國際可移動小型堆開發與運輸安全研究現狀

摘 要：可移動小型堆（ TNPPS） 作為小型模塊化反應堆（ SMR） 的一種（ 一般指30 MW 以下的SMR） ，當通過陸路、海運等方式運輸后在運輸工具上或者從運輸工具卸載后能夠運行和產生電能，可以滿足偏遠、局部區域的供熱、用電需求，引起了各國的重視。本文簡要介紹了國際可移動小型堆發展現狀，重點對國際上不同類型可移動小型堆的特點、可移動小型堆發展面臨的問題和挑戰進行總結，并重點討論了可移動小型堆運輸安全相關問題及對策建議。

關鍵詞：小型模塊化反應堆;可移動小型堆;運輸安全;安全監管

中圖分類號：TL36 文獻標識碼：A

核能作為一種清潔能源，已在全球得到了極大發展[1-2] 。為使核能得到更廣泛的應用，國際上在更安全、更靈活、低成本的小型堆領域取得了研究突破[3-6] ?？梢苿有⌒投眩═NPPs） 作為小型模塊化反應堆（SMR）的一種（一般指30 MW 以下的SMR），當通過陸路等方式運輸后在運輸工具上或者從運輸工具卸載后能夠運行并產生熱（電） 能，可以滿足偏遠、局部區域的供熱、用電需求，引起了各國的重視[7-8] 。由于可移動小型堆具有建造成本低、建設周期較短、可快速部署和機動性強的特點，不僅能夠解決偏遠地區能源需求問題，還能在自然災害等突發情況下作為應急電源，具有廣泛的應用前景。美國、俄羅斯、歐盟各國分別設立了多個研發項目，致力于開發多種類型的可移動小型堆[3，9-10] 。目前，國際上可移動小型堆大多采用堆熱管冷卻、氣冷、鉛（ 鉍） 冷等反應堆設計[11-15] ，通常反應堆電功率在1 MWe ～ 10 MWe范圍，甚至更低，可布置于20 英尺或40 英尺標準集裝箱中通過陸路等方式運輸至目的地[3] 。

本文簡要介紹了國際可移動小型堆發展現狀，總結了國際上不同類型可移動小型堆的優缺點、發展面臨的問題和挑戰，并重點針對可移動小型堆運輸安全相關問題及對策建議展開討論。

1 可移動小型堆發展概況

小型反應堆發展可追溯到20 世紀中葉，而小型模塊化反應堆概念最早由美國研究人員于20世紀80 年代提出，美國也是國際上最早開展小型模塊化反應堆研發的國家之一。截止2020 年，國際上小型模塊化反應堆設計超過70 項，其中設計特征中明確具備可移動性的小型堆設計超過10項，類型涵蓋了高溫氣冷堆、液態金屬冷卻快堆、熔鹽堆、水冷堆[3，16-17] 。此外，還有部分微堆設計特征中明確具備可移動性[12-13，18-24] ，也是目前可移動性反應堆設計中更易于實現的堆型。表1 匯總了部分可移動小型堆（ 含可移動微堆） 發展情況。

2 可移動小型堆分類及特征

2. 1 可移動氣冷堆

可移動氣冷堆熱動力循環中通常采用氦氣或二氧化碳作為工作介質，提供冷卻并實現被動式衰變熱導出。采用低濃二氧化鈾燃料（U-235 富集度不超過20%），反應堆電功率在MW 量級，換料周期超過10 年。氣冷可移動小型堆設計中應始終保持對反應堆燃料的密封包容，宜采用成熟度高和安全性強的燃料類型，如：TRISO 燃料[25] 。尺寸和重量適宜采用標準容器（標準集裝箱） 裝載，通過陸路、海洋和航空運輸，標準容器設計可提供包容、屏蔽、導熱功能等，能夠應對外部攻擊和防止放射性核素釋放。目前國際上比較典型的氣冷可移動小型堆設計如美國的Holos 反應堆（圖1）、Xe-Mobile 反應堆[12，23] 。

2. 2 可移動小型鉛冷快堆

金屬冷卻小型模塊化快堆主要有三種冷卻劑，包括鈉冷、鉛冷（鉛鉍）和氦冷。近年來隨著鉛冷堆在腐蝕控制、材料等方面的研究突破，以及俄羅斯在鉛冷堆領域取得的進展，使得鉛冷堆研發得到了國際核能界的普遍重視。

可移動小型鉛冷快堆通常為池式反應堆，自然循環熱傳輸（典型如超臨界二氧化碳（S-CO2 ）布雷頓循環動力轉換[24，26] ）、鉛冷卻劑（ 或鉛鉍合金）。采用超鈾氮化物燃料，反應堆功率在MW 量級及以上，換料周期可達15 年。堆芯和鉛-二氧化碳熱交換器都包含在反應堆容器內，周圍有保護容器。為滿足陸路運輸要求，須限制反應堆容器和保護容器的尺寸和重量，相應地也限制了反應堆熱功率。目前國際上比較典型的可移動小型鉛冷快堆如美國的SUPERSTAR 反應堆（SSTAR）、盧森堡的LFR-TL-X 反應堆和瑞典的SEALER 反應堆[3，23-24] 。

2. 3 可移動小型熔鹽堆

可移動小型熔鹽堆熱動力循環采用熔鹽作為冷卻劑、自然循環熱傳輸（典型如超臨界二氧化碳（S-CO2 ）布雷頓循環動力轉換）。采用TRISO 燃料（U - 235 富集度不超過20%），反應堆功率在MW 量級及以上，換料周期約10 年。重量不超過100 t，適宜采用標準容器（標準集裝箱）裝運。運輸中容器外部輻射水平滿足放射性物品運輸安全相關標準的要求。目前國際上比較典型的可移動小型熔鹽堆如捷克的Energy WellTM 反應堆[3，27-28] 。

2. 4 可移動小型水冷堆

小型模塊化水冷堆分為陸基、海基兩種類型?？梢苿有⌒退涠讯酁閴核眩≒WR）。采用低濃二氧化鈾燃料（U-235 富集度不超過20%），燃料形式包括二氧化鈾芯塊、金屬陶瓷燃料等，反應堆功率在MW 量級及以上，換料周期可達10 年以上。通常尺寸和重量滿足任意運輸方式裝運要求。目前國際上比較典型的可移動小型水冷堆如俄羅斯的ELENA、UNITHERM[3，13] 。

2. 5 可移動小型熱管堆

熱管冷卻可移動小型堆主要特征是通過熱管冷卻實現被動熱傳輸，冷卻劑材料為液態堿金屬。采用低濃二氧化鈾燃料（ U - 235 富集度不超過20%），反應堆熱功率在1 MWe～10 MWe 范圍，運行周期可達10 年以上。反應堆主體為不銹鋼材料，周圍配備反應性控制系統，重量約30 t，可放置在標準運輸容器中通過航空和陸路運輸。運輸容器外部附帶特殊裝甲和其他保護措施以應對外部攻擊，以及保護工作人員和環境免受堆芯輻射的影響。2018 年美國洛斯阿拉莫斯實驗室（LANL）正在建造的MegaPower 微型反應堆是目前國際上比較典型的熱管冷卻可移動小型堆[22] ，其他如美國西屋公司的eVinci 微型反應堆等[11，18，23] ，圖2 為兩種微型反應堆的示意圖。

2. 6 不同類型可移動小型堆設計特點

本部分以各類代表堆型為基礎分析不同類型可移動小型堆在結構、安全性和經濟性方面的設計特點。表2 列舉了各類可移動小型堆代表堆型特點。從表2 可知，可移動小型堆未來發展應以結構簡單、固有安全性高、部署靈活、低成本和經濟性為目標。

3 可移動小型堆發展面臨的問題與挑戰

可移動小型堆由于其可運輸性定位，在研發過程中須同時考慮反應堆本體和裝運過程中的安全問題。目前，國際上可移動小型堆研發項目均系統開展了堆本體安全設計，包括被動安全性，多重密封包容邊界，雙重、獨立反應堆功率控制與被動停堆控制，自動負載跟蹤，以及選擇先進核燃料和核材料等，較好地借鑒了商業堆和小型模塊化反應堆的縱深防御設計理念。反應堆本體安全應是可移動小型堆設計的重點，而為了更好地推廣應用也要重視成本控制和經濟性提升。然而，可運輸性對可移動小型堆安全性、經濟性和可塑性提出了必要的附加要求。本部分重點闡述可移動小型堆在可運輸性設計方面面臨的問題和挑戰，包括可移動小型堆運輸安全監管、運輸安全設計與測試驗證等。

3. 1 可移動小型堆運輸安全監管

目前，國際放射性物質運輸安全法規體系框架中已有專門針對放射性物質運輸安全的指導性文件，如國際原子能機構（IAEA） 《放射性物質安全運輸條例》 SSR-6[29] 和《放射性物質安全運輸條例咨詢材料》SSG-26[30] ，以及其他包括道路運輸、鐵路運輸、海運、空運方面的相關規定。在現行放射性物質安全運輸法規體系的要求下，可移動小型堆（帶料）本身須滿足B（U）F 型貨包要求，微型可移動堆可以滿足，而尺寸和重量相對較大的小型可移動堆有一定難度。因此，目前對于可移動小型堆是否納入現行放射性物質安全運輸法規體系尚需進一步論證。主要關注兩點：（1）將可移動小型堆納入現行放射性物質安全運輸法規體系下存在哪些優勢和缺點;（2）不將可移動小型堆納入現行放射性物質安全運輸法規體系下如何監管其運輸。

3. 2 運輸安全設計與測試驗證技術方面

可移動小型堆運輸安全設計方面。盡管目前國際上現有可移動小型堆研發項目的設計目標多數以通過尺寸和重量限制以適應任意裝運方式，然而考慮到可移動小型堆本身研發技術難度較高，在基礎數據和技術積累方面尚不充分。尤其對于陸路運輸，相關研究需進一步深入，包括：針對R 貨包（IAEA 可移動小型堆運輸安全的國際交流提出將TNPPs 納入現行放射性物質安全運輸法規體系，新增“R 型”貨包）的運輸事故條件分析，以及與反應堆本體屏蔽設計、熱工設計、包容設計和臨界安全設計等方面相適應的運輸安全設計。

測試驗證技術方面?？梢苿有⌒投芽赡苁艿竭\輸過程中產生的沖擊和震動，以及外部溫度、濕度（腐蝕）、壓力等的因素影響，造成反應堆本體損壞或者物理性能參數改變，尤其對于脆弱的儀控系統，如傳感器等。鑒于可移動小型堆密封模塊設計使得在役檢修不易實現，對可移動小型堆運輸過程中、到地交付過程中的性能測試提出挑戰。此外，可移動小型堆的可塑性（尺寸和重量適應多種運輸方式） 也對先進核燃料和材料的研發提出要求。

4 可移動小型堆運輸安全對策研究

4. 1 可移動小型堆運輸安全監管方面

目前，鑒于國際上可移動反應堆的快速發展，IAEA 已組織過多次可移動小型堆運輸安全的國際交流[1-3] 。會議提出一種可能性：將TNPPs 納入現行放射性物質安全運輸法規體系，新增“ R型”貨包，并實現許可運輸，針對TNPPs 補充或修改現有標準相關條款。同時，道路運輸、鐵路運輸、海運、空運方面的相關規定作出相應調整。此外，由于大多數IAEA 成員國自身擁有系統的放射性物質運輸安全相關法規標準體系，從法規標準通用性角度認為不易針對單一情況制定較多條款，建議不將可移動小型堆納入現行放射性物質安全運輸法規體系，或者即使納入，也采用“一事一議”的形式[31-33] 。

通過總結目前國際上現有可移動小型堆研發項目的設計目標，尤其可移動微型反應堆，通常限制自身尺寸和重量以提高可塑性，實現更好地推廣應用。在現有放射性物品運輸貨包安全驗證條件下，可能實現百噸級可移動小型堆的試驗驗證和安全分析評價。因此，將可移動小型堆納入現行放射性物質安全運輸法規體系，新增“R 型” 貨包，并實現許可運輸，更易于規范可移動小型堆運輸活動，提高公眾認可度，以便更好地推廣應用。

4. 2 運輸安全設計與測試驗證技術方面

運輸安全設計方面，為使可移動小型堆反應堆本體屏蔽設計、熱工設計、包容設計和臨界安全設計等方面與運輸安全設計相適應， 建議在TNPPs 研發初期的總體技術方案中包括運輸安全相關研究技術方案的內容，以減少堆本體設計與運輸安全設計的迭代次數。

測試驗證技術方面，建議進一步研發可移動小型堆運輸過程性能監測儀控系統，以及到地交付安全性能保持測試驗證與評價技術，并建立TNPPs 安全相關重要部件交付接受準則等。

我國也在開展可移動小型堆研究工作，在可移動小型堆運輸安全監管方面、運輸安全設計與測試驗證技術方面面臨同樣的問題和挑戰。目前，我國放射性物品運輸安全法規標準體系與IAEA 具有一致性，在可移動小型堆運輸安全法規標準建設方面也要與國際接軌，以提升未來可移動小型堆通用性;在可移動小型堆運輸安全設計與測試驗證技術方面，目前國內具備130 噸級大型商業乏燃料運輸容器安全驗證條件，未來可考慮必要的可移動小型堆安全性能試驗驗證，以增加公眾對可移動小型堆部署的信心。

5 結論

本文對目前國際上現有小型模塊化反應堆研發項目情況，以及未來具備成為可移動小型堆的研發項目情況進行了概括?？梢苿有⌒投丫哂薪ㄔ斐杀镜?、建設周期較短、可快速部署和機動性強的特點，不僅能夠解決偏遠地區能源需求問題，還能在自然災害等突發情況下作為應急電源，具有廣泛的應用前景。文中總結了可移動小型堆分類和不同類型可移動小型堆設計特點等，未來可移動小型堆的發展目標，重點分析了可移動小型堆發展面臨的問題與挑戰，重點針對可移動小型堆運輸安全相關問題及對策建議進行分析，相關建議包括：（1）運輸安全監管方面建議將可移動小型堆納入現行放射性物質安全運輸法規體系，新增“R 型”貨包，并實現許可運輸;（2）運輸安全設計方面，建議在可移動小型堆研發初期的總體技術方案中包括運輸安全相關研究技術方案的內容，以減少堆本體設計與運輸安全設計的迭代次數;（3）測試驗證技術方面，建議研發可移動小型堆運輸過程性能監測儀控系統，并建立到地交付安全性能保持測試驗證與評價技術，以及安全相關重要部件交付接受準則。此外，仍需持續深入開展先進核燃料、先進材料研發，以及可移動小型堆運輸安保、應急等方面研究。

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