美俄小型水冷堆發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

2023 年11 月，俄羅斯國家原子能集團宣布已批準RITM-200N 小型水冷堆的技術設計，首座陸基小堆電廠部署達到重要里程碑節(jié)點。國際原子能機構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，全球已有超80 種小堆設計，其中美俄型號數(shù)量位居世界前列。在各類小堆技術路線和設計中，小型水冷堆成熟度高、研發(fā)應用進展快，成為美俄近期推動研發(fā)和出口的重點。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

美國主要小型水冷堆型號有紐斯凱爾電力公司小堆、通用電氣-日立核能公司BWRX-300、霍爾臺克國際公司SMR-160 和SMR-300、西屋公司AP300 等，電功率從7.7 萬到30 萬千瓦；俄羅斯主要小型水冷堆型號有阿夫里坎托夫機械工程實驗設計局KLT-40S、RITM-200M 和RITM-200N，多利扎爾國家動力工程研究所Shelf-M等，電功率從1萬千瓦到5.5萬千瓦。美俄兩國在小型水冷堆選型設計、燃料、應用以及研發(fā)機構(gòu)方面都具有較大差異。

1.1 選型設計

美國小型水冷堆相比俄羅斯技術選型多。美國BWRX-300 采用沸水堆技術，其余為壓水堆；俄羅斯則全部采用壓水堆技術。同時，美國多數(shù)小型水冷堆在大型水冷堆基礎上進行重新設計，一回路均采用自然循環(huán)冷卻方式設計，不設置冷卻劑泵（主泵）；俄羅斯小型水冷堆主要基于已有的破冰船核動力裝置研發(fā)，一回路仍主要采用強迫循環(huán)的冷卻方式。此外，美俄小型水冷堆多采用一體化設計，壓力容器內(nèi)置蒸氣發(fā)生器和穩(wěn)壓器。

1.2 燃料

美俄兩國主要小型水冷堆均采用氧化鈾燃料，美國相比俄羅斯燃料豐度低、換料周期短。美國小型水冷堆采用豐度低于5%的低濃鈾，換料周期18～48個月。俄羅斯主要小型水冷堆采用豐度低于20%的高豐度低濃鈾，換料周期36～120個月。

1.3 部署進展

俄羅斯小型水冷堆研發(fā)建設進展較快。俄羅斯KLT-40S小堆浮動核電廠已經(jīng)投運，RITM-200M、RITM-200N 和Shelf-M 的首堆預計分別在2027 年、2028 年和2030 年投運。美國5 萬千瓦版紐斯凱爾小堆已獲核管會設計認證、7.7 萬千瓦版正在接受審查，國外首堆預計2029 年投運。此外，BWRX-300 首堆預計2028 投運，SMR-160、AP300首堆預計將在2030年后投運。

1.4 出口動向

美國將在多個歐洲國家和加拿大建設小型水冷堆，俄羅斯小堆以國內(nèi)用戶為主。美國方面，向羅馬尼亞、波蘭出口紐斯凱爾小堆電廠，在加拿大建設BWRX-300 小堆電廠，與烏克蘭、印度尼西亞、菲律賓等國合作開展小型水冷堆研究。俄羅斯主要在聯(lián)邦內(nèi)的薩哈（雅庫特）共和國建設KTL-40S、RITM-200 系列和Shelf-M 等，并與吉爾吉斯斯坦、緬甸等國簽署小堆研究合作協(xié)議。

1.5 研發(fā)機構(gòu)

美國和俄羅斯的研發(fā)機構(gòu)性質(zhì)具有較大差異。美國小型水冷堆研發(fā)機構(gòu)主要是私營企業(yè)，其中一些機構(gòu)成立時間較晚。例如，紐斯凱爾電力公司成立于2007 年，霍爾臺克國際公司成立于1986年。俄羅斯研發(fā)機構(gòu)主要是國家原子能集團所屬的研究院，反應堆設計開發(fā)起步較早。例如，阿夫里坎托夫機械制造實驗設計局成立于1945 年，多利扎爾國家動力工程研究所成立于1942年。

2 發(fā)展動態(tài)

2023 年美俄小型水冷堆發(fā)展動態(tài)不斷。其中，美紐斯凱爾小堆海外項目進展順利，但國內(nèi)首堆項目終止；BWRX-300、SMR-160、SMR-300和AP300 持續(xù)在海內(nèi)外市場合作開展研發(fā)部署。俄進行世界首座小堆浮動電廠的首次換料，為RITM-200N 陸基小堆電廠頒發(fā)設計、建設許可證，并大力推動升級型浮動小堆電廠出口。

2.1 美國

2.1.1 紐斯凱爾小堆

2022 年12 月，美國紐斯凱爾電力公司和羅馬尼亞RoPower 電力公司簽署建設小堆核電廠的前端工程設計（FEED）合同；2023年3月，美國和印度尼西亞簽署諒解備忘錄，計劃由美國貿(mào)易和發(fā)展署向印尼電力公司提供資金，評估在西加里曼丹擬建一座小堆電廠的技術和經(jīng)濟可行性；2023年5月，羅馬尼亞布加勒斯特理工大學啟動運營美國以外的首個紐斯凱爾電力公司能源探索（E2）中心；2023 年7 月，波蘭氣候與環(huán)境部宣布原則批準波蘭銅業(yè)集團公司建設紐斯凱爾小堆電廠的計劃；2023年11月，紐斯凱爾電力公司宣布因資金和成本問題，終止愛達荷國家實驗室的紐斯凱爾小堆項目；2023年11月，紐斯凱爾電力公司宣布將與橡樹嶺國家實驗室合作進行技術經(jīng)濟評估，研究紐斯凱爾小堆具有經(jīng)濟效益的蒸汽循環(huán)設計。

2.1.2 BWRX-300

2023 年1 月，美國通用電氣-日立核能公司與多家加拿大企業(yè)就在加拿大達靈頓核電廠建設BWRX-300簽署了一份為期6年的合同；2023年2 月，愛沙尼亞費米能源公司宣布采用BWRX-300技術建設該國首座核電廠；2023年3月，加拿大核安全委員會宣布BWRX-300 通過第一和第二階段供應商預許可設計評審（VDR）；2023年7月，通用電氣-日立核能公司宣布正在與加拿大安大略電力公司合作，計劃在達靈頓核電廠再額外部署3 座BWRX-300 小堆；2023 年12 月，波蘭氣候與環(huán)境部宣布原則批準在六個地點建設24座BWRX-300小堆的計劃。

2.1.3 SMR-160、SMR-300和AP300

SMR-160 和SMR-300 方面，2023 年4 月，美霍爾臺克國際公司與烏克蘭國家核電公司簽署協(xié)議，計劃在烏克蘭建設20 座SMR-160 小堆。2023 年12 月，英國政府基于未來核使能基金計劃向霍爾臺克國際公司英國分公司提供3000萬英鎊贈款，用于SMR-300 的第一階段和第二階段的通用設計評審。

AP300 方面，2023 年6 月，美國西屋公司與芬蘭富騰公司簽署諒解備忘錄，計劃在芬蘭和瑞典建設AP300 和AP1000 反應堆。2023 年7 月，西屋與斯洛伐克JAVYS簽署關于在斯洛伐克部署AP1000 反應堆和AP300 反應堆的諒解備忘錄。2023年9月，西屋與烏克蘭國家核電公司簽署諒解備忘錄，計劃在烏克蘭開發(fā)和部署AP300反應堆。

2.2 俄羅斯

KLT-40S方面，2023年11月，擁有兩座KLT-40S反應堆的羅蒙諾索夫院士號浮動核電廠進行首次換料。RITM-200N 方面，2023 年4 月，俄羅斯聯(lián)邦生態(tài)、技術與核能監(jiān)督局向俄原集團頒發(fā)在雅庫特建設RITM-200N 陸基模塊化小堆電廠的建設許可證；2023 年11 月，俄原集團宣布已批準RITM-200N 的技術設計；2023 年12 月，俄原集團宣布已開始制造RITM-200N 各種部件。RITM-200M 方面，2023 年6 月，俄原集團與TSS 集團簽署協(xié)議，建立合資公司，開拓RITM-200M浮動小堆電廠的海外市場。Shelf-M微堆方面，2023 年8 月，俄原集團宣布已在北極地區(qū)為Shelf-M微堆選定五個潛在廠址。

3 發(fā)展趨勢

3.1 小型水冷堆逐漸成為美國核能出口重點

美國能源部認為，美國在全球核能和核技術的競爭中正在失去領導者地位，提出要加強技術優(yōu)勢，并推動技術出口，恢復核能優(yōu)勢。能源部將小型模塊化反應堆等先進反應堆作為未來發(fā)展的重點，認為小堆實現(xiàn)預期成本目標的確定性更大，并且有利于迅速擴大核電規(guī)模。但是，美國小堆發(fā)展存在眾多制約。能源部研究報告顯示，小堆等先進核能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展存在燃料和部件供應短缺、許可時間長等問題。其中，被列入美國先進反應堆示范計劃的Natrium 反應堆就因高豐度低濃鈾供應問題將延后至少兩年投運。在眾多技術路線和設計的小堆中，美國小型水冷堆可依托現(xiàn)有的大堆燃料的供應鏈和技術許可，實現(xiàn)快速應用。因此，小型水冷堆正逐漸成為美國核能出口的重點，將成為美國能源部和企業(yè)亟待的早期商業(yè)案例，幫助推動美國核能出口并重建競爭優(yōu)勢。

3.2 小型水冷堆將促進俄羅斯北極經(jīng)濟發(fā)展

俄羅斯注重北極發(fā)展，認為北極地區(qū)發(fā)展存在挑戰(zhàn)和威脅，包括依賴化石能源、高科技和知識密集型產(chǎn)業(yè)增長放緩等。為保障北極利益、確保偏遠地區(qū)用電需求，俄羅斯提出建設RITM-200N 示范電廠、開發(fā)Shelf-M 等，同時確保小型模塊化反應堆擁有廣泛供應國內(nèi)市場和出口的能力。目前，KLT-40S 運行所在地佩韋克、RITM-200M 計劃部署地點楚科奇等均位于俄羅斯聯(lián)邦的北極地區(qū)，這代表俄羅斯正借助小型水冷堆促進北極地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，逐步推進其國家目標的實現(xiàn)。

3.3 無核電國家成為美俄小型水冷堆重要市場

對于無核電國家而言，安全性是影響該國引進核能的重要考量因素。新加坡國立大學、東盟與東亞經(jīng)濟研究院等機構(gòu)研究報告顯示，無核電國家缺乏運行大型反應堆的相關專業(yè)知識和人才隊伍等基礎，并且大型反應堆功率和規(guī)模較大，國土較小的國家難以控制和承受相關事故風險。相比于大堆，更多采用非能動安全設置的小堆更易于被政府和民眾所接受。目前，美俄兩國都大力推動向歐洲、東亞和非洲等無核電國家出口小型水冷堆。美國已確定在波蘭、愛沙尼亞分別建設紐斯凱爾小堆、BWRX-300 小堆，并推動向印度尼西亞、菲律賓等國出口。俄羅斯與緬甸、吉爾吉斯斯坦合作開發(fā)小堆，還將成立專門企業(yè)，向中東、東南亞和非洲等國家推廣出口小堆浮動核電廠。

4 結(jié)語

美俄正在大力推動小型水冷堆技術發(fā)展和出口，美國紐斯凱爾小堆、BWRX-300 小堆和俄羅斯Shelf-M 微堆都實現(xiàn)安全特性上的升級，可實現(xiàn)不同程度的自然循環(huán)冷卻，并減少對運行人員和能動安全系統(tǒng)的依賴，在國際核能市場的關注較高。根據(jù)當前小型模塊化反應堆發(fā)展態(tài)勢，小型水冷堆在各類小堆中技術成熟度最高、部署進展最快，也最有希望成為小堆中率先實現(xiàn)商業(yè)化運行的堆型，但與其它類型的小堆相似，缺乏長期、良好的運行實踐，并面臨監(jiān)管、經(jīng)濟性和廢物處置等方面的嚴峻挑戰(zhàn)。