小型反應(yīng)堆因模塊化建造、建造周期短、安全性能高、對(duì)電網(wǎng)要求不高、選址成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、多用途等優(yōu)點(diǎn)， 未來具有較為廣闊的發(fā)展空間。 按照技術(shù)路線的不同， 小型反應(yīng)堆大體可分為輕水反應(yīng)堆、氣冷反應(yīng)堆、液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆、熔鹽反應(yīng)堆。 目前全球有超過 45 個(gè)小堆的設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用， 美、俄、中、韓等國走在了小堆研發(fā)及商業(yè)化推廣的前列。 小型反應(yīng)堆前期資金投入少， 后續(xù)擴(kuò)容可以通過“ 以堆養(yǎng)堆” 的模式逐步投入建設(shè)資金， 財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)大幅降低。 相比于大型反應(yīng)堆， 小型反應(yīng)堆的系統(tǒng)設(shè)備大幅簡化， 運(yùn)行維護(hù)成本較低。 通過聯(lián)合生產(chǎn)模式， 小型反應(yīng)堆還能提供各種非電力產(chǎn)品， 最大限度地利用閑置的電力和熱能。 目前的小堆核電都處于初始階段， 其發(fā)展還受到現(xiàn)行法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、乏燃料管理、單位功率造價(jià)成本以及公眾可接受性等因素的制約。 應(yīng)加快制定具有針對(duì)性的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)， 研究出臺(tái)相關(guān)稅費(fèi)優(yōu)惠及補(bǔ)貼措施， 同時(shí)加強(qiáng)核相關(guān)信息的宣傳， 消除公眾的核恐懼心理。

按照國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA) 的定義， 電功率小于 300MW 的反應(yīng)堆被劃分為小型反應(yīng)堆[1～3]。 小型反應(yīng)堆因功率小、建造周期短、對(duì)電網(wǎng)要求不高、選址成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4～5]， 受到越來越多核技術(shù)先進(jìn)國家的重視，美國、俄羅斯、韓國、日本、法國 等國都在積極開展小型反應(yīng)堆的研發(fā)工作。 IAEA 更是表示，鼓勵(lì)發(fā)展和利用安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的中小型反應(yīng)堆[6]，2004 年 6 月 IAEA 成立名為“ 革新型核反應(yīng)堆” 的協(xié)作研究項(xiàng)目， 正式啟動(dòng)了中小型反應(yīng)堆的開發(fā)計(jì)劃，截至目前已有約 30 個(gè)成員[7]。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 全球所有中小型堆的總裝機(jī)容量近 6×104MW，累計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)超過 5000 堆年[8]。根據(jù)美國法維翰調(diào)查咨詢公司的預(yù)測(cè)， 到 2030 年全球小型模塊式反應(yīng)堆的裝機(jī)容量將達(dá)到 18.2GW[ 9]。 各機(jī)構(gòu)研究均表明，小型反應(yīng)堆在未來幾十年有很大的發(fā)展空間及前景。

1 小型反應(yīng)堆國內(nèi)外現(xiàn)狀

俄羅斯于 1959 年建設(shè)的功率為 32MW 的核動(dòng)力破冰船， 以及 20 世紀(jì) 60 年代服務(wù)于北極地區(qū)的ATU-15(15MW) 型反應(yīng)堆供熱站， 是小型反應(yīng)堆和平應(yīng)用的首批實(shí)例。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 按照技術(shù)路線的不同，世界范圍內(nèi)的小型反應(yīng)堆大體可分為輕水反應(yīng)堆、氣冷反應(yīng)堆、液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆、熔鹽反應(yīng)堆。 各種技術(shù)路線的小型反應(yīng)堆代表堆型見表 1[10]。

其中輕水反應(yīng)堆技術(shù)成熟， 有豐富的建設(shè)和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn); 氣冷堆建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足， 且受外部條件和配套設(shè)施的制約; 液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆和熔鹽堆在技術(shù)上尚未完全成熟。

國際先進(jìn)核電國家技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯， 有很好的基礎(chǔ)幫助其擴(kuò)大核能在多種領(lǐng)域的應(yīng)用， 并提高在國際核能市場(chǎng)的競爭優(yōu)勢(shì)[11]， 近幾年紛紛調(diào)整未來發(fā)展戰(zhàn)略， 將小型反應(yīng)堆作為今后發(fā)展的重點(diǎn)方向之一， 并且已積極地投入到設(shè)計(jì)和科研中[12]。 目前全球有超過 45 個(gè)小堆的設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用， 綜合來看， 美國、俄羅斯、中國、韓國等走在了小堆研發(fā)及商業(yè)化推廣的前列。 表 2 為從主要核電國家看小堆技術(shù)在全球的發(fā)展情況[13]。

美國能源部(DOE) 核能研究組負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)的國際革新安全反應(yīng)堆在固有安全性方面， 相對(duì)于傳統(tǒng)堆型取得了明顯的改善[14]。 DOE 為了更好地促進(jìn)核電站長期部署的完成， 推廣小型反應(yīng)堆發(fā)展， 于 2018 年 12 月簽署了首個(gè)關(guān)于小型模塊化反應(yīng)堆的備忘錄[15]。 俄羅斯設(shè)計(jì)的 KLT-40S 浮動(dòng)式發(fā)電機(jī)組以及阿根廷的 CAREM 先進(jìn)小型核電機(jī)組目前也正在建造中[16]。 2012 年， 韓國原子能研究院自主研發(fā)的既可用于發(fā)電也可兼作海水淡化的一體化模塊式反應(yīng)堆 SMART 獲得了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)合格證。 日本原子能機(jī)構(gòu)開發(fā)了一體化壓水堆 MRX[17]。清華大學(xué)自主研發(fā)的 HTR-PM 已進(jìn)入調(diào)試階段， 中核集團(tuán)開發(fā)了一體化的核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)反應(yīng)堆 ACP100， 中國廣核集團(tuán)、國家電力投資集團(tuán)公司對(duì)小堆也開展了一系列的前期工作[18～20]。

2 小型反應(yīng)堆技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

小型反應(yīng)堆之所以受到這么多國家的重視并參與開發(fā)，與其自身的特點(diǎn)是分不開的。 小型反應(yīng)堆在技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)主要集中在以下幾個(gè)方面：

① 相對(duì)于大型反應(yīng)堆， 小型反應(yīng)堆普遍采用一體化設(shè)計(jì)建造的理念， 其系統(tǒng)大大簡化， 結(jié)構(gòu)相對(duì)而言也更緊湊，體積更小， 功率密度更低， 更易于反應(yīng)性控制。 同時(shí)由于大多采用非能動(dòng)安全系統(tǒng)， 固有安全性得到明顯提高。

② 小型反應(yīng)堆由于采用模塊化設(shè)計(jì)且功率小，因而其用地面積較少， 對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性更強(qiáng)， 更加適合規(guī)模較小且不太穩(wěn)定的電網(wǎng)， 或者對(duì)能源有需求的惡劣環(huán)境地區(qū)， 對(duì)廠址的要求以及廠址成本也相應(yīng)要低[21]， 如漂浮式小堆等均可以更好地靈活部署應(yīng)用。

③ 與大型反應(yīng)堆相比， 小型反應(yīng)堆由于系統(tǒng)管道設(shè)備數(shù)量少、源項(xiàng)小、非能動(dòng)設(shè)計(jì)等特性， 使得小型反應(yīng)堆的應(yīng)急計(jì)劃區(qū)半徑變小[22]。 同時(shí)小堆消除了較大的失去冷卻劑事故的發(fā)生， 即使發(fā)生事故， 也不會(huì)造成放射性物質(zhì)的大量釋放， 事故響應(yīng)時(shí)間裕量增大， 應(yīng)急計(jì)劃可進(jìn)行一定的簡化[23]， 甚至具備取消場(chǎng)外應(yīng)急的潛力[24]。

④ 小型反應(yīng)堆采用獨(dú)特的模塊化設(shè)計(jì)， 電站可以實(shí)現(xiàn)按需建造， 通過改變小型模塊化反應(yīng)堆的數(shù)量靈活匹配裝機(jī)容量， 也可以在建設(shè)前期就為后續(xù)機(jī)組擴(kuò)容做好布置和規(guī)劃。 比如目前國內(nèi)建設(shè)的高溫氣冷堆核電站示范工程， 即為一個(gè)機(jī)組中連接兩個(gè)反應(yīng)堆模塊[25]。 同時(shí)， 模塊化也使得可移動(dòng)式機(jī)組因分離方便而簡化了退役流程[13]。

3小型反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性分析

由于小型反應(yīng)堆采用模塊化建造， 建設(shè)的前期準(zhǔn)備縮短， 現(xiàn)場(chǎng)施工的工作量轉(zhuǎn)移到工廠中完成， 施工風(fēng)險(xiǎn)也大為降低， 現(xiàn)場(chǎng)施工和安裝簡化， 整個(gè)建造周期縮短， 大幅降低了建造成本。 相比大型反應(yīng)堆而言， 施工可靠性得到了極大提升， 施工的時(shí)間成本也可節(jié)約 5～8 年[26]。

目前世界上大型核電站建設(shè)中一個(gè)無法繞開的難題就是初始資金投入較大， 而小型反應(yīng)堆由于采用模塊化設(shè)計(jì)， 使得核電建設(shè)投資可以采用“ 以堆養(yǎng)堆” 的模式進(jìn)行。 機(jī)組后續(xù)擴(kuò)容的規(guī)劃和布置在前期建設(shè)時(shí)就已做好， 通過“ 以堆養(yǎng)堆” 逐步投入建設(shè)資金， 逐漸增加裝機(jī)容量， 從而降低了資金受限對(duì)核電站建設(shè)的影響[27]。 “以堆養(yǎng)堆”模式降低了融資難度， 且前期投產(chǎn)項(xiàng)目的利潤可以為后續(xù)機(jī)組擴(kuò)容提供資金保障， 財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)大幅降低， 增加了核能對(duì)潛在投資者的吸引力， 有利于小型反應(yīng)堆的推廣和普及。

小型反應(yīng)堆的系統(tǒng)設(shè)備相比于大型反應(yīng)堆有大幅簡化， 因此系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本較低。 同時(shí)小型反應(yīng)堆運(yùn)行模式靈活， 運(yùn)行效率高， 減少了燃料的消耗成本，從而降低了整個(gè)反應(yīng)堆的運(yùn)行成本[28]。

通過聯(lián)合生產(chǎn)模式， 小型反應(yīng)堆除了用于發(fā)電的常規(guī)功能外， 還能提供各種非電力產(chǎn)品， 應(yīng)用范圍廣泛，如工業(yè)供熱、制氫、海水淡化、原油提純、煤炭液化、熱電聯(lián)產(chǎn)等， 從而最大限度地利用了閑置的電力和熱能，而這種利用的成本幾乎為零。

4小型反應(yīng)堆的市場(chǎng)需求分析

技術(shù)優(yōu)勢(shì)、經(jīng)濟(jì)性、市場(chǎng)需求是推動(dòng)小型核電發(fā)展的真正因素， 而市場(chǎng)需求是最重要的一個(gè)。 目前全球范圍內(nèi)環(huán)境問題突出， 為減少對(duì)環(huán)境的污染，電力能源必將加速轉(zhuǎn)型，大力發(fā)展清潔能源。 而核電與其他新能源相比， 可以大規(guī)模應(yīng)用， 因此市場(chǎng)的需求也就更大。

核電始終把安全性放在首位， 在福島核事故發(fā)生后，IAEA 再度提高了核電的安全目標(biāo)， 對(duì)核電技術(shù)的升級(jí)提出了更高的要求， 整個(gè)核電行業(yè)的準(zhǔn)入門檻也大幅提高。 在這種形勢(shì)下， 大型反應(yīng)堆想要脫穎而出的難度加大， 相對(duì)而言， 具有非能動(dòng)安全功能的小型模塊化反應(yīng)堆卻因?yàn)樽陨韮?yōu)勢(shì)更能適應(yīng)當(dāng)前形勢(shì)，也就有了更大的市場(chǎng)空間。

根據(jù) IAEA 最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 發(fā)展中國家和地區(qū)正在逐步成為國際核電市場(chǎng)的中心[29]。 對(duì)發(fā)展中國家來說， 很多國家和地區(qū)的電力設(shè)施相對(duì)落后， 電網(wǎng)容量有限， 經(jīng)濟(jì)水平較差， 這些因素導(dǎo)致很多國家并不適合建設(shè)大型核電。 而小型反應(yīng)堆的前期投入少， 建造周期短， 發(fā)電量也能夠良好匹配當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)， 在這樣的國家或地區(qū)里， 發(fā)展小型核電站便成為一個(gè)實(shí)實(shí)在在的市場(chǎng)需求。

大型核電站在選址上的要求極其苛刻， 如偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島、遠(yuǎn)離水源地區(qū)等均不適合大型核電站建設(shè)。 但是小型反應(yīng)堆對(duì)廠址要求低， 在以上地區(qū)發(fā)展小型核電也是一種符合市場(chǎng)需求的方案。

目前有些國家的電網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)大型核電機(jī)組參與調(diào)峰的現(xiàn)象， 以適應(yīng)容量過剩的問題。 大型核電機(jī)組長時(shí)間地做低功率調(diào)峰運(yùn)行， 經(jīng)濟(jì)性大大降低， 同時(shí)依據(jù)核安全的標(biāo)準(zhǔn)， 反應(yīng)堆長期低功率運(yùn)行是極不安全的。 電網(wǎng)容量過剩的地區(qū)， 建設(shè)小型反應(yīng)堆能更好地適應(yīng)電力調(diào)峰市場(chǎng)需求。

小型反應(yīng)堆的應(yīng)用領(lǐng)域也極其廣泛， 如熱電聯(lián)產(chǎn)、海水淡化、核能制氫等。 以上領(lǐng)域的市場(chǎng)需求巨大，小型反應(yīng)堆的聯(lián)合生產(chǎn)模式剛好可以滿足這些多樣化的能源需求。

5 小型反應(yīng)堆發(fā)展的制約因素

① 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)制度的制約。 由于目前國際核電相關(guān)法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等均是依托現(xiàn)有大型反應(yīng)堆的 發(fā)展而制定的， 并沒有針對(duì)小型反應(yīng)堆這一新事物建立國際通用的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)， 這是制約小型反應(yīng)堆推廣的一個(gè)障礙。 雖然目前各國都在考慮制定小堆的許可標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范， 但是國家政策的不同， 會(huì)使在不同市場(chǎng)推廣開發(fā)小堆面臨各種不可預(yù)知的困難。 同時(shí)小型反應(yīng)堆有其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)， 如果套用大型核電站的各項(xiàng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)， 將大大降低小型反應(yīng)堆的競爭性。

② 乏燃料管理制約。 小型反應(yīng)堆也會(huì)產(chǎn)生乏燃料， 但是小堆選址條件低， 廠址分布比大型反應(yīng)堆更廣，這些廠址中產(chǎn)生的乏燃料分布可能并不集中， 這就使得小型反應(yīng)堆乏燃料管理變得復(fù)雜起來， 相應(yīng)的資金投入將會(huì)更多， 這也限制了小型反應(yīng)堆的發(fā)展。

③ 建造成本制約。 一般情況下，小型反應(yīng)堆的功率密度要比大型反應(yīng)堆低， 且人員配置、儀控系統(tǒng)等費(fèi)用也要考慮在造價(jià)內(nèi)。 若一個(gè)小型反應(yīng)堆為

20 ×104kW， 一個(gè)大型反應(yīng)堆為 100 ×104kW， 那么建造 5 個(gè)小型反應(yīng)堆的總造價(jià)， 一般都要比建造 1 個(gè)同級(jí)別大型反應(yīng)堆的造價(jià)高。 也就是說， 小型反應(yīng)堆雖然前期資金投入降低， 但單位功率造價(jià)成本其實(shí)并不低。

④ 公眾制約。 目前核電技術(shù)的宣傳和普及度不夠， 導(dǎo)致公眾對(duì)核電的認(rèn)識(shí)并不充分， 切爾諾貝利核事故及日本福島核事故的發(fā)生， 讓公眾“ 談核色變”。 而由于小型反應(yīng)堆的特點(diǎn)，其建設(shè)地點(diǎn)一般距離居民區(qū)和生活區(qū)較近， 與公眾之間物理距離的縮短，也使得公眾對(duì)核的抵觸心理更盛。

6結(jié)語

目前的小堆核電都處于初始階段， 但有理由相信， 隨著科技進(jìn)步和成本降低， 小型反應(yīng)堆核能系統(tǒng)的技術(shù)可行性、核安全性、開發(fā)經(jīng)濟(jì)性等方面都具有極大的優(yōu)勢(shì)。 然而， 小型反應(yīng)堆核能系統(tǒng)要推向市場(chǎng)，不僅要經(jīng)過原型堆和商業(yè)示范堆建設(shè)和運(yùn)行的驗(yàn)證， 期間還將會(huì)受到現(xiàn)行相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、政策、乏燃料管理、公眾可接受性等因素的制約。 應(yīng)加快制定具有針對(duì)性的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及審批和監(jiān)管程序， 研究出臺(tái)相關(guān)稅費(fèi)優(yōu)惠及補(bǔ)貼措施， 同時(shí)加強(qiáng)核相關(guān)信息的宣傳， 消除公眾的核恐懼心理， 以促進(jìn)小型反應(yīng)堆的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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