國內外小型模塊化反應堆的異同和國際合作前景分析

殷德健，雷 蕾，鄒 象

（生態環境部核與輻射安全中心，北京 100082）

近年來，小型模塊化反應堆（Small Modular Reactor，SMR）因其技術特點受到了國際核能界以及相關政府部門及投資商的高度關注，成為核能應用的熱點領域。我國也相繼開展了高溫氣冷堆示范工程和玲瓏一號等小型堆的建設。為充分發揮核能的低碳優勢，加快推進SMR 研發及部署，最大限度地發揮其對實現全球2050 年凈零碳排放目標的作用，國際原子能機構（IAEA）發起了“核能發展協同和標準化倡議”（Nuclear Harmonization and Standardization Initiative，NHSI）并于2022 年6 月召開了啟動會，希望通過加強決策者、監管者、設計者、供應商、營運商、非傳統最終用戶以及其他國際組織和協會之間的合作，為SMR 探尋協調一致的監管方案和工業方案［1］。在此背景下，有必要深入了解SMR 的技術特點以及國內外SMR 的異同，緊密結合國情研究應對之策。

1 SMR 的技術特點和國際發展態勢

國際社會對氣候變化的強烈關注以及國際地緣政治的激烈變化，使得不少國家把能源安全保障和低碳轉型置于更高的優先度，核能成為其能源政策的選擇之一。而SMR 因革新設計、布置靈活、多場景應用和高安全水平等優點受到一些國家和組織的關注。

1.1 SMR 的技術特點

IAEA 定義的SMR 為單堆電功率低于300 MW。小型化使得SMR 具有模塊化程度高、固有安全性好及應用場景多樣等特點。［2］

模塊化設計是SMR 的核心競爭力。SMR較低的功率水平影響了其單堆經濟性，而模塊化設計是其提高整體經濟性的重要手段，對于SMR 的市場競爭力至關重要。SMR 模塊化設計的目標是實現核蒸汽供應等系統部件在工廠進行預制、適宜長距離運輸并能在現場根據功率需求進行靈活組裝。其優勢主要體現在以下五個方面：一是工廠預制和現場組裝將大大縮短SMR 的建造周期；二是模塊靈活配置與安裝能夠滿足不同電力市場和利用方式的需求；三是預制模塊的規模化生產將帶來規模經濟效益；四是工廠模塊化生產更加有利于質量的可靠性和穩定性；五是標準化模塊化設計將顯著降低監管的不確定性，設計者和供應商可以先行獲得監管部門頒發的設計認證和制造許可，從而大大提高投資者信心。

SMR 具有較好的固有安全性。SMR 大多具備一體化、非能動以及更大的比功率堆芯水裝量等設計特征，其顯著優點便是故障模式少、設備可靠性高和熱工裕量大。因此，SMR 普遍具有更好的固有安全性和更小的放射性后果，這也為SMR 取消場外應急提供了可能。

SMR 為核能多場景應用提供了基礎。SMR 可以根據應用需求進行靈活組合，不僅能夠滿足不同規模的用電需求，還可應用于區域供熱、工業供汽、海水淡化、制氫、石油開采以及海島供能等。

1.2 國際SMR 發展態勢

目前，中、美、俄、法、阿、韓等國推出了70多種SMR 設計方案。這些SMR 約一半為輕水堆，由第二代或第三代核電技術演變而來，主要商業化用途為電力生產［3］。非輕水堆涵蓋了高溫氣冷堆、熔鹽堆和液態金屬堆等多種技術路線，為高效益非電力應用（如制氫等）提供了更大可能。

相對而言，輕水堆SMR 技術成熟性和模塊化程度更高，有希望率先實現大規模商業化應用。尤其是在電力應用領域，這類SMR 可與現有發電方式形成競爭，歐美國家因能源結構優化需要、均衡化經濟社會發展狀態和去中心化的電力生產等特點對其寄予較高期望，希望其能替代燃煤燃氣機組乃至退役核電機組。經合組織（OECD）認為，SMR 有希望成為類似“商用大飛機”的標準化工業品［4］，贏得訂單多的設計將具有更大的規模經濟效益，并進一步提高市場競爭力，最終國際范圍內可能只存在幾個具有市場支配地位的SMR 設計，因而SMR 的國際競爭預計將比較激烈。

非輕水堆SMR 則仍面臨一些復雜的技術問題：普遍欠缺運行經驗；具體設計與模塊化要求存在差距；目前尚不具備大規模商業化應用條件；預計很長一段時間仍處于深入研發過程中，并保持一定程度的多樣性。

2 我國SMR 發展與監管情況

目前，我國SMR 研發比較活躍且設計路線多樣，但缺乏統籌規劃，模塊化與經濟性相對不足，同時SMR 核安全監管在政策和技術方面面臨一些新挑戰。

2.1 我國SMR 發展較快但模塊化相對不足

我國SMR 在工程進展方面領先于國際，清華大學研發的球床模塊式高溫氣冷堆示范工程（華能石島灣）已成功并網發電，中核集團“玲龍一號”（ACP100）多用途模塊化小型堆科技示范工程（海南昌江）已開始建設。一些用于區域供熱或海島供能的反應堆已完成了初步設計或進入審查環節。此外，熔鹽堆及鉛鉍堆等先進技術也在研發或原型實驗堆建設過程中。

我國SMR 發展現狀呈現以下特點：一是“雙碳”目標激發了行業研發熱情，各企業集團研發沖動強，但存在總體統籌不足、重復性工作多和基礎工作相對較少等問題；二是側重驗證技術可行性，對經濟性考慮不足，如國內SMR在電力市場的競爭力相對薄弱；三是模塊化程度相對不足，一些堆型很難達到工廠預制、便利運輸和現場組裝的工藝要求，與國際上SMR 的熱點技術方向存在偏差；四是市場需求尚不明確，我國大型壓水堆技術成熟、建設成本相比國際較低且發電規模符合我國用電需求，預計短期內SMR 在電力應用上難以與大型壓水堆競爭，使其缺乏明確的市場需求，因此，部分SMR側重于供熱供汽等非電力應用場景，這與國際上SMR 重點應用領域有所區別。

2.2 我國SMR 監管面臨政策和技術挑戰

由于SMR 在堆芯設計、系統集成、特殊系統設備和應用場景等方面的獨特性，我國對已有SMR 的核安全審查遇到了一些政策和技術難題，核安全監管面臨新的挑戰。

（1）由于SMR 模塊化建造與多場景應用等特點，需要對許可制度和監督管理方式進行新的探索或調整，規劃限制區和應急計劃區的確定等政策性問題也有待進行適應性優化。

（2） SMR 具有功率水平低、一體化和固有安全性高等特點，而很多針對大型壓水堆制定的監管要求又太過保守，需要研究制定針對性監管要求。國際上也在是否設置安全殼和優化選址源項等方面進行探索研討。

（3）對于SMR 設計中采用的未經驗證的新設備和新技術，需要建立新的分析或驗證方法。例如，直流式蒸汽發生器的在役檢查、自然循環設計的試驗驗證、海洋浮動條件的設計基準以及新的安全分析程序等諸多問題均無先例可循。

這些新問題缺乏可直接參考的經驗，其妥善解決需要一套邏輯自洽的正向科研方法和充分的基礎數據支撐。隨著我國核能自主化工作的大力推進，行業對于底層邏輯理解和基礎數據積累正在逐步完善，但仍存在薄弱環節。SMR 的核安全監管也正從過去參考國際實踐為主轉向獨立自主研究，在構建適合SMR 的系統化監管理念的同時，也需要鍛煉一批新的人才隊伍。

3 NHSI 現狀及SMR 國際合作前景分析

3.1 NHSI 及其啟動會情況

IAEA 認為，SMR 成本優勢依賴于其模塊化生產和組裝，其順利發展需要全球通用的工業標準規范和協調一致的核安全監管策略。來自33 個國家監管機構和16 個國家的核能行業代表參加了NSHI 啟動會，與會人員普遍對IAEA 的倡議表示歡迎，并確定開展雙軌并行的工作，一是監管機構合作，突出協調（H：harmonization）；二是工業界合作，突出標準化（S：standardization）。

監管合作下設三個工作組，分別研究建立信息共享框架、國際許可前監管設計審查和充分利用其他監管機構審查的方法等。其目標是在不損害核安全和國家主權的情況下大大加強監管合作，以避免重復監管工作，提高效率并促進達成共同監管立場。IAEA 考慮設立一個新的同行評議任務，即根據IAEA 安全標準評估各國SMR 監管審查程序，幫助建立對相關國家監管審查的信心以便其他國家能夠更為便利地應用其審查成果。IAEA 認為，對SMR 設計進行許可前的國際監管審查是有意義的，它應該遵循國際商定的流程和標準。這種許可前審查側重于通用設計，而不考慮傳統上屬于許可審查一部分的特定廠址等方面。［5］

工業界合作下設四個工作組，分別負責協調高級用戶需求、共享國家標準和規范相關信息、實驗和驗證SMR 模擬計算軟件和加快實施中小型反應堆所需的基礎設施等。其目標是為SMR 制造、建設和運行開發更加標準化的方法，以減少許可時間和成本，并最終縮短部署SMR的時間。

SMR 商業模式通常基于批量生產，這意味著在部署首個反應堆后，可以在標準化方法下節省成本和時間。工業界合作將專注于四個方面：在用戶需求方面，IAEA 認為掌握用戶需求有利于實現SMR 標準化；在標準規范方面，針對不同國家標準規范，NHSI 計劃識別其現有差異，并增強各國標準規范對SMR 的適用性和等效性，同時建立收集和共享信息的平臺；在計算軟件方面，NHSI 提議在實驗機構、技術持有者和技術支持組織（TSO）之間共享資源，以驗證適用于SMR 的模擬計算機程序；在基礎設施方面，SMR 發展有賴于核安全、核安保、人力資源和融資等方面的基礎條件。IAEA 有意幫助那些采用SMR 的新核能利用國家簡化并加快基礎能力建設。［5］

IAEA 期望上述并行工作能夠在2024 年實現有效聯合，最終形成具有具體行動計劃的路線圖，并將于2023 年召開一次會議評估進展狀況。

總體來說，NHSI 啟動會得到了與會人員的歡迎和認可。但是也出現了一些其他聲音：一是強調各國監管機構獨立審查的重要性，其他機構審查意見僅能作為參考，不能強行統一；二是要充分利用已有國際合作框架的成果，避免重復工作和浪費資源；三是IAEA 的計劃非常進取但難度很大，故而顯得有些過于雄心勃勃。

3.2 NHSI 及其他相關國際合作機制面臨的挑戰

SMR 是多年來核能國際合作熱點領域。IAEA 開展了安全標準對SMR 的適用性審查，并于2015 年設立了SMR 監管者論壇，我國是該論壇成員。經合組織核能署（OECD-NEA）和世界核協會（WNA）也分別通過設立特別工作組等方式加強其成員國就SMR 進行技術交流［6］，并發布了相關專題報告，如WNA 的反應堆設計評估與許可證合作組（CORDEL）下設了小型模塊化反應堆特設組（SMRAG），OECDNEA 于2021 年發布了《小型模塊化反應堆：機遇與挑戰》報告。盡管主要國際核能機構就SMR 開展了長期合作，但總體來說均處于信息交流和觀點交換的層面，尚未見到實質性成果。

NHSI 預計也會面臨相似的難題：一是各國現有核安全監管體系（尤其是許可制度）存在差異，且大多需要根據SMR 發展需求有所調整、優化；二是各國工業標準與技術能力和制造水平直接相關，難以直接采取其他國家標準；三是核安全監管屬于各國主權事項，且安全要求和監管方式等均有差異，無論如何緊密深入合作，都難以保證高水平持續性的協調一致；四是與大型壓水堆相比，SMR 設計更加多樣，技術更加敏感，知識產權保護意識更強，有可能對深入技術交流構成障礙；五是多邊合作機制往往意味著議事規則和決策流程更加復雜，形成成果的難度大或作用低。此外，當前復雜的國際政治關系可能也給核安全國際合作帶來更多的不確定性。

因此，有必要對NHSI 成效保持合理預期。近期較為現實的成果可能是向有意愿發展SMR的國家就許可制度和程序、監管合作方式和適用的工業標準規范等提出意見建議，并選擇廣泛關注的SMR 共性問題進行研究和提出技術意見。樂觀的遠期前景是通過監管機構有效合作，增強監管協同，乃至在各國自愿的基礎上通過聯合審查或在一定程度上認可國際評估結論，通過標準化構建強有力的全球供應鏈體系，減少SMR 全球大規模推廣使用的國別壁壘。

3.3 SMR 國際合作機制對我國的潛在影響

我國在SMR 市場前景與發展特點方面與國際均存在差異，因此需要深入分析我國參與NSHI 可能面臨的風險與挑戰。

（1） NHSI 可能對我國核電走出去產生影響。如果NHSI 順利推進，SMR 全球大規模推廣的障礙將得以有力消除，技術成熟度和模塊化程度高的SMR 可能在全球電力市場競爭中具有顯著優勢。鑒于我國的SMR 現狀，該成果對我國現有技術輸出很難有直接裨益，甚至可能影響到我國核電走出去的戰略目標。目前，美國NuScale 公司已經與羅馬尼亞開始合作開展SMR 選址相關的工程研究、技術分析和許可證申請等工作。有關國家也在鼓勵阿根廷發展自己的SMR 技術。

（2） NHSI 的工作重點領域與我國需求存在差異。NHSI 的核心任務是為SMR 的全球部署鋪平道路，除了一些具體技術問題外，還可能特別關注許可制度、模塊化制造、標準化工業要求、跨境運輸和認可以及核安保和防不擴散等政策性領域。我國則以具體技術交流為主要訴求，輔以進一步優化監管體系，對其他政策性問題關注不多且研究不足，可能難以提出建設性意見。

（3）在國際關注下我國SMR 技術與監管薄弱環節亟須解決。國際上對我國高溫氣冷堆、ACP100 等SMR 的發展情況較為關注，在相關國際會議上多次表達期望我國能夠更多地分享SMR 監管經驗。而我國一些SMR 在標準規范使用、基礎數據積累和軟件驗證等方面仍有待完善，設計方一方面期望能更多地了解國際實踐，另一方面對分享相關技術和經驗有些顧慮。

4 結論

通過對國內外SMR 技術特點、應用領域、面臨挑戰以及國際合作潛力和需求進行分析，可以得出以下結論。

（1）從SMR 技術特點及其應用領域來看，國際上SMR 主要強調模塊化，通過模塊化實現安全提升、技術簡化、成本降低和布置靈活，主要用途仍為電力應用，以替代現有的化石能源乃至老舊核電機組，從而最大限度地為全球能源低碳化做出貢獻。我國SMR 則主要強調小型化，利用其固有安全水平高和布置相對靈活等特點，服務于特殊場景的應用，如供熱、供汽和海島供能等。

（2）從SMR 發展面臨的主要挑戰來看，國際SMR 發展重點要解決監管一致性、供應鏈協調性和模塊化集成等問題。因此迫切需要各國監管部門以及工業界進行有效合作，降低國別壁壘，通過首個（批） SMR 工程項目證明其技術可行性，并通過全球化部署產生的規模效應大大降低成本，增強其市場競爭力。國內SMR研發主要面臨基礎條件和核心技術能力有所欠缺等問題，如安全理念、法規制度、標準規范、實驗/試驗數據、軟件開發和驗證等方面。因此，SMR 研發能夠為我國工業界和監管機構提升基礎能力和培養專業人才提供一次有益的機會，需要鼓勵“刨根問底”，努力實現“知其然知其所以然”，以科學的監管要求推動全行業加強對底層邏輯的探索和基礎數據的積累，逐步完善從基礎數據到理論研究、分析方法、試驗驗證和經驗反饋的完整核安全邏輯鏈。

（3）從SMR 核安全國際合作需求來看，國際SMR 推動者主要是具有國家競爭優勢的決策者、具有技術優勢的設計者和制造商及具有現實需求的運營商，因此突出強調監管協調性和一致性，這與屬于各國主權的獨立監管存有一定矛盾，核安全的敏感性更加劇了該問題的復雜度。雖然在全球范圍內有效推進SMR 監管一致性存有難度，但在一些國別之間以及一些地區或組織之間，形成更加集成化的監管合作是有可能的。國內SMR 發展的核安全國際合作需求主要體現在具體技術問題上，這種情況下，雙邊合作機制往往比多邊機制更有針對性且更有效率；同時要梳理總結好現有監管經驗，在國際舞臺上邏輯清晰地講好中國核安全監管故事。

（4）從NHSI 的前景和參與來看，作為全球最重要的核能領域國際組織，IAEA 既有推進全球核能合作和利用的意愿，也有足夠的影響力。但是相對于NHSI 要實現的廣闊目標，其困難也是顯而易見的。這可以從其他類似國際合作機制的進展狀況中一窺端倪。作為核能大國，參與NHSI 相關工作是必要的，也會有所裨益，同時需要抱有合理期望。就中國國情而言，大型壓水堆仍將是中國核電市場的主力堆型；就技術特點而言，中國SMR 通過競爭進軍國際市場的難度也很大。因此，需要從監管機構和工業界兩個角度梳理出值得關注的合作議題及其優先度，避開不利因素，盡可能地利用好NSHI 機制和資源，持續推進我國SMR 乃至整個核能領域工業水平及核安全監管體系和監管能力現代化。