小型模塊化反應堆發展趨勢及前景

周藍宇+齊實+周濤

摘 要：大型核電廠前期投入高、建造時間長、選址要求高，對核能發展產生限制。結合我國的基本情況，從小堆的發展現狀、現有類型出發，對小堆的發展前景和趨勢進行分析。小型反應堆具有體積小，功率比大，適應性好等特點，可以很好的彌補以上核電廠缺點，且適應領域廣泛，發展方向眾多，未來有重要應用。

關鍵詞：小堆；發展現狀；現有類型；應用前景

中圖分類號：TM623 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0195-02

隨著全球能源日益緊張，核能作為可靠的清潔能源得到越來越多的重視。由于大型商業化反應堆存在建造周期長，建設成本高等問題，小型化反應堆成為核能發展的一種新的途徑。

根據反應堆功率大小，國際原子能機構[1]將電功率小于300MW的反應堆成為小型堆。小型核反應堆[2][3]由于其體積小、價格低、經濟性好等優勢[4][5]被各國廣泛關注。結合我國目前狀況，分析小堆特點及發展趨勢，拓展應用，對我國能源及其他工業領域發展的有特別重要的價值。

1 小堆定義

小堆，是“小型先進模塊化多用途反應堆”的一種簡稱。其顯著特點為功率小、建設周期短、布置靈活、適應性強、選址成本，因此小堆得到廣泛應用。小堆的流程如圖1所示。

從圖1中可知，小堆堆芯內置蒸汽發生器，可以較高的提高蒸汽利用效率，大大提高經濟性。另外，由于小堆的功率小，以及其一體化設計，可以大大降低占地空間。除常規地區外，還可應用于海上核動力裝置和空間核動力裝置。

2 小堆發展現狀

2.1 各國小堆發展現狀

由于小堆具有諸多優點，美國、俄羅斯、韓國等國家都在大力發展小堆。各國小堆的基本情況如表1所示。

從表1中可知，各國小堆目前設計多數堆芯為壓水反應堆。另外，熔鹽堆等新型堆主要在概念設計階段。目前，巴威公司的mPower反應堆在美國受到推崇，打算與2022年實現原型堆。在俄羅斯，有5種不同的小堆原型堆正在同步研發。打算率先應用于KLT40s浮動核電站。與此同時，韓國完成了功率為330MW的SMART堆的設計工作，并做了大量安全分析工作，打算應用于工程建造。

2.2 我國小堆發展現狀

在我國，中國核工業集團公司、中國廣核集團公司、國家電力投資集團公司、清華大學、中國科學院核能安全技術研究所等單位都在開展小堆的前期工作。甚至中船重工集團也涉足其中，進行了海洋核動力平臺的研發，初步形成了25MW、50MW、75MW、100MW不同功率匹配的海洋核動力平臺方案。在我國，小堆設計多重多樣，競相開放。中核集團投入5億余元進行ACP100的研發工作，目前已經轉入工程設計階段。打算在福建莆田市進行示范工程建設，建設兩臺100MW的機組。其關鍵設備和軟件均實現自主化。中國廣核集團設計了ACPR100和ACPR50S，打算應用于海上浮動平臺。國家電投集團中主營核電板塊的國家核電技術公司也正在積極研發自己的小堆“CAP150”。中科院核能安全技術所在鉛鉍反應堆基礎上，正在積極開發只有集裝箱大小的“核電寶”。

3 小堆類型

3.1 輕水反應堆

小型模塊化反應堆[5]多數以現有的反應堆堆型為基礎進行小型化設計，因此，作為重要商用堆型的壓水反應堆，小型輕水反應堆也是一種重要的類型。目前，大部分的輕水反應堆設計采用壓力容器內置蒸汽供應系統的設計即一體化壓水反應堆如圖2所示。

從圖2知，現有的壓水堆采用了非能動的設計安全理念，小型輕水反應堆的安全性可以得到保障。也是比較好的堆型。其中，我國的NHHR-200是一個簡單而耐用的200MWt一體化壓水堆，其主要設計用途為海水淡化和部分地區供熱。

3.2 高溫氣冷反應堆

目前，華能集團聯合清華大學進行高溫氣冷堆堆芯[6]的設計。清華大學在高溫氣冷反應堆方面具有豐富的經驗，其在北京市昌平區建有原型反應堆。另外，山東石島灣的高溫氣冷堆示范工程也在建設中。高溫氣冷堆如圖3所示。

從圖3可知，高溫氣冷堆能提供高溫（達到950℃）氦氣通過熱交換進行工業應用或直接驅動氣輪機發電（布雷頓循環），產生接近50%的效率。同時，由于高溫氣冷堆燃料原件設計的合理性，使其固有安全性大大的提高，因此，小型化的高溫氣冷堆在海洋平臺得到廣泛的應用。

3.3 熔鹽反應堆

熔鹽反應堆[7]由美國橡樹嶺國家實驗室首先提出，最開始設想將其應用于核動力航空飛機，這種反應堆堆芯結構十分簡單，運行過程中可以連續添加燃料和去除裂變產物，在熔鹽反應堆里，燃料是鋰氟化物鹽以及溶解的釷和233U的氟化物的熔融混合物。熔鹽堆如圖4所示。

從圖4可以看到，一回路的熱量被傳遞到二回路后，裂變產物溶解在熔鹽里，繼續持續的轉換。由于熔鹽堆設計的合理性和運行中連續去除裂變產物和添加燃料，有效的減少停堆次數，因此，熔鹽堆在空間小堆方面也得到應用。

4 小堆的應用前景及發展趨勢

4.1 小堆的應用前景

小型模塊化反應堆除了具有傳統反應堆單一的發電功能以外，還有許多的工業用途。其主要表現為熱電聯產、工業供熱和海水淡化等。其最大的市場優勢在于其固有的高安全性和高效率的熱、電聯產能力。具有很好地經濟性，能夠滿足不同用戶的需要。正因如此，小堆除了可以為城市供電外，還可以熱電聯產、提供海上及海島核動力、空間核動力等。

4.2 國外小堆的應用發展趨勢

在過去幾年中，小堆項目得到了很大的進展。世界各國都在積極發展小堆。其中，阿根廷的CAREM-25和俄羅斯的KLT-40S小堆示范工程已經開始建設，其中小堆采用模塊化建設，每個模塊最大發電能力為10萬千瓦，一個核電廠包含2-6個模塊，這些模塊可以根據具體的廠址進行合理的安放，具有靈活性。

4.3 中國小堆的應用發展趨勢

目前，我國已經有多個省份打算進行小堆建設。根據各省地理條件的不同，小堆用途也不盡相同。其中，福建等沿海省份主要采用小堆進行海水淡化處理，南海島礁等主要采用小堆進行海水淡化和熱電聯產。吉林等高緯度省份主要采用小堆進行供熱，江西和湖南等內陸省份由于缺少煤炭等化石能源，電力發展不平衡，由于小堆選址和經濟性較好，也得到了廣泛的應用。

5 結束語

由于小型反應堆采用一體化結構和非能動等安全理念，具有較好的安全性；其結構小，模塊化安裝等優勢可以廣泛應用于空間和海上浮動平臺。在當今的環境下，發展小堆是我國能源發展的選擇之一。

參考文獻：

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

[2]馬文軍.小堆的“熱”與“冷”[J].中國核工業，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]陳文軍，姜勝耀.中國發展小型堆核能系統的可行性研究[J].核動力工程，2013，34（2）：153-156.

[5]邱志方，鄧堅，陳宏霞，等.模塊式小堆超壓風險及設計優化研究[J].原子能科學技術，2016，50（1）：113-117.

[6]吳宗鑫.我國高溫氣冷堆的發展[J].核動力工程，2000，21（1）：39-43.

[7]秋穗正，張大林，蘇光輝，等.新概念熔鹽堆的固有安全性及相關關鍵問題研究[J].原子能科學技術，2009，43（s1）：64-75.