小型模块化反应堆：部署的障碍是什么?

今天，世界 10% 的电力(以及 26% 的低碳电力)由核电站产生。许多国家的政府已记录并承认核电对应对气候变化的当前和未来潜在贡献。

尽管格拉斯哥 COP26 的最终公报没有提及核电——与所有早期的 COP 会议一样——大多数展望低碳或净零碳未来的情景都包括重要的核能贡献。然而，在现有的核电国家和许多潜在的新加入者中，公众对更多的核电站表示怀疑甚至反对。哪些新的发展可能会提高公众对该技术的接受度?

今天，超过 60 种新的反应堆设计正在开发中，它们的共同特点是体积小。

这些小型模块化反应堆 (SMR) 的每个模块的容量通常低于 300MWe，它们基于广泛的技术，其中一些从未商业化部署。一些 SMR 设计处于高级开发阶段，前几个正在部署中。

然而，SMR 是否会成为全球能源供应的重要组成部分尚不清楚。

如果 SMR 要成为全球核能改变游戏规则的场景，则必须解决的挑战是：

• 清楚地展示了 SMR 所提供的安全改进和其他好处
• 具有竞争力的经济性的令人信服的案例——每千瓦时安装和每千瓦时生产
• 完善的国际监管体系，加强许可和监督，同时建立公众和政治支持
• 可靠的乏燃料管理战略，包括国家深层地质处置库、多国处置方案和供应商“收回”乏核燃料 (SNF) 的方案
• 对足以支持“生产线”工厂制造的 SMR(生产电力、工艺热或氢气)的需求
• 政府为首个 SMR 提供政治、财务、监管和组织支持。

SMR 提供的改进

任何核动力反应堆的主要技术挑战是实现非常强大的安全性能，以便事故发生的可能性很小并且事故后果可以得到管理。新的 SMR 反应堆概念旨在通过一种设计来实现这一目标，该设计基于实验证据、分析、测试性能和运行经验与足够相似的系统的组合以提供保证。

有证据表明，基于运行大型反应堆的广泛经验，大多数 SMR 将比现有反应堆安全得多。

提高安全性的一般广泛特征是明确的。SMR 较小的尺寸意味着在事故条件下需要去除的废热和管理的放射性要少得多。系统配置和控制系统的进步使 SMR 更易于控制。

控制所需的操作员操作更少(在某些情况下不需要)。SMR 设计通常使用被动功能来完成安全功能，因此可能发生故障的主动系统较少(并且在某些设计中没有主动系统)。在一些 SMR 中，无源系统允许反应堆实现安全关闭状态，而无需硬件或操作员的主动干预。SMR 设计利用了先进技术(更好的材料、更可靠的设备、用于监测工厂状态的先进传感器技术、人工智能技术)。

最后，SMR 将更容易检查和维修，因为方便检查和维修通常是设计标准之一;工厂制造将提供更好的质量控制，模块之间的可变性更小，因此更可预测的操作参数。

更重要的是，场外应急准备的难度会降低，因为潜在事故的场外影响会更小、更本地化。

可以减轻选址要求的其他优势是更小的设施占地面积和更低的放射性库存。对于一些 SMR，乏燃料和放射性废物的储存负担将不那么复杂，成本也更低。SMR 的一个重要的额外积极特征是，由于它们的模块化和多功能性，它们可能更容易集成到主要基于可再生能源的能源系统中。

综合考虑，众多不同的安全改进和优势应该会减轻许多地方公众对这些新 SMR 的接受度。

SMR的经济学

与目前主导市场的大型反应堆相比，预计 SMR 的财务风险敞口更低，发电成本可能更低。

单位规模约为当今反应堆规模的十分之一到四分之一——在某些情况下甚至更小——意味着每个反应堆的前期资本承诺较低。但他们需要 SMR 特有的优势来弥补导致反应堆增加到 1600MWe 的规模经济。

SMR 将主要在工厂制造并交付到发电现场，这将使按时和按成本完成工厂成为常态。设计简单性还应控制施工成本和交付时间表。

SMR 可以逐步添加到大型电网中，以灵活地匹配电力需求的增长，或者在需求不确定的情况下，取代退役的核电和非核电容量。它们也可以部署在电网较小或不太稳定的市场中，这可以提高它们的经济价值。

一些 SMR 概念还旨在提供电力以外的能源服务，包括过程和区域供热、海水淡化或氢气，从而扩大 SMR 市场潜力。SMR 的经济性在很大程度上受这些因素的影响。

SMR 要成为改变游戏规则的人，他们必须能够充分利用模块化和工厂中批量生产的大量工厂提供的技术学习。只有这样，投资成本“买入”的动态才能使 SMR 具有竞争力。这是“先有鸡还是先有蛋”的问题，因为大多数 SMR 设计都是“首创”。

迄今为止，不存在可作为技术学习评估起点的可靠隔夜投资成本。隔夜投资成本(每千瓦时)和发电成本(每千瓦时)最初预计将高于大型反应堆——这会阻碍快速市场渗透和部署。对于第一批 SMR，每个模块较低的前期资本要求和更容易的融资计划不太可能弥补这一劣势。

获得前期资金以及为新能源设施筹集资金的成本受到技术链是否被认为在其整个生命周期内可持续的影响。那些被判断为满足此标准的产品将包含在可接受能源的正式清单或分类中。太阳能和风能就是例子，但关于核能的争论一直存在。

SMR 的经济性还取决于市场规模和试图进入市场的竞争者数量。虽然开发人员之间的设计多样化和竞争有其优点(带来最好的技术)，但它是技术学习、降低成本和市场采用的障碍。如果没有大量市场采用特定设计，生产量可能不足以进行大规模生产并导致学习减少。

SMR 项目的成本还将取决于许可和实施所需的时间。虽然从工厂订单到电网连接的预计交货时间通常约为三年(大型反应堆几乎减半)，但与监管批准、许可和利益相关者参与管理政治和公众反对相关的不确定时间框架不太可能改变，直到加强了解 SMR 在能源安全方面的安全特性、系统环境中的性能和环境效益。标准化监管和许可可以显着缩短施工前的交货时间。

不确定性仍然是私营部门赞助的主要风险因素。承认和支持 SMR 作为“气候友好”技术的公共气候政策可以减轻这些私人投资者的风险担忧，无论支持是直接的(政府拥有所有权)还是间接的(积极的政策)。

统一的监管体系

SMR 面临的主要挑战之一是需要在合理的时间内以可接受的成本在供应商和用户国家/地区获得设计和运营许可。

新反应堆设计的许可过程通常很慢，新 SMR 设计的许可过程可能会更慢，因为监管机构缺乏这些设计的经验，而且一些新功能可能需要耗时的实验证据。

由于 SMR 的功率容量较小，商业化的门槛将要求获得许多反应堆的订单，因此 SMR 供应商必须获得许多国家的国家监管机构的许可。国家核监管机构有不同的国家法律和许可方法，导致一个耗时且成本高昂的过程，即使是最有前途的设计也将延迟部署，并可能构成不可逾越的障碍。

各种国际组织以及政府和行业团体就如何克服 SMR 许可障碍提出了许多建议。加强国家法规的统一甚至标准化可能是有益的。

一种没有得到足够重视的方法是建立一个由国际原子能机构(IAEA)牵头并得到世界各地主要国家核监管机构支持和积极参与的协调一致的国际监管体系，特别是针对中小型反应堆的监管体系。这将加快供应商和用户国家的许可。这样的举措没有最终的许可授权，但会受到新 SMR 设计的开发商和供应商的欢迎，因为它可以减少在全球范围内获得许可所需的时间和资源。

该方法将涉及由原子能机构领导的机制来审查和批准新设计。一旦新的 SMR 设计获得此类国际监管机制的批准或认可并获得国家监管机构的许可，它就更容易在其他国家获得许可。

该倡议可能是迈向更强大和更有能力的国际监管和安全制度的第一步。它可以为强制性国际检查制度铺平道路，有责任和权力审查和批准所有新的反应堆设计，对所有运行中的反应堆进行定期检查，并公布调查结果，以向运营商、政府和广大公众保证核安全全世界的动力反应堆。

这种更强有力的国际监管制度将补充而不是替代将继续承担主要责任的国家安全和监管制度。但它可以就本国和邻国核设施的安全性向任何国家或国家集团的公众提供独立保证。

乏燃料管理

为了让政治家、监管机构和公众接受任何核能系统，开发人员必须能够证明有一个可靠的策略可以安全地处理放射性废物。

对于基于当前 LWR 技术的 SMR 设计，乏燃料的细节可能不同(浓缩度、尺寸等)，但可以像现有大型 LWR 一样进行管理。

对于基于液态金属或气冷反应堆、球床反应堆或熔盐反应堆的其他 SMR 概念，没有工业规模的标准化方法将乏燃料调节或包装成适合在地质处置库中处置的形式。一些 SMR 乏燃料具有良好的特性，例如锕系元素浓度较低或热密度低。在某些情况下，对于球床燃料，低热密度被每单位能量输出的高比废物体积所抵消。

所有这些技术挑战当然都可以解决，尽管在通常建议的乐观时间尺度上这是否总是可行还不清楚。

地质处置库对乏燃料安全处置的适用性已被广泛接受，最近在欧盟研究范围内进行的分析也证实了这一点。

如果要广泛引入 SMR，则必须解决更广泛的战略乏燃料管理问题。必须多久进行一次加油?这将在现场完成，还是将核心运送到中央设施?如果工厂生产的反应堆模块被退回供应商，乏燃料在那里进行调节，供应商是否能够安排在其本国或其他地方的跨国设施中进行处置?

今天，唯一同意接受从国外反应堆返回的乏燃料的国家是俄罗斯。其他一些潜在的 SMR 供应国的政策或法律目前会阻止他们接受退回的乏燃料。然而，如果核反应堆的用户可以免除乏燃料处理的责任，那么新的核国家选择 SMR 的动力将大大增加。

潜在市场需求

SMR 的多功能性最终可能成为其广泛采用的主要驱动力。与大型核电站一样，它们可以提供区域供热和电力。这对于偏远地区的小型 SMR 特别有价值，因为化石燃料是基荷电力的唯一替代来源。一些 SMR 设计可以在比大型 LWR 更高的温度下提供热量，这些设计可用于特定行业，例如炼钢、煤气化、制氢和石油精炼。另一个关键应用可能是海水淡化。

如果采用基于可返回工厂的制造单元的模块化设计，使用 SMR 为任何这些关键工业活动提供动力，尤其是在远程站点，将面临更少的挑战。为了实现这种分布式、本地化实施的愿景，它们必须具有成本竞争力，并且必须有足够多的站点获得本地认可。

最适合 SMR 的国家是现有的或新的核电国家，它们：

• 被新 SMR 设计的被动安全特性所说服
• 被逐步增加能力的可能性所吸引，这可能会缓解资金需求
• 需要为离网社区供电。

SMR 也可能对以下新进入国家特别感兴趣：

• 希望从一个小型核能计划开始
• 无法承担大型反应堆的前期投资
• 有一个不太强大或较小的国家电网。

许多国家已经表达了对实施 SMR 的公众兴趣。有些是潜在的供应商;其他人是潜在的新用户或有他们有兴趣扩大的核电计划。

悬而未决的问题是，在相对不远的将来，这一总市场量是否足以填补一条 SMR 生产线的订单。

除非供应商基础进行重大整合，否则任何 SMR 开发商都很难为工厂生产做准备。供应商数量将因 SMR 的技术特性以及开发商获得政府或私人融资的能力而减少。挑选赢家对这些投资者来说是一项危险的工作，但如果 SMR 要及时和足够数量地投入使用，从而为缓解气候变化做出重大贡献，这是不可避免的。

政府在核电政策中的作用

今天商业运行的核反应堆设计很少，它们都得到了某种形式的政府支持，以帮助它们建立市场。

引入新设计的门槛一直很高，因此今天世界各地运行的大多数反应堆都是从用于潜艇推进装置的早期轻水反应堆设计演变而来的。SMR 的情况会有所不同吗?有积极迹象表明，旨在成为 SMR 供应商的国家的政府愿意提供帮助。在俄罗斯和中国，这是由政府为 SMR 设计提供所有资源来完成的。西方国家也提供了直接的财政支持，例如在美国和英国，但主要用于第一个同类设计所需的研究工作。

SMR 所需的相对较低的资金可能使所有初始资金都由私营部门提供。美国、英国、加拿大、挪威、阿根廷等地有许多小型初创公司，其中一些正在吸引私人投资者。他们获得融资的能力也可能取决于核能是否包含在清洁和可持续能源的分类中。

个别国家可以为国内项目或在国外赞助的项目做出此决定(例如俄罗斯就是这种情况)。但为了进入全球金融市场，需要在多国协议中明确承认核能是可持续的。

在欧盟，这是一个非常有争议的问题，因为分类法要求在生命周期的基础上进行“无重大伤害”评估才能获得资格。在欧盟联合研究中心的广泛积极报告之后，欧盟委员会于 2021 年底做出了将核能纳入分类的决定，但这面临着一些成员国的持续反对，而且它仍需得到欧洲议会的批准。

广泛采用小型模块化反应堆的障碍是什么?

广泛采用 SMR 的最大障碍是：

• 证明正在开发的设计提供了更高的安全性，并且可以按时建造，并且每兆瓦的资本成本和每千瓦时的生产成本具有竞争力。
• 简化和协调供应商所在国家和潜在用户所在国家/地区的监管许可流程。
• 将潜在供应商的范围缩小到足以确保足够的市场需求以允许采用工厂生产方法。

需要采取什么行动来克服部署 SMR 的障碍?

• 为了克服这些障碍，政府，特别是世界领先经济体的政府有必要：
• 认识到核能在公正、可靠和清洁能源转型中的作用
• 支持 SMR 的加速、采用和商业化

支持建立一个由原子能机构牵头的协调一致的国际监管体系，特别是针对中小型反应堆的监管体系，作为迈向建立健全和授权的国际监管和安全制度的第一步。

如果所有挑战都得到满足，那么 SMR 就可以合理地被提出来作为核能的游戏规则改变者，从而提高公众和政治的接受度。