2021年4月13日，經合組織核能機構(OECD/NEA)發(fā)布了題為“小型模塊化堆：挑戰(zhàn)與機遇”的研究報告。報告中將電功率介于300兆瓦和10兆瓦之間的反應堆定義為小堆(SMR)，低于10兆瓦的反應堆定義為微堆(MMR)。SMR具有固有安全性高、結構簡單、建造標準化以及靈活應用等特點，符合未來能源需求。SMR也越來越受到決策者、核電業(yè)主和能源行業(yè)分析者的關注。但是SMR仍面臨很多阻礙其商業(yè)化等方面的問題。早在2011年和2016年OECD/NEA就發(fā)布過針對SMR的經濟性和市場前景的報告。2017年和2019年，OECD/NEA又專門針對SMR的相關法規(guī)和監(jiān)管問題組織了研討會。此次報告是對前述報告和會議內容的總結，旨在進一步評估SMR在大規(guī)模部署和提高經濟競爭力等方面面臨的機遇與挑戰(zhàn)。本文主要介紹SMR的發(fā)展概況、技術經濟性特點以及各國的支持舉措等。

1 SMR研發(fā)概況

為減少溫室氣體排放，核電將是總體能源結構中必不可少的一種能源。據國際能源署(IEA)可持續(xù)發(fā)展情景(SDS)預測，2020～2040年，核電發(fā)電量增長率將由目前的5 GW/年再翻一翻。但是，近年來新建核電項目工程拖期且成本不斷上漲，使得公眾和利益相關者對新核電項目建造缺少信心。SMR技術可解決近期核電項目中的一些問題，同時還能夠擴大核能的作用，使整體能源結構脫碳。

SMR的設計可以有多種分類方式，此次OECD報告將SMR分為以下五類：①單機組輕水堆-SMR：采用成熟的輕水堆技術和燃料的獨立機組，可替代小型化石燃料機組或部署為分布式發(fā)電機組;②多機組輕水堆-SMR：也采用輕水堆技術，可根據發(fā)電容量替代中型基本負載容量，也可以在分布式發(fā)電框架中運行;③可移動/可運輸式SMR：目前采用輕水堆技術，目的是便于從一處轉移到另一處，浮動堆屬于此類別;④第四代(Gen IV)SMR：采用先進的非輕水堆技術，包括第四代核能系統(tǒng)國際論壇(GIF)認可的設計概念;⑤微型模塊化反應堆(MMR)：裝機容量小于10 MWe的設計，通常能夠半自主運行，相對于較大的SMR，其運輸能力得到改善。MMR主要用于偏遠地區(qū)的離網運行。這些SMR設計的技術成熟度(TRL)和許可成熟度(LRL)各不相同。

當今的SMR之所以受到關注，不僅因為其尺寸小，更是由于小尺寸帶來的安全性、交付模型和商業(yè)案例等。商業(yè)化進程最快的小堆設計均基于已經積累數(shù)十年運行和監(jiān)管經驗的大型輕水堆設計。有一些設計正在建造中(如阿根廷的CAREM、中國的ACPR50S)或正在商業(yè)運行中(如俄羅斯的KLT-40S)。這些技術是世界范圍內運行的二代和三代/三代加反應堆的小型進化變體，受益于其數(shù)十年的運行和監(jiān)管經驗。圖1是某些反應堆設計與輸出功率、堆芯出口溫度和堆型的關系。最成熟的第四代設計是金屬冷卻和氣體冷卻系統(tǒng)，采用這些設計的一些機組目前正在運行或建造中。

目前，至少有72個SMR概念正處于不同的開發(fā)階段(IAEA，2020年)，較2018年增加了40%(IAEA，2018年)。表1列舉了國際上處于開發(fā)階段的代表性SMR，其中大約一半的設計概念基于LWR技術，另一半基于第四代概念。雖然“SMR”一詞在世界各地被用來指所有小型反應堆設計，但主要類型的SMR之間仍存在顯著差異，特別是在設計模塊化程度方面。

2 SMR的技術經濟特點

2.1 技術特點

SMR技術在尺寸上的縮小帶來了大多數(shù)設計共有的幾個有利特征：

(1)集成設計：堆芯的縮小能夠支持集成設計。集成系統(tǒng)可以將核蒸汽供應系統(tǒng)(NSSS)的所有部件整合到一個容器中。在這種配置中，一回路容器內的一回路冷卻劑總量明顯大于傳統(tǒng)外部回路配置中的總量，所以這種配置可以大幅度增加系統(tǒng)的熱容量和熱慣性。因此，這種配置增加了固有安全性，使系統(tǒng)運行和維護更簡單。

(2)固有安全性：堆芯的縮小使得功率輸出更低，同時得到了更高的表面積-體積比，這將提高非能動安全系統(tǒng)在正常運行工況和異常運行工況下的效率。例如，許多基于LWR的設計擁有非常大的水存量，用于非能動冷卻系統(tǒng)。對非能動冷卻系統(tǒng)的依賴程度更高，使得設計更加簡化，運行和維護也更加簡化。

(3)堆芯裝載量更低：更少的堆芯裝載量擁有廠內外優(yōu)勢。在廠內，需要的屏蔽更少，從而減少工人的受照劑量。在廠外，裝載量減少、事故發(fā)生的概率降低、導致潛在放射性釋放的能量減少，可以減少對應急規(guī)劃區(qū)(EPZ)的需要。這些優(yōu)勢可使一些SMR能夠置于更靠近需要能源的地方。

(4)模塊化和可制造性得到改進：重量和尺寸直接決定了各種部件的制造、運輸、提升和安裝難易程度。SMR的尺寸較小，使其建造過程能夠采用更宏大的模塊化方案以及新的制造技術。

(5)靈活性增強：通過利用現(xiàn)有第二代反應堆的機動性能力(NEA，2012年)，SMR可以通過固有的設計特征以及多機組機組的運行優(yōu)化，實現(xiàn)負荷跟蹤模式的增強。SMR的靈活性還包括其部署能力(如選址限制較少)和產品多樣性(熱電聯(lián)產)。

以上技術特點對SMR的安全性、經濟性乃至最終的市場競爭力都有重要影響。

2.2 關鍵經濟驅動因素

系列化生產的優(yōu)勢在其他行業(yè)已經得到了充分證明，包括造船業(yè)和飛機制造業(yè)。為了實現(xiàn)工廠化系列生產，單個設計的市場必須足夠大，而只有一小部分設計能夠建立這種市場。

為了抵消規(guī)模小而帶來的經濟性劣勢并提高競爭力，SMR的商業(yè)化需要實現(xiàn)系列化生產，系列化生產依賴于四個關鍵成本驅動因素：設計簡化、標準化和模塊化，同時最大限度地提高工廠化制造和最大限度地減少現(xiàn)場施工。

(1)設計簡化。堆芯裝載量減少能夠增強非能動機制并提升設計集成度，其獨特的物理特性能夠簡化SMR系統(tǒng)設計。新型SMR設計可能不再需要某些主動部件，例如反應堆冷卻泵及其相關的輔助系統(tǒng)，這些主動冷卻系統(tǒng)恰恰是大型LWR設計成本增加的原因。在SMR設計過程中簡化安全系統(tǒng)，可以降低電廠復雜性從而降低總體資本成本。一些多機組SMR研發(fā)方也在考慮通過開發(fā)共享的電廠基礎設施(例如共享的汽輪機廠房和控制室)來進一步簡化。總之，SMR可以通過減少部件和系統(tǒng)的數(shù)量與規(guī)模直接轉化為降低建造成本，也可以通過項目管理層面的效益間接轉化為降低建造成本。

(2)標準化。SMR設計提供了更高水平的標準化。經證明，設計標準化及其隨后的可重復性是降低大型反應堆成本的有效方法，因為它促進人們邊做邊學，并通過長期的新建造計劃增加供應鏈的流動性。

(3)模塊化和工廠建造。模塊化是一種通過將裝置分成可工廠制造、運輸和現(xiàn)場組裝的模塊來簡化施工的方式。盡管模塊化施工已用于大型核電廠，但SMR可以進一步利用模塊化施工的優(yōu)勢。特別是，模塊化帶來的成本降低可以通過在遠離施工現(xiàn)場的專用工廠中建造或預組裝模塊來實現(xiàn)，因為在專用工廠中，勞動生產率和質量控制預計會更高，項目管理風險更低。模塊化施工也可以產生間接效益，縮短施工工期并提高施工工期的可預測性，最終降低一些投資者預期的風險。工廠化制造可以帶來額外的好處，特別是在現(xiàn)場很難部署的先進制造技術的應用方面。數(shù)字化的制造鏈可以進一步降低成本和縮短時間。

3 研究SMR的主要國家近況和國際舉措

3.1 加拿大

2018年，加拿大發(fā)布了專門的SMR路線圖，以便與地方、國家和國際利益相關方積極合作，促進SMR的開發(fā)。該路線圖旨在促進創(chuàng)新，為核工業(yè)建立長期愿景，并評估了不同SMR設計的特征及其與加拿大需求和優(yōu)先事項的一致性。該路線圖的目標是就國家需求和優(yōu)先事項開展全國性對話，以了解SMR的潛在價值，確定與使用SMR相關的一些關鍵問題及其潛在風險和挑戰(zhàn)，并確定可能影響SMR可行性的一些政策。

此外，加拿大核安全委員會(CNSC)于2016年推出了一個新的可選擇的預許可框架，以促進與創(chuàng)新型SMR研發(fā)方的合作。在這一新的許可框架下，10家SMR供應商目前正在參與預許可流程。Global First Power公司的5 MWe高溫氣冷微堆(HTGR MMR)正在參與許可流程，預計在2026年之前，在喬克河的加拿大國家實驗室(CNL)建造和運行第一座示范裝置。2019年7月，CNL還啟動了加拿大核研究項目(CNRI)，為與加拿大第三方支持者合作的SMR研究項目提供支持。

3.2 法國

自2019年以來，法國政府一直支持行業(yè)協(xié)會開發(fā)一體化SMR Nuward的基本設計。這種300～400 MWe的SMR設計主要是為了滿足國際市場的需求，同時法國正在考慮建造示范性機組或同類別首個(FOAK)機組。該項目還積極促進國際合作，包括與西屋的合作。最近，作為其經濟復蘇計劃“法國經濟刺激計劃”的一部分，法國政府已撥款1億歐元支持Nuward基本設計的開發(fā)。

3.3 俄羅斯

繼同類別首個浮動式核電廠“羅蒙諾索夫院士號”投入商業(yè)運營后，俄羅斯國家原子能公司(Rosatom)計劃在圣彼得堡的波羅的海造船廠建造更多浮動式SMR。與此同時，該公司一直在開發(fā)下一代SMR，即RITM-200反應堆，用于浮動式部署和陸上部署。系列化建造可能在2030年之前開始。

3.4 美國

自2012年以來，美國能源部(DOE)SMR許可技術支持(LTS)項目向NuScale公司提供了2.17億美元的政府配套資金支持。2015年，美國政府向NuScale公司又提供了1 660萬美元的支持，用于與其第一個潛在客戶——猶他州聯(lián)合市政電力系統(tǒng)公司(UAMPS)合作準備建造和運營許可證申請(COLA)。DOE還在推動建造第一臺NuScale示范機組，該機組可以安裝在愛達荷國家實驗室(INL)的場址。2020年8月，NuScale概念成為第一個獲得美國核管會(NRC)設計批準的SMR設計。由于公眾對NuScale公司的持續(xù)支持，DOE授予了14億美元的額外費用分攤獎，以支持第一個示范裝置的建造。

與此同時，DOE正在為包括初創(chuàng)公司在內的私營供應商開發(fā)的創(chuàng)新型SMR概念提供支持。2015年，DOE啟動了“加速核創(chuàng)新通道”(GAIN)計劃，該計劃旨在幫助SMR供應商使用美國國家實驗室的研發(fā)基礎設施。

2019年，DOE宣布在INL啟動國家反應堆創(chuàng)新中心(NRIC)，旨在為技術研發(fā)方的反應堆概念測試和示范提供支持，從而協(xié)助私營部門開發(fā)先進的核能技術。2020年啟動了先進堆示范項目(ARDP)。這一新舉措對SMR和大型反應堆開放，旨在支持預計將在授予撥款后七年內全面部署的近期先進設計的示范，以及預計將在2030年及以后全面部署的早期設計的示范。該項目的預算撥款總額為2.3億美元。第一批被選中的設計是Xe-100和Natrium，這兩種設計在2020年10月都獲得了8 000萬美元。

DOE還通過先進能源研究計劃署(ARPA-E)支持更多先進SMR概念。該項目特別側重于微型模塊化反應堆(MMR)。

此外，美國政府正在通過立法框架改革來支持SMR。例如，2018年《核能創(chuàng)新和現(xiàn)代化法案》(NEIMA)促進了國家研發(fā)基礎設施的使用，并支持美國NRC在使認證過程適應SMR的特殊性方面的作用。

此外，美國NRC還發(fā)布了一份關于其審查先進非輕水堆技術許可申請戰(zhàn)略的白皮書草案(NRC，2019年)。到2019年年中，六座反應堆的設計單位已通知NRC，其打算尋求設計批準。這些反應堆包括三座熔鹽堆(MSR)、一座高溫堆(HTR)、一座鈉冷快堆(SFR)和西屋公司的eVinci熱管反應堆。

3.5 英國

2015年，英國邀請供應商提交滿足國家能源需求和工業(yè)潛力的建議書，以支持SMR和先進的反應堆設計。2019年7月，英國政府承諾投入1 800萬英鎊作為產業(yè)戰(zhàn)略挑戰(zhàn)基金的一部分，以支持由羅爾斯•羅伊斯公司牽頭財團提議的英國SMR的開發(fā)。在2020年11月發(fā)布的綠色工業(yè)革命“十點計劃”中，英國政府宣布額外撥款2.15億英鎊用于開發(fā)這一國內SMR設計。

英國商業(yè)、能源及工業(yè)戰(zhàn)略部(BEIS)也承諾投入高達4 400萬英鎊用于先進模塊化反應堆可行性和開發(fā)項目。第1階段已完成八座第四代(Gen IV)SMR的可行性研究。第2階段已經選定了三種設計，每種設計將額外獲得1 000萬英鎊。此外，還可能向監(jiān)管機構提供500萬英鎊，以支持這一舉措。最近的國家基礎設施戰(zhàn)略為該舉措的預算額外撥款1.7億英鎊。

目前政府對SMR部署的支持主要體現(xiàn)在四個關鍵領域：①提供長期政策支持，促進政府、私營部門和社區(qū)各級利益相關者之間的討論;②在設計和開發(fā)階段鼓勵國內研發(fā)計劃，包括利用國家研發(fā)基礎設施和其他支持進行研發(fā)的機制;③進一步審查許可框架，促使SMR設計盡快示范;④為建造示范機組或FOAK機組提供財政支持。