多用途的新时代。在大型堆主导核电市场的今天，小型堆有何独到优势？它是来补缺的，还是来叫板的？

我国开发的海上浮动小型压水堆ACPR50S，热功率200兆瓦、电功率60兆瓦。

小型堆的压力容器模型

大小反应堆优势互补

小型核反应堆，到底有多小呢？

反应堆的大小是按发电功率界定的。目前各国商用核电站所配备的核反应堆动力装置，动辄是1000兆瓦级发电功率（1兆瓦=1000千瓦）的大家伙。国际原子能机构（IAEA）规定，发电功率超过600兆瓦的为大型反应堆，介于300～600兆瓦的为中型核反应堆，不到300兆瓦的就是小型核反应堆了，简称“小型堆”。其中采用模块化设计、设备系统模块化工厂预制和现场模块化组装建设的小型堆，称作“模块化小型堆”，英文简称SMR（Small Modular Reactors）。需要注意的是，中、小型反应堆经常使用的合称“Small and Medium-sized Reactors”，英文缩写也是SMR，两个概念容易混淆。

其实，小型堆已有半个世纪的应用历史，早就不是新概念了。除了各种研究性反应堆、原型反应堆外，大量军用核动力舰艇用的燃料系统也是小型堆。据国际原子能机构2013年的统计，全球运行中的中小型堆共计132座，其中中型堆106座，小型堆26座，总装机容量超过6万兆瓦，累计运行经验达5082堆年。（堆年是一个乘积单位，类似客流统计中的“人次”，比如5个运行1年的反应堆是5堆年，3个运行两年的反应堆是6堆年，以此类推。）

如果把小型堆比作是一棵正在生长的小树，那么不难看出，此前运行的各类小堆（主要是军用堆、研究堆），就是已经长出的枝杈；随着人类社会经济的发展和技术进步，小堆将进一步商业化发展，不断长粗长高，并最终成为参天大树。当前，小型堆日渐成为国际核能发展的新趋势，在技术和应用方面与大型堆各有优势，互为补充。21世纪初，国际原子能机构明确表示，将鼓励发展和利用安全、可靠、经济上可行的中小型反应堆。小型堆从此得到国际上的重视并开始了集中研发。目前的堆型涉及轻水堆（包含压水堆和沸水堆）、高温气冷堆、熔盐堆、液态金属快堆等多个种类，其中压水堆的技术成熟度较高，国际上有数十年安全运行经验，最有可能在中短期内推广。

小型堆与大型堆规模对比示意图

固有安全性高

与大型反应堆比，小型反应堆突出的优势就是固有安全性高，应用灵活、广泛。理论上还具有热、电、汽、水联产能力。特别是模块化小型堆，可以在工厂内批量生产制造，再运到建造地进行组装，不仅更便捷，也使得它的造价得到了进一步改善。此外，小型堆还可以拓展多用途设计，在发电、制氢气、供热、海水淡化和原油提纯等方面可以灵活部署，运行功率可按需调节。海水淡化、海上采油、工业供汽以及偏远地区的供电供热等，都是小型堆擅长的工种。国际原子能机构在分析总结了各国已研发和正在研发的小型堆后认为，小型堆在安全性、经济性、核不扩散能力以及无需现场换料方面，具有较大的优势。

小型堆放射源项小、体积小、功率密度低，因此固有安全性优势突出。与大型堆明显不同的是，小型堆核岛全埋地下，可有效抵御撞机、导弹、自然灾害等外部事件，并限制放射性释放；堆芯采用一体化设计，冷却剂泵、稳压器、蒸汽发生器、控制棒驱动机构等第一回路（反应堆冷却系统）的部件，几乎全部整合在反应堆压力容器中，安全裕量更高，即使发生事故也不至于让大量放射性物质快速释放，能留有更长的事故响应时间；很多小型堆因此取消了一回路主管道，从而消除反应堆冷却系统大失水事故（LOCA）；小型堆的衰变热更小，可以采用完全非能动安全系统，不依赖外界电源，发生事故后一两周内不需要人工干预。这些特点减少了小型堆发生场外事故（5～7级核事故）的可能。从技术指标上看，小型堆的堆芯损坏概率往往在10-8/堆年的级别，转换成普通数字就是一亿分之一（0.00000001），相当于平均每一万个反应堆运行一万年才会发生一次这样的事故，而目前各类第三代大型反应堆（现役最新的一代）的堆芯融化概率普遍在10-7～10-5/堆年，比小型堆的指标高出10～1000倍。

我国小型堆市场推广概况 来源：中核集团

省工期 少换料 更经济

小型堆模块化的特点决定了它可以分期分批次建造和发电，堆芯一体化也简化了整套系统的结构和组成单元，反应堆体型紧凑，缩短了施工周期，有效控制进度，也减小了占地和土建规模。建一座采用大型反应堆的第三代核电站通常要花5～6年左右，而装备小型堆的核电站只要3年甚至更短的时间就能搞定，使得建厂成本和投资风险大大降低，同时能较快得到回报。此外，批量化生产建造还有利于质量控制，从而增强电厂的安全性和可靠性。

相比于大型堆，小型堆在换料方面也有自身的特点和优势。国际原子能机构建议，部分小型堆可以根据自身特点和实际情况，设计成为无需现场换料的小型反应堆，又称为电池式反应堆。这种小型堆面对的主要是核燃料循环和废物处理技术尚不成熟，或者不愿意投入大量财力和资源来建设核燃料循环体系的国家。采用了这种反应堆，就可以将整套燃料循环服务外包给有能力的核电企业，让换料更加简便。这样的条件，让小型堆很适合在电力需求小、电网承受力差以及有高耗能行业（采矿、采油、海水淡化等）且较偏远的地方使用。

各核电国研发势头正盛

世界各核能发达国家，如美国、俄罗斯、日本、韩国及中国等都在积极研发小型堆。由于国情的差异，不同国家对小型堆应用的领域和目标也有所不同。美国小型堆的呼声很高，一方面是可以减少投资和缩短建造周期，另一方面可实现更高的安全性，主要用于取代逐渐退役的化石燃料电厂。1999年，由美国西屋电气公司（Westinghouse）牵头，美国、意大利、英国、日本等9个国家联合研发了“IRIS”——国际革新安全反应堆。该项目以成熟可靠的压水堆技术为基础，充分利用了西屋公司AP600等先进轻水堆的设计成果，因此其设计指标满足美国《用户要求文件(URD)》，属于“第三代+”反应堆。其热功率1000兆瓦，发电功率335兆瓦，换料周期为4年，设计寿命60年。IRIS采用了一体化的反应堆冷却剂系统布置，虽然这样使反应堆压力容器比传统大型压水堆大，但安全壳的尺寸却比非一体化布局的反应堆紧凑得多，从而大大缩减了核电站的总规模。

另一核电元老国俄罗斯，纬度较高，地广人稀，海岸线绵长，冬季采暖需大量热源。该国研发了一款用于建设浮动式核电站的小型堆KLT-40s，具有30～35兆瓦的电功率以及20兆瓦的热功率，换料周期为3年，是在成熟的破冰船动力堆KLT-40的基础上打造的。该堆型的建造模式采用了双机组，在堆芯正常运行状况下，依靠强制循环进行冷却；在发生紧急事故时，应急冷却则依赖于自然对流进行。搭载2台KLT-40S反应堆的俄首座浮动式核电厂“罗蒙诺索夫院士号”（AcademicianLomonosov），预计于2019年在楚科奇（Chukotka）投入运行。除了发电，还可以用于海水淡化。

韩国作为核电后起之秀，对于小型堆的发展也不甘人后。该国原子能研究所设计的SMART，是一台可用于海水淡化兼作发电用途的小型堆，堆芯热功率330兆瓦，电功率100兆瓦，与美国IRIS同为60年的设计寿命和3年的换料周期。2012年7月，SMART小型堆获得了韩国监管部门颁发的设计合格证。2015年3月，韩国与沙特签署合作谅解备忘录，两国将开展一项为期3年的初步研究，以评审在沙特建设首座SMART的可行性，预计造价为10亿美元。同年9月2日，两国又签署进一步加强SMART合作的合同。

美国“Nuscale”公司研发的小型堆蒸汽发生器部件，只需一辆平板卡车就能运输。

我国小型堆全球首个通过IAEA安审

我国虽然商用核电站起步较晚，但核能研究的资历并不输给欧美老牌核电国。经过几十年的发展建设，我国已经建立起了完整的核工业体系，为自主研发、设计、建设、运行小型堆核能系统奠定了技术基础。中核集团推出的ACP100多用途模块化小型堆，热功率310兆瓦，电功率100兆瓦，每两年换料一次，设计寿命60年，堆芯损坏概率小于10-7/堆年，大量放射性物质外泄频率小于10-8/堆年。

2016年1月，国家核安全局发布了由中核集团参与编写的《小型压水堆核动力厂示范工程安全审评原则》，2016年4月22日，国际原子能机构在维也纳总部向中核集团提交了ACP100通用反应堆安全审查(GRSR)报告，它是世界首个通过了该组织安全审查的小型堆技术。目前，ACP100的厂房、设备、大管道等建筑设施均已完成了三维设计，首堆建设将在2017年前后启动，被认为是中国唯一可近期部署的模块式小型压水堆。

我国广阔的西部内陆地区，远离电力主干线，城镇又比较分散，大电网远距离供电的经济性差、电网安全性低。另外，我国大约1/3的地区需要冬季供暖，供暖期达4～6个月。随着经济发展和城市化进程加快，对采暖能量的需求量越来越大。以燃煤为主的供暖方式又面临较重的有害气体和烟尘污染，威胁着环境和人们的健康。因此，自动化程度高、安全性好、换料周期长的小型模块化核电和核供热系统，有利于资源的合理应用，减小环境压力和运输压力。如能用小型堆代替小火电机组发电或供热，将是偏远地区和北方城市的更好选择。

小型堆采用堆芯一体化设计，构造比大型堆更紧凑。

国际原子能机构（IAEA）正在对我国的ACP100通用小型反应堆开展安全审查

商业推广还需再“烧开几盆冷水”

不可否认，小型堆身材小、安全性高、调峰能力强、用途多样，市场前景广阔是肯定的。目前国际上已有3种堆型设计启动首堆建设，意味着国际小型堆发展即将进入商业示范阶段。当然，和很多新事物一样，小型堆的大规模商业化应用不可能一蹴而就。

来自中国核科技信息与经济研究院的文章指出，监管是小型堆面临的重要挑战。

首先，由于小型堆是一种新技术，各国现行规范和标准主要针对的是大型反应堆，如果照搬，会使小型堆的许多优势不能得到体现。比如小型堆核电站由于安全性高，可大幅减小甚至取消场外应急计划区。合理缩小小型堆的应急区域，将极大地降低环保、安保和消防等诸多方面的成本。然而制定针对小型堆的规范和标准，并获得各国核安监机构认可需要一段时间，小型堆的商业化进程自然不会很快。

第二，任何新技术在从概念到产品的过程中都必须经历一段号称“死亡之谷”的艰难历程。小型堆正处于跨越“死亡之谷”的前夜，需要政府在政策、资金、厂址等方面提供支持，尤其是在福岛核事故影响仍未消散的情况下。如不能尽快跨越“死亡之谷”，许多公司将因资源耗尽而不得不放弃小型堆项目，令不少有前景的技术因此半途而废。在这方面，风电和光伏发电已做出了示范。

第三，在自由竞争的电力市场中，小型堆必然会面临来自低价化石燃料和能获得政府补贴的可再生能源的竞争。因此，小型堆必须证明自己具备经济竞争力，才能实现大规模的商业化应用。

《中国能源报》还提到了“心理安全”与“技术安全”的结合。不论大型堆还是小型堆，公众“心理安全”的最终支撑，还是技术安全。小型堆的建设推广，要有足够的宣传和科普介入，帮助民众对小型堆有足够的认可和接受，避免因信息不对称造成“反核”情绪。

高度安全和高效的电、热、汽、水联产能力，是小型堆最大的市场优势。相信随着技术升级和政策的跟进，小型堆的多重价值及由此带来的经济性，将为核能行业增添新的发展空间。

本栏目责编/季天也jtyair2013@vip.163.com