小型模块化反应堆发展趋势及前景

周蓝宇+齐实+周涛

摘 要：大型核电厂前期投入高、建造时间长、选址要求高，对核能发展产生限制。结合我国的基本情况，从小堆的发展现状、现有类型出发，对小堆的发展前景和趋势进行分析。小型反应堆具有体积小，功率比大，适应性好等特点，可以很好的弥补以上核电厂缺点，且适应领域广泛，发展方向众多，未来有重要应用。

关键词：小堆；发展现状；现有类型；应用前景

中图分类号：TM623 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）21-0195-02

随着全球能源日益紧张，核能作为可靠的清洁能源得到越来越多的重视。由于大型商业化反应堆存在建造周期长，建设成本高等问题，小型化反应堆成为核能发展的一种新的途径。

根据反应堆功率大小，国际原子能机构[1]将电功率小于300MW的反应堆成为小型堆。小型核反应堆[2][3]由于其体积小、价格低、经济性好等优势[4][5]被各国广泛关注。结合我国目前状况，分析小堆特点及发展趋势，拓展应用，对我国能源及其他工业领域发展的有特别重要的价值。

1 小堆定义

小堆，是“小型先进模块化多用途反应堆”的一种简称。其显著特点为功率小、建设周期短、布置灵活、适应性强、选址成本，因此小堆得到广泛应用。小堆的流程如图1所示。

从图1中可知，小堆堆芯内置蒸汽发生器，可以较高的提高蒸汽利用效率，大大提高经济性。另外，由于小堆的功率小，以及其一体化设计，可以大大降低占地空间。除常规地区外，还可应用于海上核动力装置和空间核动力装置。

2 小堆发展现状

2.1 各国小堆发展现状

由于小堆具有诸多优点，美国、俄罗斯、韩国等国家都在大力发展小堆。各国小堆的基本情况如表1所示。

从表1中可知，各国小堆目前设计多数堆芯为压水反应堆。另外，熔盐堆等新型堆主要在概念设计阶段。目前，巴威公司的mPower反应堆在美国受到推崇，打算与2022年实现原型堆。在俄罗斯，有5种不同的小堆原型堆正在同步研发。打算率先应用于KLT40s浮动核电站。与此同时，韩国完成了功率为330MW的SMART堆的设计工作，并做了大量安全分析工作，打算应用于工程建造。

2.2 我国小堆发展现状

在我国，中国核工业集团公司、中国广核集团公司、国家电力投资集团公司、清华大学、中国科学院核能安全技术研究所等单位都在开展小堆的前期工作。甚至中船重工集团也涉足其中，进行了海洋核动力平台的研发，初步形成了25MW、50MW、75MW、100MW不同功率匹配的海洋核动力平台方案。在我国，小堆设计多重多样，竞相开放。中核集团投入5亿余元进行ACP100的研发工作，目前已经转入工程设计阶段。打算在福建莆田市进行示范工程建设，建设两台100MW的机组。其关键设备和软件均实现自主化。中国广核集团设计了ACPR100和ACPR50S，打算应用于海上浮动平台。国家电投集团中主营核电板块的国家核电技术公司也正在积极研发自己的小堆“CAP150”。中科院核能安全技术所在铅铋反应堆基础上，正在积极开发只有集装箱大小的“核电宝”。

3 小堆类型

3.1 轻水反应堆

小型模块化反应堆[5]多数以现有的反应堆堆型为基础进行小型化设计，因此，作为重要商用堆型的压水反应堆，小型轻水反应堆也是一种重要的类型。目前，大部分的轻水反应堆设计采用压力容器内置蒸汽供应系统的设计即一体化压水反应堆如图2所示。

从图2知，现有的压水堆采用了非能动的设计安全理念，小型轻水反应堆的安全性可以得到保障。也是比较好的堆型。其中，我国的NHHR-200是一个简单而耐用的200MWt一体化压水堆，其主要设计用途为海水淡化和部分地区供热。

3.2 高温气冷反应堆

目前，华能集团联合清華大学进行高温气冷堆堆芯[6]的设计。清华大学在高温气冷反应堆方面具有丰富的经验，其在北京市昌平区建有原型反应堆。另外，山东石岛湾的高温气冷堆示范工程也在建设中。高温气冷堆如图3所示。

从图3可知，高温气冷堆能提供高温（达到950℃）氦气通过热交换进行工业应用或直接驱动气轮机发电（布雷顿循环），产生接近50%的效率。同时，由于高温气冷堆燃料原件设计的合理性，使其固有安全性大大的提高，因此，小型化的高温气冷堆在海洋平台得到广泛的应用。

3.3 熔盐反应堆

熔盐反应堆[7]由美国橡树岭国家实验室首先提出，最开始设想将其应用于核动力航空飞机，这种反应堆堆芯结构十分简单，运行过程中可以连续添加燃料和去除裂变产物，在熔盐反应堆里，燃料是锂氟化物盐以及溶解的钍和233U的氟化物的熔融混合物。熔盐堆如图4所示。

从图4可以看到，一回路的热量被传递到二回路后，裂变产物溶解在熔盐里，继续持续的转换。由于熔盐堆设计的合理性和运行中连续去除裂变产物和添加燃料，有效的减少停堆次数，因此，熔盐堆在空间小堆方面也得到应用。

4 小堆的应用前景及发展趋势

4.1 小堆的应用前景

小型模块化反应堆除了具有传统反应堆单一的发电功能以外，还有许多的工业用途。其主要表现为热电联产、工业供热和海水淡化等。其最大的市场优势在于其固有的高安全性和高效率的热、电联产能力。具有很好地经济性，能够满足不同用户的需要。正因如此，小堆除了可以为城市供电外，还可以热电联产、提供海上及海岛核动力、空间核动力等。

4.2 国外小堆的应用发展趋势

在过去几年中，小堆项目得到了很大的进展。世界各国都在积极发展小堆。其中，阿根廷的CAREM-25和俄罗斯的KLT-40S小堆示范工程已经开始建设，其中小堆采用模块化建设，每个模块最大发电能力为10万千瓦，一个核电厂包含2-6个模块，这些模块可以根据具体的厂址进行合理的安放，具有灵活性。

4.3 中国小堆的应用发展趋势

目前，我国已经有多个省份打算进行小堆建设。根据各省地理条件的不同，小堆用途也不尽相同。其中，福建等沿海省份主要采用小堆进行海水淡化处理，南海岛礁等主要采用小堆进行海水淡化和热电联产。吉林等高纬度省份主要采用小堆进行供热，江西和湖南等内陆省份由于缺少煤炭等化石能源，电力发展不平衡，由于小堆选址和经济性较好，也得到了广泛的应用。

5 结束语

由于小型反应堆采用一体化结构和非能动等安全理念，具有较好的安全性；其结构小，模块化安装等优势可以广泛应用于空间和海上浮动平台。在当今的环境下，发展小堆是我国能源发展的选择之一。

参考文献：

[1]IAEA. Advance in SMR technology development[R].Vienna： IAEA， 2014.

[2]马文军.小堆的“热”与“冷”[J].中国核工业，2013（10）：14-15.

[3]Benjamin Vegel， Jason C. Quinn. Economic evaluation of small modular nuclear reactors and the complications of regulatory fee structures [J]. Energy Policy， 2017（104）：395-403.

[4]陈文军，姜胜耀.中国发展小型堆核能系统的可行性研究[J].核动力工程，2013，34（2）：153-156.

[5]邱志方，邓坚，陈宏霞，等.模块式小堆超压风险及设计优化研究[J].原子能科学技术，2016，50（1）：113-117.

[6]吴宗鑫.我国高温气冷堆的发展[J].核动力工程，2000，21（1）：39-43.

[7]秋穗正，张大林，苏光辉，等.新概念熔盐堆的固有安全性及相关关键问题研究[J].原子能科学技术，2009，43（s1）：64-75.