孙小凯[]，张 明，李林蔚
中核战略规划研究总院，北京100048
摘要：根据国际原子能机构的定义，小型反应堆是发电功率300MW一下的核反应堆，在具体类型上，可以分为压水堆、熔盐反应堆等。小型反应堆一般具有体积小、模块化的特点，具备固有安全性，且一般换料周期长，具有成本优势。除可以用来发电以外，还可以用于工业供热供汽、海水淡化、城市供热供暖、高温制氢等多领域用途。国际上许多国家都将小型反应堆作为其未来核能的重点发展方向。本文首先对先进小型压水堆的优势进行分析介绍，随后系统梳理了目前全球若干小型反应堆的特点，详细介绍了美国的NUSCALE反应堆、俄罗斯KLT-40S反应堆、阿根廷的CAREM反应堆等，对其技术特点、用途等进行了详细的分析，并提出先进小型压水堆的发展展望。
关键词：小型反应堆；技术特点；发展展望
0 引言
根据国际原子能机构的定义，小型反应堆是发电功率300MW以下的核反应堆，在具体类型上，可以分为压水堆、气冷堆、熔盐反应堆等。小型反应堆的开发已经有几十年的历史，全球核工业已建造了数百座小型动力堆用作海军舰艇动力装置或中子源，许多国家在小型反应堆的研发、设计、建设和应用领域积累了大量的工程技术经验。其中，发展最快、技术最成熟、影响力最大的是小型压水堆，也是本文讨论的重点。
1 先进小型压水堆的特点和优势
相比于大型反应堆核电厂存在建造周期长、建设成本高以及选址要求高等问题，先进小型压水堆在安全性、经济性和灵活性上有很大的提高。
先进小型反应堆大量采用设计安全的概念，通过设计的优化从根本上消除或者尽可能的降低对反应堆构成威胁的事故工况。普遍采用一体化主回路压力容器结构，取消了主回路各主管道，从根本上消除了由于一回路主管道破裂造成的大坡口失水事故；大量采用非能动安全系统，通过多种循环系统，转移堆芯余热，有效降低了失水事故后堆芯温度升高和堆芯裸露的可能性，不需要人工干预，极大地提高了安全性[2]。
先进小型反应堆一般采用一体化设计、模块化安装，具有更大的设计简单性，并具备批量生产的能力。一体化主回路结构和其他多数部件可以在工厂完成制造和组装，直接运抵电站安装，大大降低了费时费力的现场制造和组装的需要。相比于大型核电厂，具有较短的建造时间、较低的选址成本。且一般换料周期长，具有一定的成本优势[3]。
先进小型反应堆应用途径广泛。除可以用来发电以外，还可以用于工业供热供汽、海水淡化、城市供热供暖等多领域用途。
2 先进小型压水堆发展现状
2.1 NuScale反应堆
NuScale是美国能源公司设计的全自然循环一体化小型压水堆，是美国发展较快、具有代表性的小型反应堆，最大的特点是全自然循环运行和深度模块化。Nuscale最小模块功率为60MWe，其核电厂房采用了深度模块化设计，每个电厂可容纳6—12个模块，用户可以根据需要进行灵活调整。同时，各个反应堆模块之间相互隔离，不同的反应堆模块可以有不同的用途，如部分用来发电、部分用于提供蒸汽供热。NuScale的设计最大的革新在于把非能动原理的应用从反应堆安全系统推广到反应堆运行系统，简化了主回路和反应堆应急冷却系统，降低了单堆建造成本，摆脱了对1E类备用电源的需求。一回路没有冷却泵，通过堆芯和蒸汽发生器之间形成的一回路冷却剂自然循环导出堆芯热量，从而消除了泵故障导致的事故，提高了反应堆的安全性。NuScale的整个压力容器都放置在耐高压的钢制安全壳中，运行时整个反应堆模块都浸没在水池中。
NuScale采用模块化设计，由于压力容器外径只有2.7 m，长度13.7 m，整个压力容器和堆内组件（包括蒸汽发生器、稳压器、堆芯构件和控制棒机构）都可以在工厂完成制造和组装，并运到电厂，进行下一步的安装和调试。这种深度模块化设计可以大大减少新机组在电厂的安装和调试时间，缩短了电厂建造工期，另一方面，电厂可根据实际需要逐步增加机组数量，甚至可以做到“安装、运行、发电”同步进行。这种模块化建造和运行方式有效地增加电厂规划的灵活性，提高资金的使用效率。
NuScale具备多种用途，除供电外，还包括海水淡化、稠油热解、核能制氢等。
2020年8月，美国核能管理委员会（NRC）批准了NuScale的“小型模块化反应堆”，首座商用NuScale反应堆预计将在2029年开工。
2.2 KLT-40S反应堆
KLT-40S是由俄罗斯Afrikantov OKBM（阿夫里坎托夫机械工程实验设计局）设计的小型反应堆，是对其标准的核动力破冰船系统（KLT-40）进行设计改进后，在安全性方面有显著提升的浮动式发电机组。单个KLT-40S模块的热功率为150 MWt，电功率为35MWe，可用于供电或进行海水淡化。KLT-40S换料周期为3—4年，具备船上换料能力并设置有乏燃料贮存设施。KLT-40S的堆芯采用了四环路的强迫循环方式进行冷却，并依靠对流进行应急冷却；在发生紧急事故时，应急冷却则依赖于自然对流进行。
2019年8月，世界首座浮动核电站——俄罗斯罗蒙索夫院士号开始运行，采用两个KLT-40S反应堆进行供电、供热等。
2.3 CAREM反应堆
CAREM是阿根廷国家原子能委员会开发的一体化蒸汽发生器的模块式压水堆。是基于间接循环的自然流动反应堆，设计简化且提升了安全性。反应堆压力容器直径3.5m，高度11m，它的一回路冷却系统均在反应堆压力容器内而且不需要任何一回路循环泵，完全依靠自然循环。热功率为100MWt，发电功率为25MWe。2014年2月8日，CAREM反应堆原型堆正式开工建设。原定于2019年建成，但进展缓慢。
2.4 SMART反应堆
SMART反应堆是330MWt的先进小型压水堆，具有一体化蒸汽发生器和固有安全性，它是由韩国原子能研究所（KAERI）设计的，用于发电或供热、海水淡化等，电功率为90 MWe，具有一体化的蒸汽发生器和余热导出被动安全特性。2021年4月，韩国水电核电公司（KHNP）宣布和KAERI合作提高SMART设计的经济性，并希望在2028年前获得出口许可。
2.5 ACP100（玲龙一号）
ACP100由中核集团基于核电站的工程实践，研发、设计、建造和运行经验，采用一体化反应堆设计和非能动安全系统，安全性达到了第三代核能系统技术水平，是一种多功能小型模块化反应堆。ACP100将蒸汽发生器、稳压器和冷却剂泵包容到反应堆压力容器中，简化了反应堆冷却剂系统，消除了冷却剂系统内的大尺寸管道连接和大量压力贯穿件，从根本上消除了发生大破口失水事故的可能性，并采用非动能安全系统，进一步提升了安全性。单个模块热功率为385 MWt，电功率约为125 MWe，每个核电厂可以包括2-6个模块。可以用于区域发电、海水淡化、供暖等多领域。2016年，ACP100通过IAEA通用反应堆安全审查，认为ACP100是创新的小型压水堆设计，采用“固有安全+非能动” 的安全设计，能够处理极端环境条件和多种故障，达到国际先进水平。2019年，海南昌江示范工程开始施工建设。
3 先进小型反应堆的发展展望
先进小型压水堆是优化核电厂安全性、经济性和灵活性的结果，在非主干电力系统，可以比较经济和高效地替代中、小型火电机组。现有的先进小型压水堆普遍采用模块化的一体化设计，并大量使用非能动安全系统，从而有效的提高了反应堆的安全性和经济性。代表世界核电技术发展新方向，虽然目前的先进小型压水堆核电都处于起步阶段，但随着技术进步、成本降低，先进小型压水堆的技术可行性、安全性、经济性都具有更大的优势，可以作为中小型火电机组的有效替代，作为节能减排、实现碳达峰碳中和目标的重要手段。
参考文献：
[1] 陈培培,周赟.世界先进小型压水堆发展状况[J].核动力工程,2012,33(05):136-139..
[2] 周培德,侯斌,等.小型反应堆技术发展趋势[J].原子能科学技术, 2020, 54(S1):218-225..
[3] 张浩,王建建.小型反应堆发展现状及推广分析[J].中外能源,2020,25(10):26-30.
[4] 刘冲,黄勇.先进小型核反应堆发展前景及其所面临的问题[J].南华大学学报(社会科学版),2018,19(04):10-14.
作者简介：孙小凯(1991—)，男，河南周口人，助理研究员，博士，主要从事核能发展改革、战略研究