小微型模块式反应堆发展研究

王晨 郑鑫 张慧敏

摘 要：小微型核反应堆在民用领域和军用领域均获得了长足的发展，国际上也对其进行了广泛研究，积累了丰富的研究经验。本文首先分析了小微型模块式反应堆的发展背景和研发现状，然后探讨其发展的关键技术难点，最后提出从提高技术创新能力、明确市场需求、探索技术经济平衡、完善安全审查制度、建立国际合作渠道等方面寻求进一步突破。

关键词：小微型核反应堆;民用领域;军用领域

中图分类号：TL341文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）10-0110-04

Research and Discussion on the Development of Small and Micro Modular Reactors

WANG Chen ZHENG Xin ZHANG Huimin

（China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.，Beijing 100840）

Abstract： Small and micro nuclear reactor has made great progress in both civil and military fields， and has been widely studied and accumulated rich research experience in the world. This paper first analyzed the development background and R & D status of small and micro modular reactor， then discussed the key technical difficulties of its development， and finally proposed to seek further breakthroughs from improving the ability of technological innovation， clarifying the market demand， exploring the technical and economic balance， improving the safety review system， and establishing international cooperation channels.

Keywords： small micro nuclear reactor;civil field;military field

1 小微型模块式反应堆发展背景

近年来，小微型模块式反应堆受到了国际核工业界的广泛关注，简化紧凑的设计、高固有安全性、灵活多变的应用场景使其成为核反应堆领域的研发热点。根据国际原子能机构的定义，小型核反应堆指的是電功率小于30万kW的反应堆[1]。其中，电功率小于10 MWe的反应堆则被称为微型反应堆。从核反应堆的发展历史来看，无论是民用还是军用反应堆的研发，均是从小堆型起步的，以获得必要的设计和运行经验。时至今日，民用核反应堆功率已达百万千瓦级别，但小微型核反应堆仍以灵活、用途多变等特点占据着核电市场的一席之地。

早期的小型核反应堆是商用反应堆的雏形，其中包括1958年西屋公司设计的60 MWe反应堆Shippingport，1960年西屋公司设计的185 MWe反应堆Yankee Rowe，1962年B&W公司设计的275 MWe反应堆Indian Point One等（见图1）[2]。在军事领域，以美国，俄罗斯为首的国家也早早将小型反应堆应用于陆、海两军。美国陆军核电计划开发了8座用于地面的军事反应堆，分布在弗吉尼亚州、阿拉斯加州等地，甚至在南极也建造了便携式反应堆，用于供热及海水淡化[2]。俄罗斯最为著名的则是将小型铅铋核反应堆应用于Alfa级核潜艇，其至今仍是航速最快的核潜艇。同时，俄罗斯还利用小型反应堆建造了海军水面舰艇和破冰船。之后，各个国家逐步将研发中心放在了大功率核反应堆上，这主要是出于对经济性的考虑。

2010年，美国能源部提出了模块化小型堆概念，使小微型模块式反应堆再次成为国际核工业界的研发热点。主要背景是：在经历了三次重大核事故后，大型反应堆的安全性被提到了前所未有的高度;高冗余度、复杂性的安全系统一方面提高了反应堆的安全性，但另一方面也降低了其经济性，并且还伴随着建设拖期的风险;另外，大型核反应堆对初始投资的门槛要求极高，风险极大;同时，大型核反应堆由于功率较高，无法满足一些国家的电网要求，因此，大型反应堆的发展受到了一定制约。而小微型模块式反应堆则瞄准了大型反应堆无法解决的痛点。由于小微型模块式反应堆功率较小，并采用一体化、模块化等简化设计，因此，具有良好的固有安全性。同时，其初始资金投入门槛较低，建设风险小。小微型模块式反应堆对电网的适配性较好，并且用途更加灵活。此外，美国和俄罗斯均继续开展军用小微型模块式反应堆的研发，并且提出了移动式小微型模块式反应堆电源以及空间核动力装置等概念。可以说，小微型模块式反应堆的发展是军民融合的良好体现，并且为大型反应堆研发提供经验，逐步成为核能发展的创新解决方案。

2 小微型模块式反应堆研发现状

2.1 民用领域

在民用核电领域，世界范围内有超过70种小微型模块式反应堆设计方案，但仅有一小部分获得了建造许可，其余的仍处于研发阶段[3]。国际原子能机构（International Atomic Energy Agency，IAEA）2020年发布的先进模块化小型反应堆技术报告将反应堆划分为六种类型[4]：小型水冷堆（陆地）、小型水冷堆（海上）、小型高温气冷堆、小型快中子堆、小型熔盐堆和微型反应堆。其中，小型水冷堆（陆地）数量最多，具有代表性的包括美国能源部先后资助的努斯卡尔公司的NuScale、BWX技术公司的mPower以及霍尔台克公司的SMR-160，但是仅NuScale推进顺利，已于2020年通过安全评审，预计在2026年前后投运;中国核工业集团有限公司研发的ACP-100作为华龙系列产品，现已经进入工程示范堆建设阶段;俄罗斯先后研发了UNITHERM、VK-300、KARAT-45、KARAT-100、RUTA-70等水冷堆型，其中，仅VK-300进行了详细设计，其余均处于概念设计阶段，但俄罗斯依靠在军用潜艇领域的丰富经验，在小型快中子堆研发方面占据领先地位。主要国际民用小型模块化反应堆见表1。

当前，民用小微型核反应堆具有3点共性特点：①设计简化、紧凑，一些小微型核反应堆采用了一体化堆芯设计，将堆芯、蒸发器、主泵等关键设备进行整合，一些反应堆则直接采用自然循环设计，这都大大降低了反应堆的复杂性;②安全性高，安全系统多采用基于重力、密度差的自然循环设计，消除了事故条件下对于外部电源的需求，降低了堆芯损伤概率;③可靠性强，大量非能动设计最大限度地减少了操作、维护、控制的难度。此外，多家民营初创公司也正在开展铅冷堆、钠冷堆、熔盐堆等小堆型的研发，例如，泰拉能源公司的行波堆、地球能源公司的熔盐小堆、奥克洛公司的钠冷微堆、超安公司的微型气冷堆、四代能源公司的铅冷小堆等，大多处于概念设计和初步设计阶段。

2.2 军事领域

军事装备已进入信息化时代，各种先进武器、雷达等重要军事设施都需要安全稳定的电源供应。随着网络安全形势日益严峻，电网遭受敌方网络攻击导致中断的风险不断增加，这就需要更加独立的分布式电源供电。可移动小微型模块式反应堆可远离电网独立运行，为关键负荷以及正常或紧急状态下的主电源提供相应电力，且具有换料周期长、安全系数较高的特点[5]。美国方面早在1962年就开发了小型气冷移动核反应堆ML-1。2020年3月，美国国防部战略能力办公室（Strategic Capabilities Office，SCO）授予BWX、西屋及X-Energy三家公司研发合同，开展为期两年的工程设计，制订出可移动堆原型方案，之后将对三家的方案进行评估，最终选定一家资助，原型堆将在爱达荷州国家实验室或橡树岭国家实验室建造。2015年，俄罗斯国防部也已委托开发用于北极军事设施的小型移动式核电站。核动力舰艇方面，由于其内部环境苛刻，小微型模块式反应堆因其重量轻、体积小的特点，在该领域获得了长足发展。目前，其已在航母、潜艇、巡洋舰等军事装备上得到广泛应用，并且还在不断改进，提高安全性、稳定性，并增强其可靠性。同时，军用小型高温气冷堆、军用小型热离子堆等新型反应堆也尝试用于舰艇上。军用飞机的核动力推进系统发展始于1946年，但后续逐步停滞，转向了空间反应堆电源的研发[6]。

2.3 航天领域

在空间核动力方面，小微型模块式反应堆的应用方式主要有两种：空间核电源和核推进系统。空间核电源是将核反应堆产生的热能转化为电能，最初应用于军用航天任务[7]，其目的是满足空间站、空间基地等设施的电力需求。核推进系统是通过小微型核反应堆的能量产生推进动力。由于反应堆质量小、能量密度高，因此适合作为各类航天运载器的动力。美国2019年重启了核热火箭项目，主要用于核热火箭燃料的研发。核热火箭使用气冷反应堆替代传统火箭的燃烧室，比冲等综合性能是化学火箭的2倍，可大幅缩短空间旅行时间[8]。

3 關键技术难点

小型核反应堆发展至今已形成了多个分支堆型，每种不同的反应堆类型均面临着不同的关键技术难题。例如，铅冷堆面临着冷却剂腐蚀、Po-210污染问题;钠冷堆存在钠火安全性问题;气冷堆面临气机研发难度大等问题。此外，小微型反应堆虽然已经具有一定的技术储备和运行经验，但其也面临着一系列尚待解决的关键技术难题。

3.1 核燃料研发

各类先进小微型模块式反应堆因特点不同，采用的核燃料也不尽相同。目前，核燃料种类包括氧化物燃料、金属燃料、氮化物燃料、碳化物燃料等。但是，大多小微型模块式反应堆都面临着新型燃料研发的关键技术问题。近年来，核工业界逐渐将注意力转向高含量低浓铀（High-Assay Low-Enriched Uranium，HALEU）燃料上，以保证新型反应堆具有更高的效率和更长的寿期。HALEU可以是金属燃料也可以是氧化物燃料，可以使用现有的离心技术生产，但是对于转化、制造以及运输容器方面均提出了更高的要求。

3.2 新型材料研发

新型材料的研发一直是限制反应堆创新设计的主要因素。除水冷堆以外，铅冷堆、钠冷堆、热管堆、高温气冷堆等新型小微型反应堆设计中，结构材料的耐腐蚀性、耐高温性均制约了堆芯的有效运行。同时，材料性能也是对安全性影响最大的因素。国际上对新型材料进行了多角度研究，包括机理和实验研究，并且获得了一定的数据支持。同时，也开展了相关应对措施的研究，包括改善材料特性，采用涂层或抑制剂等[9]，但新型材料仍不能完全满足要求。

3.3 先进加工制造技术

小微型模块式反应堆的特点是一体化、模块化。一体化是将堆芯、蒸汽发生器、主泵等关键设备进行一体化集成，模块化是通过在专用工厂进行预组装来提高生产效率和质量，降低管理风险。但是，这也对加工制造技术提出了新的挑战。另外，在反应堆后续运行维护上，如何对这些高度集成的设备进行检修也是面临的一大问题。

3.4 仪器仪表及控制系统

先进小微型模块式反应堆的仪器仪表设计、控制系统逻辑和人机界面等与传统的压水堆不同，需要重新进行设计与验证[10]。另外，针对整体布局和材料的不同，探测和监控设备也需要提出新颖、可靠的解决方案。对比当前一般反应堆，小微型模块式反应堆具有更长的燃料循环周期，这会增加仪器仪表的维护和更换问题，因此，也需要更强的可靠性和更长的校准时间。

3.5 核燃料循环

各类小微型模块式反应堆所使用的类型不同的核燃料也伴随着燃料循环的问题。不同的核燃料因化学组分不同，其制作方法、后处理方式、再循环流程等均存在一定差异，因此，需要开发新的燃料循环设施。同时，这些小微型模块式反应堆主要应用场景是偏远且发展不充分的地区。虽然反应堆具备很长的换料周期，但是，核燃料的储存、运输、处置也是需要进一步解决的问题。

4 后续发展建议

基于小微型模块式反应堆的技术特点和当前发展现状，提出了以下几点后续发展建议。

第一，进一步提高技术创新能力。小微型模块式反应堆需要通过创新来实现运行的经济性。因此，要在现有基础上，进一步提高技术创新性，例如，创新安全系统设计、人机接口方案，以补偿功率较低造成的经济缺口。

第二，明确能源市场细分化需求。小微型模块式反应堆瞄准的是大型常规核电厂无法满足的能源市场细分化需求，因此，要充分发挥其灵活性的特点，为电网不发达地区提供电力解决方案，为不需要大量发电的地区提供供热解决方案，为火电厂提供能源替代方案。

第三，积极寻求技术与经济性的平衡点。小微型模块式反应堆依靠设计简单、模块化制造等方式降低成本;但是，由于功率较低，目前小微型模块式反应堆所展现的发电经济性仍不及大型常规反应堆。对此，可以将反应堆进行多模块联合运行，通过共用系统的方式，摊薄平均建设和运营成本。

第四，完善小微型模块式反应堆的安全审查制度。目前，对新建核电机组的审查制度基本一致，并且未针对不同堆型进行细分。对此，应对当前核安全监管制度和要求进行一定的创新和完善。

第五，建立良好的国际合作渠道。在国家和国际层面上支持行业、企业、研究机构和大学之间建立技术合作伙伴关系，并利用国际原子能机构独特的地位，积累和传播有关小微型模块式反应堆创新设计的经验和信息，以加快研发的步伐。

5 结语

国际核工业发展历程中，小微型模块式反应堆在国防和民用领域具有深厚的技术基础，并展现出了良好的发展前景。其具备的紧凑设计、高安全性、可靠性强等特点，可以有效降低堆芯损伤概率，其高灵活性的特点使其可以适用于诸如陆地、海岛、舰船、航空航天等多个场景。国际上已对小微型模块式反应堆进行了广泛的研究。随着先进小微型模块式反应堆的研发，一些关键技术难点也逐渐暴露出来，包括核燃料研发、新型材料研发、核燃料循环等。为提高小微型模块式反应堆市场竞争力并持续推动其后续发展，建议从提高技术创新能力、明确市场需求、探索技术经济平衡、完善安全审查制度、建立国际合作渠道等方面寻求进一步的突破。

参考文献：

[1]刘群.小型核反应堆在美国的商业前景及启示[J].中国核工业，2016（8）：30-32.

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[4]SUBKI，HADID. Advances in Small Modular Reactor Technology Developments[C]//IAEA-NPTD Webinar on Advances in Small Modular Reactor （SMR） Design and Technology Developments a Booklet Supplement to the IAEA Advanced Reactors Information System （ARIS）.2020.

[5]蔡莉，张莉，赵松，等.美国军用微型反应堆研发与应用动向[C]//中国核学会.中国核科学技术进展报告（第六卷）：中国核学会2019年学术年会论文集第9册（核科技情报研究分卷、核技术经济与管理现代化分卷）.北京：中国原子能出版社，2019.

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[7]闫锋哲，赵强.空间核反应堆电源技術需求和应用分析[J].科技视界，2019（18）：52-53.

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[9]胡亚东.T91钢在静态铅铋氧控环境中应力腐蚀行为研究[D].合肥：中国科学技术大学，2018：25.

[10]HIDAYATULLAH H，SUSYADI S，SUBKI M H. Design and technology development for small modular reactors–Safety expectations， prospects and impediments of their deployment[J].Progress in Nuclear Energy，2015（79）：127-135.