先進小型反應堆技術現狀及未來發展趨勢研究

陳仁宗 王 冠

(1.清華大學核能與新能源技術研究院，中國 北京 100084；2.中核華建資產管理有限公司，中國 北京 100123）

1　小型反應堆研究背景

根據國際原子能機構的定義，輸出電功率在300 MW以下的反應堆稱為小型反應堆[1]。隨著核能的發展，新一代核電在安全性、經濟性、用途廣泛性和選址靈活性等方面提出了更高的發展要求。而先進小型反應堆在這些方面均具有突出的優勢，符合第四代核能系統發展的要求，因此受到了國際核能界的高度關注。

目前小型反應堆設計研究涉及到各種堆型，根據冷卻劑類型分類，小型反應堆可以分為水冷堆、氣冷堆、液態金屬冷卻堆和熔鹽堆。與傳統大中型反應堆相比，小型反應堆具有以下優點：1）模塊化設計和建造，具有良好的經濟性；2）可組裝成一體化堆，方便運輸，解決相對孤立系統的用電問題，增強防止核擴散能力；3）擁有非能動余熱排出系統等一系列非能動安全系統，顯著提高了反應堆的安全性。

作為大中型核電機組的有益補充，小型反應堆具有比三代壓水堆更高的安全性和更短的建造周期以及良好的經濟性和應用的靈活性，是適用于多種應用場景的新型核能系統，是解決偏遠內陸、海島等遠離主電網地區長期電力供應的有效措施，將為這些地區的經濟發展、軍事駐防等提供有力保障。

本研究從小型反應堆的市場需求出發，對目前具有第三代和第四代特征的小型反應堆技術現狀進行歸納總結，論證了發展小型堆的必要性和三代輕水小型堆在核燃料利用方面的局限性，然后比較分析不同類型的第四代小型反應堆在安全性、經濟性以及市場應用上的特點，確定小型鉛基冷卻快堆具有良好的經濟性和廣闊的應用前景，并從基礎研究、配套法規等方面對小型鉛基冷卻快堆發展提出針對性的建議。

2　小型反應堆市場需求

隨著我國對能源需求的日益增加，核能作為低排放的綠色能源之一，將成為我國建立低碳發展模式、實現2020年單位國內生產總值二氧化碳排放量相比2005年下降40%～45%目標的重要手段。小型反應堆市場需求如表1所示。小型堆具有低投資成本、容量小、工期短、占地面積小等天然優勢，小型堆是替代小功率火電站良好選擇，同時在大型核電站建設困難的偏遠地區，小型堆也能發揮它工期短、占地面積小的優勢，降低材料運輸和工程建設的難度。小型堆也可以滿足化工園區對電能的多樣化要求，并可以替代火電站，實現以小型堆為核心的熱電聯產、熱汽聯產等。

近年來，隨著國力的不斷增強，我國不斷提出加強海洋建設的要求，一方面是為了開采海洋中潛藏的各類資源，其中以油氣為主。另一方面加強我國的海洋國防，滿足南海補給基地和島礁的能源需求。基于小型堆技術的海洋核動力平臺可以提供電力、熱能、淡水等資源保障，并且以核能發電供電、供應熱能或淡水，可根據需要變換供應點，且具有一次裝料運行時間長，運行成本低、無有害氣體排放、續航力高、海洋環境適應能力強等優點，是海洋油氣開采能源供應和島礁能源供給的最佳選擇[3]。

世界上主要發展中國家和新興工業國家用電需求有限，電網基礎設施建設尚不完善，將近75%的發電機組小于500 MWe，同時發展中國家的經濟實力有限，無法支撐大型反應堆的建設。2013年，我國提出共建“絲綢之路經濟帶”和21世紀“海上絲綢之路”兩大倡議[4]，在“一帶一路”建設背景下，構建全球能源互聯網，關系到未來全球能源格局，已得到越來越多國家的支持和響應。相對大型堆，小型堆系統簡化、安全性高、投資成本低，可有效的滿足“一帶一路”沿線國家對能源的需求。

此外小型堆可應用于航空航天和軍事領域，為飛行器和艦艇等提供動力和電源，為軍事基地和特殊武器提供能源等。空間核反應堆不僅可以用來產生使飛行器隨時升高定位的推力,更主要的是用來生產飛行器本身所需的電能，而且價格低廉、功率密度大，是目前能滿足空間飛行全面要求的唯一動力源[5]。小型堆不受天氣影響，也和風和太陽的間歇性無關，相較于常規化石燃料或可再生能源，小型堆更加符合前沿作戰基地和偏遠作戰基地對于能源電力的需求。

3　小型反應堆技術現狀

3.1　具有第三代特征的小型堆技術

在現有的小型堆設計中，最為常見的是輕水堆設計。這主要是因為數十年的輕水堆建造及運行經驗使得該反應堆擁有技術優勢，具有較好的前景。在核蒸汽供應系統設計方面，大部分設計都采用了“一體化”壓水堆設計，將一回路的設備集中布置于壓力容器中。在經濟性方面，輕水堆初始投入較低，總投資也不大，這一特性使得它受到發展中國家的青睞。此外，隨著AP1000非能動安全系統的面世及成功推廣，“非能動”的理念也被借鑒到現有的小型堆設計中。

國際上主要的小型輕水堆發展情況如表2所示，美國、中國、俄羅斯、法國、日本、韓國和阿根廷等國均提出了獨立的小型輕水堆設計方案，絕大部分設計方案處于設計或評審階段，俄羅斯部分堆型已進入建造或運行階段。其中，基于核動力破冰船技術的KLT-40s反應堆由俄羅斯Afrikantov OKBM設計，基于該堆型設計建造的Akademik Lomonosov浮動核電站于2007年在圣彼得堡開工建設，2013年兩座35 MWe KLT-40s反應堆安裝完畢[6]。中國核工業集團公司自2004年開始設計研發我國自主的小型輕水堆ACP100，目前已進入工程設計階段，ACP100關鍵設備及軟件均屬自主研發，示范工程將在福建莆田市進行建設，預計建設兩臺 100 MWe的 ACP100機組[7]。

然而小型輕水堆核燃料利用率較低，若采用一次通過的開式燃料循環，小型輕水堆對鈾資源的利用率只有約0.45%。我國已探明鈾資源儲量不夠豐富，若要大力發展核能，則首先應優化鈾資源利用，除此之外，隨著我國核能的大范圍部署，未來的乏燃料處理與管理問題也應該予以重視。

表2　國際小型輕水堆發展情況概覽Table 2 Summary of international light water cooled small reactors

3.2　具有第四代特征的小型堆技術

3.2.1小型高溫氣冷堆

小型高溫氣冷堆是在高溫氣冷實驗堆和大型示范堆的基礎上，為了適應國際社會對反應堆安全性越來越高的要求而提出和發展的。該堆型以小型化和固有安全性為特征，保證在任何事故情況下，依靠反應堆較大的負溫度反應性系數和溫升裕度，使反應堆安全停堆；停堆后的余熱可以依靠熱傳導、對流和輻射等自然機理傳輸到堆外；反應堆功率密度較低，從設計上保證堆芯燃料元件的最高溫度限制在其允許的安全溫度以下；耐高溫的石墨堆芯結構和全陶瓷型的燃料元件避免了發生堆芯燃料元件熔化的危險。其次，由于反應堆規模的小型化，可以采用模塊化建造方案，從而降低成本提高經濟競爭力。高溫氣冷堆冷卻劑出口溫度高，可為工業生產提供過程熱，并可用于制氫。國際上主要的小型高溫氣冷堆發展情況如表3所示，中國、南非、美國、法國、俄羅斯和日本等國均提出了各自的小型高溫氣冷堆設計方案，用于發電和提供過程熱。我國于1992年開始了高溫氣冷實驗堆(HTR-10)的研發工作[8]，由清華大學承擔，并于2003年實現了滿功率運行。基于實驗堆的科研工作和經驗，高溫氣冷堆商用示范堆（HTR-PM）項目于2001年啟動，目前處于建造階段[9]。

現階段高溫氣冷堆存在如下的技術局限性和需要攻克的技術難題：單堆功率較低且無法精確匹配用戶需求，堆芯尺寸過大，初裝料操作與維護較為復雜，乏燃料后處理困難，存在石墨粉塵和氧化問題[10]。因此，高溫氣冷堆并不適合向太空領域、海洋能源平臺、陸上獨立電網等對功率和體積要求較為嚴格的市場方向。同時，其乏燃料后處理技術不完善也使得其在燃料經濟性與在核能的可持續發展方面的作用不如液態金屬冷卻快堆。

表3　高溫氣冷模塊化小型堆發展情況概覽Table 3 List of high temperature small modular gas cooled reactors

3.2.2小型液態金屬冷卻堆

液態金屬具有良好的導熱性，沸點較高，反應堆可運行于常壓狀態，堆芯冷卻劑出口溫度較高，可實現較高的熱電轉換效率；中子能譜較硬，具有較強的易裂變核素增殖和核廢料嬗變能力。液態金屬冷卻小型堆由于尺寸較小，中子泄漏效應顯著，冷卻劑空泡價值在整個壽期內均為負，避免了大型商業快堆設計重點關注的正冷卻劑空泡系數問題，保證了反應堆的固有安全性。相比鈉，液態鉛及鉛鉍合金化學惰性好，與水和空氣無劇烈化學反應，對裂變產物中危害較大的放射性碘、銫具有包容性，且其密度隨溫度變化較為顯著，因此鉛冷模塊化小型堆具有較強的自然循環能力，可設計為自然循環運行模式，并可在反應堆事故停堆工況下，依靠自然循環排出堆芯衰變余熱。

國際上主要的小型液態金屬冷卻堆發展情況如表4所示。目前基于液態鉛或鉛鉍合金冷卻劑的小型液態金屬冷卻堆設計方案包括美國ENHS和STAR、俄羅斯 SVBR-100和 BREST-OD-300等[10-13]，基于液態鈉冷卻劑的小型液態金屬冷卻堆設計方案包括日本4S、美國PRISM和NHPM[14-15]。基于鉛基冷卻反應堆驅動的核潛艇研發過程中積累的80多堆年運行經驗，俄羅斯在小型鉛基冷卻反應堆研發方面處于領先地位，用于核廢料嬗變和閉式燃料循環的BREST-OD-300目前已進入建造階段。由中國原子能科學研究院建造的中國首座鈉冷快堆——中國實驗快堆，于2011年7月成功并網發電，標志著我國已掌握先進鈉冷快堆的設計建造技術。

由于鈉具有化學性質活潑的特點，鈉冷快堆發生鈉的泄漏將導致鈉火和鈉水事故等，因此需要額外設計密封回路以及其它系統以防止鈉水反應、鈉火反應的發生。液態鉛或鉛鉍合金密度較高，對于包殼等結構材料具有較強的腐蝕和沖蝕作用，同時在堆內輻照作用下形成有毒的210Po，因此，鉛基冷卻反應堆需要增加涂層或氧控等設施減緩腐蝕作用，并設置210Po防護措施。

表4　小型液態金屬冷卻堆發展情況概覽Table 4 Summary of liquid metal cooled small reactors

3.2.3小型熔鹽堆

熔鹽堆具有很強的負溫度反饋系數和空泡系數，允許自動負荷跟蹤運行。溫度升高引起熔鹽膨脹溢出堆芯，降低反應性。燃料本身是流體，不存在堆芯熔化的可能性。熔鹽溫度過高時，會熔化預先設計的冷凍塞,將燃料鹽自動排入預先準備的、非能動冷卻的、次臨界安全的儲罐內。熔鹽堆中的易裂變材料濃度也可以連續調整，消除過多的剩余反應性，而且無需加入可燃毒物。此外，許多裂變產物在熔鹽中都以離子形式存在，與氟元素相結合形成穩定的氟化物留在鹽內，其它揮發性或不能溶解的裂變產物，如Xe等，可連續地排出并儲存在反應堆回路外部，避免吸收中子而產生中毒效應，提高反應堆的中子經濟性。

國際上主要的小型熔鹽堆發展情況如表5所示。熔鹽堆的概念始于美國橡樹嶺國家實驗室 (ORNL)。1965年，ORNL建成了以釷-鈾燃料循環為研究目的的MSRE熔鹽實驗堆[16]，之后又提出了 1000 MWe的 MSBR熔鹽增殖堆概念[17]。美國大力發展以高溫氣冷堆和熔鹽堆技術相結合的先進交叉技術為基礎的模塊化氟化鹽冷卻高溫堆(PB-FHR)，以高溫熔融氟化鹽作為冷卻劑，采用包覆顆粒燃料[18]。目前各國小型熔鹽堆設計方案均處于設計階段，距離工業應用尚有較遠距離。

表5　小型熔鹽堆發展情況概覽Table 5 List of small molten salt reactors

4　小型反應堆發展趨勢

四代小型堆是未來核動力發展的重點，特別是高溫氣冷堆、液態金屬快堆已經具備較好的各種特殊需求的應用條件和商業應用價值。

氣冷堆，體積大、熱流密度低，需要在線換料，存在乏燃料后處理、換熱系統積碳等難題，適合陸上工業園區等需要高溫過程熱的領域。

相比于高溫氣冷堆，液態金屬快堆具有明顯優勢：體積小，熱流密度高，一體化，模塊化，換料周期長，操作維護簡單，有希望實現流水線批量生產，可靈活適用于陸、海、空等各種應用需求，因此具有更好的經濟性和使用靈活性。

對于鈉冷快堆，由于鈉的活性太強的弱點，對于運行維護要求太高，在特殊領域：例如航天動力、太空探索等方面，由于鈉的密度低，導熱性能好的特點，具有較好的應用前景。

對于鉛基冷卻快堆，由于具有較好的穩定性，不與水和空氣發生劇烈反應，因此具有較為廣闊的應用前景，例如：海洋核動力平臺、艦船核動力、陸地供電供熱多功能模塊化反應堆（包括固定式和可移動式）等。

綜上，小型鉛基快堆具有最好的經濟性和更廣的應用前景，是目前最有前途的核動力選項。鉛基快堆已具備較高的技術成熟度，基本解決了鉛鉍或鉛的腐蝕性問題，充分評估了210Po的毒性和防護措施，堆芯的設計方案得到了充分研討，一回路熱工水力研究基本成熟。

小型鉛基快堆未來研發的方向包括：

（1）反應堆設計

主要體現在一體化和標準化設計，進而實現工業化流水線生產模式。此外，由于鉛基堆具有諸多應用前景，因此，如何設計創新性能源輸出接口方式，實現更加靈活、高效、方便的應用，也尤為重要。

（2）嚴重事故PSA分析及嚴重事故后經濟評估

模塊化小型堆具有靈活、多用途的特點，同時對反應堆提出了更高的安全性要求。在核輻射危害沒有得到很好的解決前，核泄漏和擴散必須得到高度重視。鉛基快堆雖然具有很好的固有安全性特征，但是對于超設計基準的事故必須進行深入研究。目前，對于鉛基堆嚴重事故的研究還很有限，迫切需要基于不同的應用場景，分類研究嚴重事故的緩解方法和應對放射性物質擴散的技術，并進行綜合經濟性評估。

（3）制定安全監管法律法規

由于鉛基模塊化小型堆應用前景的多樣性，從而在投入使用時，會面臨各種不同的使用場景。目前，世界范圍內還沒有形成一套專用于小型堆的安全監管法律法規，為了提高效率和安全性，迫切需要制定一套適合小型堆應用的法律法規。

5　結論

本研究從內陸能源供給、海洋開發、“一帶一路”國家戰略及航空航天和軍事用途等方面分析了小型反應堆的市場需求，論證了發展小型反應堆技術的必要性。然后對目前具有第三代特征的小型反應堆技術現狀歸納總結后得出，三代小型輕水堆在技術成熟度、安全性和小型化方面具有優勢，但對鈾資源利用率不高，由此帶來的鈾資源短缺與乏燃料管理問題不容忽視。然后比較分析不同類型的第四代小型反應堆在安全性、經濟性以及市場應用上的特點，確定小型鉛基冷卻快堆具有良好的經濟性和廣闊的應用前景，并從基礎研究、配套法規等方面對小型鉛基冷卻快堆發展提出針對性的建議，為我國先進小型反應堆技術的發展提供了重要的參考。

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