模块式小型反应堆研发现状及前景分析

2022-05-07 15:15:02| 浏览次数：

摘要：目前的核电站大多数为装机容量较大的反应堆，有些甚至达到了175万千瓦的单机容量，大型堆核电站一次性投入成本高、建造周期长，且难以适应小型电网的需求，而小型反应堆恰好可以解决这一问题，全球掀起了模块式小型核电机组的开发热潮。文章主要介绍了模块式小型反应堆的研发现状、用途，并分析了小型堆与常规堆的优劣势及其发展前景。

Abstract： At present， most of the current nuclear power plants are the large power capacity types， some can up to 1750MW per nuclear reactor. It has the high investment and long construction period， and it can not suit for the small electricity grid problems， but the modular miniature nuclear power reactor can solve these problems. For above， the modular miniature nuclear reactor is highly cared and researched by people all over the world. The paper briefly summarizes the research and development status， and applications of the modular miniature nuclear power reactor， also analyses the advantages and the prospect of it.

关键词：模块式;小型反应堆;发展状况;前景

Key words： modular;miniature nuclear power reactor;research & development status;prospect

中图分类号：TL42 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）02-0030-02

0 引言

目前，小型反应堆已经备受世界各国的关注和青睐，国际原子能机构也鼓励发展和利用安全性能高、系统构筑物可靠、投资相对较小的中小型反应堆。二十一纪初期小型堆得到国际高度重视，在二十世纪五六十年代，中小型堆的运用已经开始了。早期的研究主要为实验堆、小型核电站及数百台用于海上舰船的推进动力系统的小型堆。

当前科学家、企业家们所关注的小堆主要是指小型先进模块化多用途反应堆，其最大特点是一体化、模块化、安全性能高及多用途。一体化是指将反应堆及反应堆冷却剂系统一体化集成为反应堆模块;模块化是指系统构筑物可在工厂进行加工制造，在现场快速安装;安全性能高主要是采用了能动结合非能动理念，采用了固有安全性设计，其安全性不低于目前国际先进的三代核电技术要求;多用途是指小堆可以用于发电、工业供热供汽、为城市供暖及海水淡化。

1 国内外小堆研发现状

1.1 概况

目前，美国、俄罗斯、中国、韩国走在了小堆研发的前列。世界上进行小堆研发的国家很多，但真正投入建设项目并不算多。据统计，在国际原子能机构注册的小堆有40余种，被行业公认为具有应用前景的有十余种。全球正在运行的中小型堆共计132座，其中小型堆26座，中型堆106座，正在建造中的13座。拥有中小型堆的国家28个，所有这些中小型堆的总容量近6万兆瓦，累计运行经验超过5000堆年。

1.2 美国研发现状

美国一直走在世界研发前列，目前已进行了6种不同的小堆设计。美国政府也给予小堆研发很大的支持。美国能源部计划资助两种小堆设计研发，预计在未来5年内投入约5亿美元的资金。2012年11月，美国巴威公司的mPower反应堆获得了7900万美元的资金支持，用于在2022年实现该设计的原型堆。

1.3 俄罗斯研发现状

俄罗斯无论是在核武器发展方面还是在核能和平利用方面都走在世界前列，在小堆研发方面也有所建树，目前正在研发5种不同的小堆。2013年俄罗斯研发的金属冷却一体化快堆SVBR-100的培训模拟机已经开始运行，预计2019年实现商业化生产。

1.4 我国研发现状

中国核工业集团公司、中国广核集团公司、国家核电技术有限公司、中国电力投资集团公司、清华大学都在开展小堆的前期工作。甚至中船重工集团也涉足其中，进行了海洋核动力平台的研发，初步形成了不同功率匹配的海洋核动力平台方案。

中国核工业集团公司凭借多年技术研发的基础，在小堆研发上走在行业的前列。目前，中国核工业集团公司研发的ACP100投资金额达5亿余元，已经进入工程设计阶段，ACP100的关键设备及软件均属自主研发。示范工程在福建莆田市進行建设，预计建设两台100MW的机组，计划2017年投入运行。清华大学研发的10MW高温气冷实验堆，用氦气作冷却剂、用涂敷颗粒作燃料、用石墨作慢化剂，于2000年12月建成临界，标志着我国对高温气冷堆技术的研发取得了突破性成果，基本掌握了核心技术和系统设计集成技术。在此基础上，20MW的高温气冷堆核电站示范工程落户于山东石岛湾，于2012年12月9日正式开工建设，成为我国第一个有工程实践的小堆项目。

2 小型堆的优势劣势分析

2.1 小堆的优势

与大型反应堆相比，小型堆具有独特的优势，主要有以下四方面：

①缩短建造周期，降低建造成本。因小堆实现模块化建造，这些模块可在工厂中批量生产，相对于现场施工和组装而言，建造成本大幅下降，建造周期大大缩短。一般预计首批机组的施工周期在3年左右，后续机组建设周期一般为2年。

②建造模式可以是多期单机组或多期双机组。一般在前期建设时给后续机组留有充分的物理分隔，以便可以在前期机组运行的同时进行后续机组的建设。这样的建造模式可以使得若干个单模块、总功率相同的厂址面积同等功率的单机组厂址相当或更小。

③融资难度降低，相对大型核电站而言，小堆建设在项目初期，无需筹集庞大的资金，当前期建成发电时，发电利润将为后续建设提供资金保障。

④实现按需建造。较大的国家可以根据自身需求选择建设小型模块机组，而一些小国或郊区、偏远地方则只能建设小堆，因为其电网可能由于太小而无法承受1000 兆瓦以上的单台机组。

2.2 小堆的劣势

小堆虽然有诸多优势，但这些优势也不是绝对的，也存在其发展劣势，主要包括四个方面：

①建造成本未必降低。与汽车、智能手机或类似小型装置相比，反应堆的单位千瓦材料成本可能随着尺寸的下降而增加，这是因为反应堆规模小了后，堆芯的体积热释率小了，单位功率的系统设备设备费、燃料费、操纵员培训费、人员管理费、审评费及后处理费等等都可能增加。

②建造周期未必缩短。由于各种原因导致后续小堆项目未按原计划进行，其整体的建设周期可能就不占优势了。

③审批方面的新问题。由于目前各国的法律法规、核电项目审评程序等都主要是针对大型核电站的，发展小堆就必须为小堆制造设施制定新的审批和检查程序，包括对核安全设备的检查、试验。

④乏燃料管理问题。小堆的乏燃料更复杂，这是因为小堆乏燃料分布在在更多的场址中，其管理可能更复杂，需要投入的资金也更大。目前的乏燃料管理技术主要是针对轻水堆。而有的小堆建在地下，这可能使小堆退役更为复杂。

3 小型堆的发展前景分析

3.1 各机构对小堆前景预测

国际原子能机构曾对小型堆的发展进行过预测，估计在2030年全球将建设43～96座小型堆。国际著名的美国法维翰调查咨询公司曾预测，到2030年全球將有1800余万千瓦的模块式小型堆在运行。美国芝加哥大学等国际研究机构预测，到2050年，模块式小型堆将占核电总装机容量的25%。美国全球核能竞争力顾问委员会表明，美国在2030年后市场对小型反应堆的需求将超过500座。各机构研究均表明小型反应堆在未来几十年有很大的发展空间及前景。

3.2 各国对小堆需求分析

由于不同国家的国情不同，对小型堆应用的领域和目标也有所不同。对发展中国家而言，由于其经济实力发展相对较弱、电网容量较小，大型核电建设较适合少数经济发达的大国。而小型堆由于其建设周期短、运行相对简单安全、一次性投入少的特点，适合发展中国家电力需求。

①中国对小堆需求。我国内陆很多地区、特别是边远山区，受到地理位置、交通、冷却水源、电网容量和融资能力等条件的限制，大型核电站的建设受到很大的限制，而小型堆一来可以克服这些不利因素，二来可以满足小电网发电需求。城市供热是我国目前比较重要的能源需求问题，开发利用小型堆“以核代煤”的发展策略迫在眉睫，利用供热堆是解决二氧化碳污染及缓解雾霾的重要举措。我国是世界上水资源比较缺乏的国家之一，用小型堆进行海水淡化是比较可行的途径，这方面的关键攻克后小堆在这方面的需求会急剧增加。

②美国对小堆需求。美国之所以投入大量人力、物力、财力致力于小型堆的研发，正是因为看到了世界小型堆的乐观发展前景及美国本土的极大需求，美国小堆的需求主要是用于取代逐渐退役的化石燃料电厂以及美国一百多座面对着退役的大批核电站，这些核电站基本运行了20年以上。

③俄罗斯对小堆需求。俄罗斯的最大特点是地域辽阔，人口分散，一年中寒冷天气占时长，供暖、供电需求非常大。因此对小堆的需求无疑也是超过世界上绝大多数的国家的。

④其他国家对小堆需求。在目前全球几十个有意采用核能的国家中，很多国家的核电站一方面面临着退役，另一方面面临节能减排的压力，各国家均需要建设小堆来满足电网需求，同时取代化石电厂，达到节能减排的目的。可见，全球对小堆的需求是巨大的。

4 结语

模块式小堆因其安全性高、建造周期短、一次性投入少，受到全球的青睐。一方面小堆能满足中小电网需求，特别是适合偏远山区建设，另一方面可以作为城市供热用，也可以为破冰船、海上船舰提供动力，具有巨大潜在市场。因此应该做好迎接小型堆的准备，在科研投入、人才培养、政策法规、公众宣传等方面加大力度。

参考文献：

[1]钱天林.审视小堆新格局[J].中国核工业，2013（10）.

[2]陈培培，周赞.我国发展先进小型轻刊反应堆的一些思考[J].中国核电，2012，5（1）.

[3]陈文军，姜胜耀.中国发展小型堆核能系统的可行性研究[J].核动力工程，2013，34（2）.

[4]叶奇蓁.模块式小型反应堆[R].江西三核论坛报告，2013，11.

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作者简介：熊厚华（1983-），男，江西吉安人，湖北科技学院核科学与技术学院系主任，讲师，研究方向为反应堆物理。