小型反應(yīng)堆：誰說咱只配開潛艇？

◎本刊主筆 季天也

小型反應(yīng)堆：誰說咱只配開潛艇？

◎本刊主筆 季天也

低投資、多用途、更安全

11月4日，我國首座海上浮動核電站正式開工。與動輒占地數(shù)十公頃甚至上百公頃的陸地核電站不同的是，它采用了一套結(jié)構(gòu)更簡化、更緊湊的小型核反應(yīng)堆。一直以來，小型堆在許多人印象中，或許只是開開潛艇和航母，給科研人員當(dāng)當(dāng)“小白鼠”，而今卻在商業(yè)化應(yīng)用方面顯示出勃勃生機，還被視為“核能工業(yè)的轉(zhuǎn)折點”，開創(chuàng)了核能多用途的新時代。在大型堆主導(dǎo)核電市場的今天，小型堆有何獨到優(yōu)勢？它是來補缺的，還是來叫板的？

我國開發(fā)的海上浮動小型壓水堆ACPR50S，熱功率200兆瓦、電功率60兆瓦。

小型堆的壓力容器模型

大小反應(yīng)堆優(yōu)勢互補

小型核反應(yīng)堆，到底有多小呢？

反應(yīng)堆的大小是按發(fā)電功率界定的。目前各國商用核電站所配備的核反應(yīng)堆動力裝置，動輒是1000兆瓦級發(fā)電功率（1兆瓦=1000千瓦）的大家伙。國際原子能機構(gòu)（IAEA）規(guī)定，發(fā)電功率超過600兆瓦的為大型反應(yīng)堆，介于300～600兆瓦的為中型核反應(yīng)堆，不到300兆瓦的就是小型核反應(yīng)堆了，簡稱“小型堆”。其中采用模塊化設(shè)計、設(shè)備系統(tǒng)模塊化工廠預(yù)制和現(xiàn)場模塊化組裝建設(shè)的小型堆，稱作“模塊化小型堆”，英文簡稱SMR（Small Modular Reactors）。需要注意的是，中、小型反應(yīng)堆經(jīng)常使用的合稱“Small and Medium-sized Reactors”，英文縮寫也是SMR，兩個概念容易混淆。

其實，小型堆已有半個世紀(jì)的應(yīng)用歷史，早就不是新概念了。除了各種研究性反應(yīng)堆、原型反應(yīng)堆外，大量軍用核動力艦艇用的燃料系統(tǒng)也是小型堆。據(jù)國際原子能機構(gòu)2013年的統(tǒng)計，全球運行中的中小型堆共計132座，其中中型堆106座，小型堆26座，總裝機容量超過6萬兆瓦，累計運行經(jīng)驗達5082堆年。（堆年是一個乘積單位，類似客流統(tǒng)計中的“人次”，比如5個運行1年的反應(yīng)堆是5堆年，3個運行兩年的反應(yīng)堆是6堆年，以此類推。）

如果把小型堆比作是一棵正在生長的小樹，那么不難看出，此前運行的各類小堆（主要是軍用堆、研究堆），就是已經(jīng)長出的枝杈；隨著人類社會經(jīng)濟的發(fā)展和技術(shù)進步，小堆將進一步商業(yè)化發(fā)展，不斷長粗長高，并最終成為參天大樹。當(dāng)前，小型堆日漸成為國際核能發(fā)展的新趨勢，在技術(shù)和應(yīng)用方面與大型堆各有優(yōu)勢，互為補充。21世紀(jì)初，國際原子能機構(gòu)明確表示，將鼓勵發(fā)展和利用安全、可靠、經(jīng)濟上可行的中小型反應(yīng)堆。小型堆從此得到國際上的重視并開始了集中研發(fā)。目前的堆型涉及輕水堆（包含壓水堆和沸水堆）、高溫氣冷堆、熔鹽堆、液態(tài)金屬快堆等多個種類，其中壓水堆的技術(shù)成熟度較高，國際上有數(shù)十年安全運行經(jīng)驗，最有可能在中短期內(nèi)推廣。

小型堆與大型堆規(guī)模對比示意圖

固有安全性高

與大型反應(yīng)堆比，小型反應(yīng)堆突出的優(yōu)勢就是固有安全性高，應(yīng)用靈活、廣泛。理論上還具有熱、電、汽、水聯(lián)產(chǎn)能力。特別是模塊化小型堆，可以在工廠內(nèi)批量生產(chǎn)制造，再運到建造地進行組裝，不僅更便捷，也使得它的造價得到了進一步改善。此外，小型堆還可以拓展多用途設(shè)計，在發(fā)電、制氫氣、供熱、海水淡化和原油提純等方面可以靈活部署，運行功率可按需調(diào)節(jié)。海水淡化、海上采油、工業(yè)供汽以及偏遠地區(qū)的供電供熱等，都是小型堆擅長的工種。國際原子能機構(gòu)在分析總結(jié)了各國已研發(fā)和正在研發(fā)的小型堆后認為，小型堆在安全性、經(jīng)濟性、核不擴散能力以及無需現(xiàn)場換料方面，具有較大的優(yōu)勢。

小型堆放射源項小、體積小、功率密度低，因此固有安全性優(yōu)勢突出。與大型堆明顯不同的是，小型堆核島全埋地下，可有效抵御撞機、導(dǎo)彈、自然災(zāi)害等外部事件，并限制放射性釋放；堆芯采用一體化設(shè)計，冷卻劑泵、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器、控制棒驅(qū)動機構(gòu)等第一回路（反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)）的部件，幾乎全部整合在反應(yīng)堆壓力容器中，安全裕量更高，即使發(fā)生事故也不至于讓大量放射性物質(zhì)快速釋放，能留有更長的事故響應(yīng)時間；很多小型堆因此取消了一回路主管道，從而消除反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)大失水事故（LOCA）；小型堆的衰變熱更小，可以采用完全非能動安全系統(tǒng)，不依賴外界電源，發(fā)生事故后一兩周內(nèi)不需要人工干預(yù)。這些特點減少了小型堆發(fā)生場外事故（5～7級核事故）的可能。從技術(shù)指標(biāo)上看，小型堆的堆芯損壞概率往往在10-8/堆年的級別，轉(zhuǎn)換成普通數(shù)字就是一億分之一（0.00000001），相當(dāng)于平均每一萬個反應(yīng)堆運行一萬年才會發(fā)生一次這樣的事故，而目前各類第三代大型反應(yīng)堆（現(xiàn)役最新的一代）的堆芯融化概率普遍在10-7～10-5/堆年，比小型堆的指標(biāo)高出10～1000倍。

我國小型堆市場推廣概況 來源：中核集團

省工期 少換料 更經(jīng)濟

小型堆模塊化的特點決定了它可以分期分批次建造和發(fā)電，堆芯一體化也簡化了整套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成單元，反應(yīng)堆體型緊湊，縮短了施工周期，有效控制進度，也減小了占地和土建規(guī)模。建一座采用大型反應(yīng)堆的第三代核電站通常要花5～6年左右，而裝備小型堆的核電站只要3年甚至更短的時間就能搞定，使得建廠成本和投資風(fēng)險大大降低，同時能較快得到回報。此外，批量化生產(chǎn)建造還有利于質(zhì)量控制，從而增強電廠的安全性和可靠性。

相比于大型堆，小型堆在換料方面也有自身的特點和優(yōu)勢。國際原子能機構(gòu)建議，部分小型堆可以根據(jù)自身特點和實際情況，設(shè)計成為無需現(xiàn)場換料的小型反應(yīng)堆，又稱為電池式反應(yīng)堆。這種小型堆面對的主要是核燃料循環(huán)和廢物處理技術(shù)尚不成熟，或者不愿意投入大量財力和資源來建設(shè)核燃料循環(huán)體系的國家。采用了這種反應(yīng)堆，就可以將整套燃料循環(huán)服務(wù)外包給有能力的核電企業(yè)，讓換料更加簡便。這樣的條件，讓小型堆很適合在電力需求小、電網(wǎng)承受力差以及有高耗能行業(yè)（采礦、采油、海水淡化等）且較偏遠的地方使用。

各核電國研發(fā)勢頭正盛

世界各核能發(fā)達國家，如美國、俄羅斯、日本、韓國及中國等都在積極研發(fā)小型堆。由于國情的差異，不同國家對小型堆應(yīng)用的領(lǐng)域和目標(biāo)也有所不同。美國小型堆的呼聲很高，一方面是可以減少投資和縮短建造周期，另一方面可實現(xiàn)更高的安全性，主要用于取代逐漸退役的化石燃料電廠。1999年，由美國西屋電氣公司（Westinghouse）牽頭，美國、意大利、英國、日本等9個國家聯(lián)合研發(fā)了“IRIS”——國際革新安全反應(yīng)堆。該項目以成熟可靠的壓水堆技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用了西屋公司AP600等先進輕水堆的設(shè)計成果，因此其設(shè)計指標(biāo)滿足美國《用戶要求文件(URD)》，屬于“第三代+”反應(yīng)堆。其熱功率1000兆瓦，發(fā)電功率335兆瓦，換料周期為4年，設(shè)計壽命60年。IRIS采用了一體化的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)布置，雖然這樣使反應(yīng)堆壓力容器比傳統(tǒng)大型壓水堆大，但安全殼的尺寸卻比非一體化布局的反應(yīng)堆緊湊得多，從而大大縮減了核電站的總規(guī)模。

另一核電元老國俄羅斯，緯度較高，地廣人稀，海岸線綿長，冬季采暖需大量熱源。該國研發(fā)了一款用于建設(shè)浮動式核電站的小型堆KLT-40s，具有30～35兆瓦的電功率以及20兆瓦的熱功率，換料周期為3年，是在成熟的破冰船動力堆KLT-40的基礎(chǔ)上打造的。該堆型的建造模式采用了雙機組，在堆芯正常運行狀況下，依靠強制循環(huán)進行冷卻；在發(fā)生緊急事故時，應(yīng)急冷卻則依賴于自然對流進行。搭載2臺KLT-40S反應(yīng)堆的俄首座浮動式核電廠“羅蒙諾索夫院士號”（AcademicianLomonosov），預(yù)計于2019年在楚科奇（Chukotka）投入運行。除了發(fā)電，還可以用于海水淡化。

韓國作為核電后起之秀，對于小型堆的發(fā)展也不甘人后。該國原子能研究所設(shè)計的SMART，是一臺可用于海水淡化兼作發(fā)電用途的小型堆，堆芯熱功率330兆瓦，電功率100兆瓦，與美國IRIS同為60年的設(shè)計壽命和3年的換料周期。2012年7月，SMART小型堆獲得了韓國監(jiān)管部門頒發(fā)的設(shè)計合格證。2015年3月，韓國與沙特簽署合作諒解備忘錄，兩國將開展一項為期3年的初步研究，以評審在沙特建設(shè)首座SMART的可行性，預(yù)計造價為10億美元。同年9月2日，兩國又簽署進一步加強SMART合作的合同。

美國“Nuscale”公司研發(fā)的小型堆蒸汽發(fā)生器部件，只需一輛平板卡車就能運輸。

我國小型堆全球首個通過IAEA安審

我國雖然商用核電站起步較晚，但核能研究的資歷并不輸給歐美老牌核電國。經(jīng)過幾十年的發(fā)展建設(shè)，我國已經(jīng)建立起了完整的核工業(yè)體系，為自主研發(fā)、設(shè)計、建設(shè)、運行小型堆核能系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。中核集團推出的ACP100多用途模塊化小型堆，熱功率310兆瓦，電功率100兆瓦，每兩年換料一次，設(shè)計壽命60年，堆芯損壞概率小于10-7/堆年，大量放射性物質(zhì)外泄頻率小于10-8/堆年。

2016年1月，國家核安全局發(fā)布了由中核集團參與編寫的《小型壓水堆核動力廠示范工程安全審評原則》，2016年4月22日，國際原子能機構(gòu)在維也納總部向中核集團提交了ACP100通用反應(yīng)堆安全審查(GRSR)報告，它是世界首個通過了該組織安全審查的小型堆技術(shù)。目前，ACP100的廠房、設(shè)備、大管道等建筑設(shè)施均已完成了三維設(shè)計，首堆建設(shè)將在2017年前后啟動，被認為是中國唯一可近期部署的模塊式小型壓水堆。

我國廣闊的西部內(nèi)陸地區(qū)，遠離電力主干線，城鎮(zhèn)又比較分散，大電網(wǎng)遠距離供電的經(jīng)濟性差、電網(wǎng)安全性低。另外，我國大約1/3的地區(qū)需要冬季供暖，供暖期達4～6個月。隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程加快，對采暖能量的需求量越來越大。以燃煤為主的供暖方式又面臨較重的有害氣體和煙塵污染，威脅著環(huán)境和人們的健康。因此，自動化程度高、安全性好、換料周期長的小型模塊化核電和核供熱系統(tǒng)，有利于資源的合理應(yīng)用，減小環(huán)境壓力和運輸壓力。如能用小型堆代替小火電機組發(fā)電或供熱，將是偏遠地區(qū)和北方城市的更好選擇。

小型堆采用堆芯一體化設(shè)計，構(gòu)造比大型堆更緊湊。

國際原子能機構(gòu)（IAEA）正在對我國的ACP100通用小型反應(yīng)堆開展安全審查

商業(yè)推廣還需再“燒開幾盆冷水”

不可否認，小型堆身材小、安全性高、調(diào)峰能力強、用途多樣，市場前景廣闊是肯定的。目前國際上已有3種堆型設(shè)計啟動首堆建設(shè)，意味著國際小型堆發(fā)展即將進入商業(yè)示范階段。當(dāng)然，和很多新事物一樣，小型堆的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用不可能一蹴而就。

來自中國核科技信息與經(jīng)濟研究院的文章指出，監(jiān)管是小型堆面臨的重要挑戰(zhàn)。

首先，由于小型堆是一種新技術(shù)，各國現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)主要針對的是大型反應(yīng)堆，如果照搬，會使小型堆的許多優(yōu)勢不能得到體現(xiàn)。比如小型堆核電站由于安全性高，可大幅減小甚至取消場外應(yīng)急計劃區(qū)。合理縮小小型堆的應(yīng)急區(qū)域，將極大地降低環(huán)保、安保和消防等諸多方面的成本。然而制定針對小型堆的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，并獲得各國核安監(jiān)機構(gòu)認可需要一段時間，小型堆的商業(yè)化進程自然不會很快。

第二，任何新技術(shù)在從概念到產(chǎn)品的過程中都必須經(jīng)歷一段號稱“死亡之谷”的艱難歷程。小型堆正處于跨越“死亡之谷”的前夜，需要政府在政策、資金、廠址等方面提供支持，尤其是在福島核事故影響仍未消散的情況下。如不能盡快跨越“死亡之谷”，許多公司將因資源耗盡而不得不放棄小型堆項目，令不少有前景的技術(shù)因此半途而廢。在這方面，風(fēng)電和光伏發(fā)電已做出了示范。

第三，在自由競爭的電力市場中，小型堆必然會面臨來自低價化石燃料和能獲得政府補貼的可再生能源的競爭。因此，小型堆必須證明自己具備經(jīng)濟競爭力，才能實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。

《中國能源報》還提到了“心理安全”與“技術(shù)安全”的結(jié)合。不論大型堆還是小型堆，公眾“心理安全”的最終支撐，還是技術(shù)安全。小型堆的建設(shè)推廣，要有足夠的宣傳和科普介入，幫助民眾對小型堆有足夠的認可和接受，避免因信息不對稱造成“反核”情緒。

高度安全和高效的電、熱、汽、水聯(lián)產(chǎn)能力，是小型堆最大的市場優(yōu)勢。相信隨著技術(shù)升級和政策的跟進，小型堆的多重價值及由此帶來的經(jīng)濟性，將為核能行業(yè)增添新的發(fā)展空間。

本欄目責(zé)編/季天也jtyair2013@vip.163.com