美俄小型水冷堆發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

2023 年11 月，俄羅斯國家原子能集團(tuán)宣布已批準(zhǔn)RITM-200N 小型水冷堆的技術(shù)設(shè)計，首座陸基小堆電廠部署達(dá)到重要里程碑節(jié)點。國際原子能機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，全球已有超80 種小堆設(shè)計，其中美俄型號數(shù)量位居世界前列。在各類小堆技術(shù)路線和設(shè)計中，小型水冷堆成熟度高、研發(fā)應(yīng)用進(jìn)展快，成為美俄近期推動研發(fā)和出口的重點。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

美國主要小型水冷堆型號有紐斯凱爾電力公司小堆、通用電氣-日立核能公司BWRX-300、霍爾臺克國際公司SMR-160 和SMR-300、西屋公司AP300 等，電功率從7.7 萬到30 萬千瓦；俄羅斯主要小型水冷堆型號有阿夫里坎托夫機(jī)械工程實驗設(shè)計局KLT-40S、RITM-200M 和RITM-200N，多利扎爾國家動力工程研究所Shelf-M等，電功率從1萬千瓦到5.5萬千瓦。美俄兩國在小型水冷堆選型設(shè)計、燃料、應(yīng)用以及研發(fā)機(jī)構(gòu)方面都具有較大差異。

1.1 選型設(shè)計

美國小型水冷堆相比俄羅斯技術(shù)選型多。美國BWRX-300 采用沸水堆技術(shù)，其余為壓水堆；俄羅斯則全部采用壓水堆技術(shù)。同時，美國多數(shù)小型水冷堆在大型水冷堆基礎(chǔ)上進(jìn)行重新設(shè)計，一回路均采用自然循環(huán)冷卻方式設(shè)計，不設(shè)置冷卻劑泵（主泵）；俄羅斯小型水冷堆主要基于已有的破冰船核動力裝置研發(fā)，一回路仍主要采用強(qiáng)迫循環(huán)的冷卻方式。此外，美俄小型水冷堆多采用一體化設(shè)計，壓力容器內(nèi)置蒸氣發(fā)生器和穩(wěn)壓器。

1.2 燃料

美俄兩國主要小型水冷堆均采用氧化鈾燃料，美國相比俄羅斯燃料豐度低、換料周期短。美國小型水冷堆采用豐度低于5%的低濃鈾，換料周期18～48個月。俄羅斯主要小型水冷堆采用豐度低于20%的高豐度低濃鈾，換料周期36～120個月。

1.3 部署進(jìn)展

俄羅斯小型水冷堆研發(fā)建設(shè)進(jìn)展較快。俄羅斯KLT-40S小堆浮動核電廠已經(jīng)投運，RITM-200M、RITM-200N 和Shelf-M 的首堆預(yù)計分別在2027 年、2028 年和2030 年投運。美國5 萬千瓦版紐斯凱爾小堆已獲核管會設(shè)計認(rèn)證、7.7 萬千瓦版正在接受審查，國外首堆預(yù)計2029 年投運。此外，BWRX-300 首堆預(yù)計2028 投運，SMR-160、AP300首堆預(yù)計將在2030年后投運。

1.4 出口動向

美國將在多個歐洲國家和加拿大建設(shè)小型水冷堆，俄羅斯小堆以國內(nèi)用戶為主。美國方面，向羅馬尼亞、波蘭出口紐斯凱爾小堆電廠，在加拿大建設(shè)BWRX-300 小堆電廠，與烏克蘭、印度尼西亞、菲律賓等國合作開展小型水冷堆研究。俄羅斯主要在聯(lián)邦內(nèi)的薩哈（雅庫特）共和國建設(shè)KTL-40S、RITM-200 系列和Shelf-M 等，并與吉爾吉斯斯坦、緬甸等國簽署小堆研究合作協(xié)議。

1.5 研發(fā)機(jī)構(gòu)

美國和俄羅斯的研發(fā)機(jī)構(gòu)性質(zhì)具有較大差異。美國小型水冷堆研發(fā)機(jī)構(gòu)主要是私營企業(yè)，其中一些機(jī)構(gòu)成立時間較晚。例如，紐斯凱爾電力公司成立于2007 年，霍爾臺克國際公司成立于1986年。俄羅斯研發(fā)機(jī)構(gòu)主要是國家原子能集團(tuán)所屬的研究院，反應(yīng)堆設(shè)計開發(fā)起步較早。例如，阿夫里坎托夫機(jī)械制造實驗設(shè)計局成立于1945 年，多利扎爾國家動力工程研究所成立于1942年。

2 發(fā)展動態(tài)

2023 年美俄小型水冷堆發(fā)展動態(tài)不斷。其中，美紐斯凱爾小堆海外項目進(jìn)展順利，但國內(nèi)首堆項目終止；BWRX-300、SMR-160、SMR-300和AP300 持續(xù)在海內(nèi)外市場合作開展研發(fā)部署。俄進(jìn)行世界首座小堆浮動電廠的首次換料，為RITM-200N 陸基小堆電廠頒發(fā)設(shè)計、建設(shè)許可證，并大力推動升級型浮動小堆電廠出口。

2.1 美國

2.1.1 紐斯凱爾小堆

2022 年12 月，美國紐斯凱爾電力公司和羅馬尼亞RoPower 電力公司簽署建設(shè)小堆核電廠的前端工程設(shè)計（FEED）合同；2023年3月，美國和印度尼西亞簽署諒解備忘錄，計劃由美國貿(mào)易和發(fā)展署向印尼電力公司提供資金，評估在西加里曼丹擬建一座小堆電廠的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性；2023年5月，羅馬尼亞布加勒斯特理工大學(xué)啟動運營美國以外的首個紐斯凱爾電力公司能源探索（E2）中心；2023 年7 月，波蘭氣候與環(huán)境部宣布原則批準(zhǔn)波蘭銅業(yè)集團(tuán)公司建設(shè)紐斯凱爾小堆電廠的計劃；2023年11月，紐斯凱爾電力公司宣布因資金和成本問題，終止愛達(dá)荷國家實驗室的紐斯凱爾小堆項目；2023年11月，紐斯凱爾電力公司宣布將與橡樹嶺國家實驗室合作進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估，研究紐斯凱爾小堆具有經(jīng)濟(jì)效益的蒸汽循環(huán)設(shè)計。

2.1.2 BWRX-300

2023 年1 月，美國通用電氣-日立核能公司與多家加拿大企業(yè)就在加拿大達(dá)靈頓核電廠建設(shè)BWRX-300簽署了一份為期6年的合同；2023年2 月，愛沙尼亞費米能源公司宣布采用BWRX-300技術(shù)建設(shè)該國首座核電廠；2023年3月，加拿大核安全委員會宣布BWRX-300 通過第一和第二階段供應(yīng)商預(yù)許可設(shè)計評審（VDR）；2023年7月，通用電氣-日立核能公司宣布正在與加拿大安大略電力公司合作，計劃在達(dá)靈頓核電廠再額外部署3 座BWRX-300 小堆；2023 年12 月，波蘭氣候與環(huán)境部宣布原則批準(zhǔn)在六個地點建設(shè)24座BWRX-300小堆的計劃。

2.1.3 SMR-160、SMR-300和AP300

SMR-160 和SMR-300 方面，2023 年4 月，美霍爾臺克國際公司與烏克蘭國家核電公司簽署協(xié)議，計劃在烏克蘭建設(shè)20 座SMR-160 小堆。2023 年12 月，英國政府基于未來核使能基金計劃向霍爾臺克國際公司英國分公司提供3000萬英鎊贈款，用于SMR-300 的第一階段和第二階段的通用設(shè)計評審。

AP300 方面，2023 年6 月，美國西屋公司與芬蘭富騰公司簽署諒解備忘錄，計劃在芬蘭和瑞典建設(shè)AP300 和AP1000 反應(yīng)堆。2023 年7 月，西屋與斯洛伐克JAVYS簽署關(guān)于在斯洛伐克部署AP1000 反應(yīng)堆和AP300 反應(yīng)堆的諒解備忘錄。2023年9月，西屋與烏克蘭國家核電公司簽署諒解備忘錄，計劃在烏克蘭開發(fā)和部署AP300反應(yīng)堆。

2.2 俄羅斯

KLT-40S方面，2023年11月，擁有兩座KLT-40S反應(yīng)堆的羅蒙諾索夫院士號浮動核電廠進(jìn)行首次換料。RITM-200N 方面，2023 年4 月，俄羅斯聯(lián)邦生態(tài)、技術(shù)與核能監(jiān)督局向俄原集團(tuán)頒發(fā)在雅庫特建設(shè)RITM-200N 陸基模塊化小堆電廠的建設(shè)許可證；2023 年11 月，俄原集團(tuán)宣布已批準(zhǔn)RITM-200N 的技術(shù)設(shè)計；2023 年12 月，俄原集團(tuán)宣布已開始制造RITM-200N 各種部件。RITM-200M 方面，2023 年6 月，俄原集團(tuán)與TSS 集團(tuán)簽署協(xié)議，建立合資公司，開拓RITM-200M浮動小堆電廠的海外市場。Shelf-M微堆方面，2023 年8 月，俄原集團(tuán)宣布已在北極地區(qū)為Shelf-M微堆選定五個潛在廠址。

3 發(fā)展趨勢

3.1 小型水冷堆逐漸成為美國核能出口重點

美國能源部認(rèn)為，美國在全球核能和核技術(shù)的競爭中正在失去領(lǐng)導(dǎo)者地位，提出要加強(qiáng)技術(shù)優(yōu)勢，并推動技術(shù)出口，恢復(fù)核能優(yōu)勢。能源部將小型模塊化反應(yīng)堆等先進(jìn)反應(yīng)堆作為未來發(fā)展的重點，認(rèn)為小堆實現(xiàn)預(yù)期成本目標(biāo)的確定性更大，并且有利于迅速擴(kuò)大核電規(guī)模。但是，美國小堆發(fā)展存在眾多制約。能源部研究報告顯示，小堆等先進(jìn)核能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展存在燃料和部件供應(yīng)短缺、許可時間長等問題。其中，被列入美國先進(jìn)反應(yīng)堆示范計劃的Natrium 反應(yīng)堆就因高豐度低濃鈾供應(yīng)問題將延后至少兩年投運。在眾多技術(shù)路線和設(shè)計的小堆中，美國小型水冷堆可依托現(xiàn)有的大堆燃料的供應(yīng)鏈和技術(shù)許可，實現(xiàn)快速應(yīng)用。因此，小型水冷堆正逐漸成為美國核能出口的重點，將成為美國能源部和企業(yè)亟待的早期商業(yè)案例，幫助推動美國核能出口并重建競爭優(yōu)勢。

3.2 小型水冷堆將促進(jìn)俄羅斯北極經(jīng)濟(jì)發(fā)展

俄羅斯注重北極發(fā)展，認(rèn)為北極地區(qū)發(fā)展存在挑戰(zhàn)和威脅，包括依賴化石能源、高科技和知識密集型產(chǎn)業(yè)增長放緩等。為保障北極利益、確保偏遠(yuǎn)地區(qū)用電需求，俄羅斯提出建設(shè)RITM-200N 示范電廠、開發(fā)Shelf-M 等，同時確保小型模塊化反應(yīng)堆擁有廣泛供應(yīng)國內(nèi)市場和出口的能力。目前，KLT-40S 運行所在地佩韋克、RITM-200M 計劃部署地點楚科奇等均位于俄羅斯聯(lián)邦的北極地區(qū)，這代表俄羅斯正借助小型水冷堆促進(jìn)北極地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，逐步推進(jìn)其國家目標(biāo)的實現(xiàn)。

3.3 無核電國家成為美俄小型水冷堆重要市場

對于無核電國家而言，安全性是影響該國引進(jìn)核能的重要考量因素。新加坡國立大學(xué)、東盟與東亞經(jīng)濟(jì)研究院等機(jī)構(gòu)研究報告顯示，無核電國家缺乏運行大型反應(yīng)堆的相關(guān)專業(yè)知識和人才隊伍等基礎(chǔ)，并且大型反應(yīng)堆功率和規(guī)模較大，國土較小的國家難以控制和承受相關(guān)事故風(fēng)險。相比于大堆，更多采用非能動安全設(shè)置的小堆更易于被政府和民眾所接受。目前，美俄兩國都大力推動向歐洲、東亞和非洲等無核電國家出口小型水冷堆。美國已確定在波蘭、愛沙尼亞分別建設(shè)紐斯凱爾小堆、BWRX-300 小堆，并推動向印度尼西亞、菲律賓等國出口。俄羅斯與緬甸、吉爾吉斯斯坦合作開發(fā)小堆，還將成立專門企業(yè)，向中東、東南亞和非洲等國家推廣出口小堆浮動核電廠。

4 結(jié)語

美俄正在大力推動小型水冷堆技術(shù)發(fā)展和出口，美國紐斯凱爾小堆、BWRX-300 小堆和俄羅斯Shelf-M 微堆都實現(xiàn)安全特性上的升級，可實現(xiàn)不同程度的自然循環(huán)冷卻，并減少對運行人員和能動安全系統(tǒng)的依賴，在國際核能市場的關(guān)注較高。根據(jù)當(dāng)前小型模塊化反應(yīng)堆發(fā)展態(tài)勢，小型水冷堆在各類小堆中技術(shù)成熟度最高、部署進(jìn)展最快，也最有希望成為小堆中率先實現(xiàn)商業(yè)化運行的堆型，但與其它類型的小堆相似，缺乏長期、良好的運行實踐，并面臨監(jiān)管、經(jīng)濟(jì)性和廢物處置等方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。