小型核反应堆前景广阔 全球小型堆技术赛跑

目前小堆在全球范围内已实现军事应用，但在民用领域仍受经济性的制约推广较慢。可以确定的是，随着小堆技术的持续改进，以及民用领域技术标准的规范化，小堆基于其作为分布式能源的灵活性优势具备异常广阔的应用空间。军事领域，小型核反应堆用作舰船动力以及军用基地能源保障等，以小堆为动力源的舰船具有航速快、巡航里程长等无可替代的优势。目前国际上所有在役的核航母和核潜艇全部基于小堆建设，2019 年全球基于核动力的 12搜核航母、149 搜核潜艇、2 搜核巡洋舰，共装载 205 台小堆;民用领域，小堆可用作城市供暖、偏远地区供电、海水淡化、深海开发、破冰船能源供给等。目前小堆在全球范围内已广泛用于破冰船、浮动核能平台等民用领域。俄罗斯已有 7 搜核动力破冰船用于北极地区，并已建成浮动核能平台拟用于边远地区、海岛和海上作业平台供电。

二、小型核反应堆按照冷却剂类型分为轻水堆、高温气冷堆、液态金属反应堆和熔盐堆。

目前这四种技术形式已经研发出相应的典型堆型。轻水堆技术成熟，有丰富的建设和运营经验，是目前的主流技术路线。轻水堆根据裂变热能排出方式分为压水堆和沸水堆，压水堆有数十年的安全运行经验，目前在现有小型堆设计中也以压水堆为主;气冷堆建设和运行经验不足，且受外部条件和配套设施制约;液态金属反应堆和熔盐堆在技术上尚未完全成熟。1)小型轻水堆(LWR)：采用一体化技术、安全系统非能动、安全性高的主流路线。轻水反应堆是以轻水作为冷却剂和慢化剂的反应堆，其技术成熟，设计和运行经验可以追溯到核能发电起步和大规模推进时代。小型轻水堆将传统的两回路变成一体化反应堆模块，将一回路设备全部集中在压力容器内。此外，安全系统全部采用非能动方式，如非能动应急堆芯冷却系统、非能动余热排出系统、自动卸压系统等。轻水堆是目前的主流路线。

2)高温气冷堆(HTGR)：具备固有安全性，任何事故下都能安全关闭反应堆。高温气冷堆属于热中子反应堆，以石墨为慢化剂，氦气为冷却剂，涂覆颗粒燃料，具有热效率高(40%)、燃耗深(可达 20MWd/t 铀)、转化率高(0.7%)等优点。由于氦气具有良好的化学稳定性、良好的传热性能和较低的诱生放射性，停堆后可排除余热，具有良好的安全性能。模块化高温气冷堆具有小型化和固有安全性等特点，在技术上保证在任何事故下都能安全关闭反应堆，即使在冷却剂流失的情况下，堆芯的余热也可依靠自然对流方式排出，其堆芯温度上升缓慢，使燃料元件最高温度限制在允许温度 1600℃以下。

3)液态金属反应堆：以液态金属为冷却剂，可在高温低压下运行。液态金属反应堆是用液态金属作为冷却剂的反应堆，由于液态金属具有良好的导热性能，无辐射膨胀问题，芯部结构简单，可在高温低压下运行。液态金属反应堆由反应堆、一回路、中间回路、二回路和推进轴系所组成。冷却剂使用熔融金属，如钠、钾、铋、铅及其合金。一回路中，熔融金属钠载热，运行压力 5-7 个大气压。一次回路主泵采用电磁泵，无转动部件，可靠性高。钠和钾作为中间回路的载热剂。中间回路的一次传热是通过中间热交换器，将反应堆的热量通过蒸汽发生器传递回二回路，在蒸汽发生器中产生过热蒸汽。

4)熔盐堆(MSR)：堆型紧凑轻便、低成本，采用无水冷却，可在干旱地区高效发电。熔盐反应堆是以高温熔盐为冷却剂，在高温下保持较低蒸汽压从而降低机械应力的核裂变反应堆。与熔融钠冷却剂相比，提高了安全性，降低了活性，由于温度高、压力低、化学稳定性好、高热容等特点，熔盐堆不需要使用较贵的高压容器，适用于建成紧凑、轻便、低成本的小型模块化反应堆。熔盐反应堆采用无水冷却技术，只需少量水即可运行，能在干旱地区高效发电。熔盐反应器的高温核热可用于甲醇发电、工业热应用、高温制氢和吸氢二氧化碳生产。在国际上，最具代表性的研发机构和产品是日本富士公司的 Fuji MSR 反应堆，发电功率为 100 兆瓦。

三、全球小型核反应堆建设加快，目前在推进的小堆超 70 个

小型核反应堆最早在 1950s 就首先由美国用于军事领域，目前小堆在军用方面已较为普遍，但民用领域更加考虑安全性和经济性，基本尚未起步。自 2011 年福岛核泄漏事故发生以来，全球范围内的核能发展普遍陷入低潮，新建核能项目都需将安全性和公众接受程度放在首位。因此，近年来高安全性和高灵活性的小型核反应堆成为各国“核能复兴”的重要助力，全球小堆建设或将加快。

近几年美国、俄罗斯、阿根廷等国均积极部署小堆的建设，美国的小堆发展项目通过与核工业企业分摊成本，来刺激小堆技术的商业化进程，主要目的是取代不符合排放标准的热电厂，美国的 NuScale 发展较快。俄罗斯核电巨头 Rosatom 在科拉湾海域建成浮式小堆项目。其他处于先进阶段的小型反应堆有正在建造中的阿根廷的 CAREM 反应堆、获得了标准设计合格证的韩国一体化模块式反应堆 Smart 等。据国际原子能机构(IAEA)统计，目前全球有超过 70 个正在设计建造的小型反应堆。

目前在民用领域商业化运行规模较大的仅有俄罗斯一个国家，我国随着“玲龙一号”示范工程的启动运行，可能是下一个商业化推广取得实质性进展的国家。俄罗斯的小堆研发类型很多，主要通过陆地或驳船方式向偏远地区输送电力、供热、淡化水用途。俄罗斯还在不断建造更先进的核动力破冰船，以满足北极地区资源开采需要。我国目前 ACP100 示范工程已启动运行，正在山东石岛湾建设商用高温气冷堆。在海上反应堆方面，中广核的ACPR50S 进入 IAEA 全球小型堆发展路线图，中核的 ACP100S 以及中船的 HHP25 也正在进行中。

四、中国“玲龙一号”示范工程启动，有望加快小堆产业化进度

从自主研发三代核电技术“华龙一号”到“玲龙一号”，我国核电正在形成“双龙出海”。除了全球领先的大型三代核电技术“华龙一号”，研发具有更高安全性、适宜经济性、更短建造周期的模块小型堆也是中核集团的主攻方向，中核将最早研发出的小型堆取名为“玲龙一号”，堆名为 ACP100。“玲龙一号”示范工程目前已经启动运行。中核集团于 2010 年正式启动玲龙一号专项科研工作，2016 年 4 月成为全球首个通过国际原子能机构(IAEA)通用安全审查的小型堆，也是全球小堆发展的一个重要里程碑。2017年 5 月，海南昌江“玲龙一号”示范工程获发改委同意开展前期工作，成为国内首个获批开展前期工作的小堆示 范项目，项目规划建设 1 台“玲龙一号”机组，单堆功率 12.5 万千瓦。2019 年 7 月 18 日，中核集团宣布启动我国多功能模块化小型堆(玲龙一号)示范工程。

“玲龙一号”在现有成熟压水堆核电技术基础上，采用“一体化”反应堆设计和“非能动”安全系统，其安全性能达到第三代核能系统技术水平。国际原子能机构审查认为，“玲龙一号”是个创新的小型压水堆设计，采用的“固有安全+非能动”的安全设计，能够处理极端环境条件和多种故障，达到国际和国内先进水平。

“玲龙一号”示范工程是商业性示范工程，用以验证设计、制造、建造和运行技术，积累小型核电站的经验，在未来能源市场上作为其它能源以及大型核电站的有力补充，逐步开辟小型反应堆的商用市场。“玲龙一号”定 位核能综合利用，单机热功率为 385 兆瓦，电功率约为 13 万千瓦，两台玲龙一号机组可替代一座 20 万千瓦左右的燃煤热电厂，另外，我国每年的工业蒸汽需求约 9 亿吨，使用核能替代燃煤生产蒸汽，可大幅降低能源消耗、减少温室气体排放。目前采用的经济分析模型主要考虑单纯发电。未来，随着示范堆的推广，小堆在提供工业蒸汽、海水淡化、区域供热等领域批量化、多用途的实现，经济性将会显著提升。