◎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(dòng)核電站正式開工。與動(dòng)輒占地?cái)?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(jī)，還被視為“核能工業(yè)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，開創(chuàng)了核能多用途的新時(shí)代。在大型堆主導(dǎo)核電市場(chǎng)的今天，小型堆有何獨(dú)到優(yōu)勢(shì)？它是來補(bǔ)缺的，還是來叫板的？

我國開發(fā)的海上浮動(dòng)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(shì)互補(bǔ)

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(dòng)力裝置，動(dòng)輒是1000兆瓦級(jí)發(fā)電功率（1兆瓦=1000千瓦）的大家伙。國際原子能機(jī)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(jì)、設(shè)備系統(tǒng)模塊化工廠預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)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(gè)概念容易混淆。

其實(shí)，小型堆已有半個(gè)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(dòng)力艦艇用的燃料系統(tǒng)也是小型堆。據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)2013年的統(tǒng)計(jì)，全球運(yùn)行中的中小型堆共計(jì)132座，其中中型堆106座，小型堆26座，總裝機(jī)容量超過6萬兆瓦，累計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)達(dá)5082堆年。（堆年是一個(gè)乘積單位，類似客流統(tǒng)計(jì)中的“人次”，比如5個(gè)運(yùn)行1年的反應(yīng)堆是5堆年，3個(gè)運(yùn)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(yùn)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(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，小堆將進(jìn)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(shì)，在技術(shù)和應(yīng)用方面與大型堆各有優(yōu)勢(shì)，互為補(bǔ)充。21世紀(jì)初，國際原子能機(jī)構(gòu)明確表示，將鼓勵(lì)發(fā)展和利用安全、可靠、經(jīng)濟(jì)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(gè)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，最有可能在中短期內(nèi)推廣。

小型堆與大型堆規(guī)模對(duì)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(shì)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(yùn)到建造地進(jìn)行組裝，不僅更便捷，也使得它的造價(jià)得到了進(jìn)一步改善。此外，小型堆還可以拓展多用途設(shè)計(jì)，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(yùn)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(yuǎn)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(jī)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(rèn)為，小型堆在安全性、經(jīng)濟(jì)性、核不擴(kuò)散能力以及無需現(xiàn)場(chǎng)換料方面，具有較大的優(yōu)勢(shì)。

小型堆放射源項(xiàng)小、體積小、功率密度低，因此固有安全性優(yōu)勢(shì)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(jī)、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(jì)，冷卻劑泵、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)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(shí)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(dòng)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(diǎn)減少了小型堆發(fā)生場(chǎng)外事故（5～7級(jí)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(jí)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(gè)反應(yīng)堆運(yùn)行一萬年才會(huì)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(chǎng)推廣概況 來源：中核集團(tuán)

省工期 少換料 更經(jīng)濟(jì)

小型堆模塊化的特點(diǎn)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(jìn)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(shí)間就能搞定，使得建廠成本和投資風(fēng)險(xiǎn)大大降低，同時(shí)能較快得到回報(bào)。此外，批量化生產(chǎn)建造還有利于質(zhì)量控制，從而增強(qiáng)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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。國際原子能機(jī)構(gòu)建議，部分小型堆可以根據(jù)自身特點(diǎn)和實(shí)際情況，設(shè)計(jì)成為無需現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(cái)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(yuǎn)的地方使用。

各核電國研發(fā)勢(shì)頭正盛

世界各核能發(fā)達(dá)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(duì)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(shí)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(gè)國家聯(lián)合研發(fā)了“IRIS”——國際革新安全反應(yīng)堆。該項(xiàng)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(jìn)輕水堆的設(shè)計(jì)成果，因此其設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)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(dòng)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(jī)組，在堆芯正常運(yùn)行狀況下，依靠強(qiáng)制循環(huán)進(jìn)行冷卻；在發(fā)生緊急事故時(shí)，應(yīng)急冷卻則依賴于自然對(duì)流進(jìn)行。搭載2臺(tái)KLT-40S反應(yīng)堆的俄首座浮動(dòng)式核電廠“羅蒙諾索夫院士號(hào)”（AcademicianLomonosov），預(yù)計(jì)于2019年在楚科奇（Chukotka）投入運(yùn)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(duì)于小型堆的發(fā)展也不甘人后。該國原子能研究所設(shè)計(jì)的SMART，是一臺(tái)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(jì)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(jì)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(xiàng)為期3年的初步研究，以評(píng)審在沙特建設(shè)首座SMART的可行性，預(yù)計(jì)造價(jià)為10億美元。同年9月2日，兩國又簽署進(jìn)一步加強(qiáng)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(yùn)輸。

我國小型堆全球首個(gè)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(jì)、建設(shè)、運(yùn)行小型堆核能系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。中核集團(tuán)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(jì)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(tuán)參與編寫的《小型壓水堆核動(dòng)力廠示范工程安全審評(píng)原則》，2016年4月22日，國際原子能機(jī)構(gòu)在維也納總部向中核集團(tuán)提交了ACP100通用反應(yīng)堆安全審查(GRSR)報(bào)告，它是世界首個(gè)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(jì)，首堆建設(shè)將在2017年前后啟動(dòng)，被認(rèn)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(yuǎn)離電力主干線，城鎮(zhèn)又比較分散，大電網(wǎng)遠(yuǎn)距離供電的經(jīng)濟(jì)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(dá)4～6個(gè)月。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，對(duì)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(dòng)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(yùn)輸壓力。如能用小型堆代替小火電機(jī)組發(fā)電或供熱，將是偏遠(yuǎn)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(jì)，構(gòu)造比大型堆更緊湊。

國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）正在對(duì)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(rèn)，小型堆身材小、安全性高、調(diào)峰能力強(qiáng)、用途多樣，市場(chǎng)前景廣闊是肯定的。目前國際上已有3種堆型設(shè)計(jì)啟動(dòng)首堆建設(shè)，意味著國際小型堆發(fā)展即將進(jìn)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(jì)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(duì)的是大型反應(yīng)堆，如果照搬，會(huì)使小型堆的許多優(yōu)勢(shì)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(chǎng)外應(yīng)急計(jì)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(duì)小型堆的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，并獲得各國核安監(jiān)機(jī)構(gòu)認(rèn)可需要一段時(shí)間，小型堆的商業(yè)化進(jìn)程自然不會(huì)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(hào)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(xiàng)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(jìng)爭的電力市場(chǎng)中，小型堆必然會(huì)面臨來自低價(jià)化石燃料和能獲得政府補(bǔ)貼的可再生能源的競(jìng)爭。因此，小型堆必須證明自己具備經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭力，才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。

《中國能源報(bào)》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(duì)小型堆有足夠的認(rèn)可和接受，避免因信息不對(duì)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(chǎng)優(yōu)勢(shì)。相信隨著技術(shù)升級(jí)和政策的跟進(jìn)，小型堆的多重價(jià)值及由此帶來的經(jīng)濟(jì)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