▲ 中核集團海南昌江多用途模塊式小型堆科技示范工程開工現場

小堆在供熱領域應用空間廣闊

電力系統的脫碳是全社會實現零碳發展的關鍵。需求側的大規模電氣化零碳排放的前提是，其所使用的電力都是來自零碳能源。核能可為實現我國2060年碳中和這一艱巨目標發揮重大作用。國際原子能機構(IAEA)在2020年9月發布了最新版本的《到2050年的能源、電力和核電預測》 。

從下表中可以看出，從2019年到2050年全球用電量雖然逐年上升，但在終端能源消費總量中最高為27.2%，其它均為非電力消費。

國際能源署(IEA)數據顯示，2018年供熱占全球終端能耗的50%，占CO2排放的40%。熱力消費中，工業部門占比約50%，建筑物房屋(主要為采暖和熱水供應)占比46%。

可以看到，供熱是全球最大的終端能源消費領域。目前這個領域的主要能源是煤、石油、天然氣等傳統化石能源;在追求電力低碳化的同時，要十分重視供熱領域能源低碳化;核能在該領域有廣闊的應用空間，特別是多功能小型模塊化反應堆(SMR)的應用。

SMR在供熱領域的優點，一是SMR的初投資低、建造周期短，在選址方面具有較大的靈活性，可根據用戶需求靈活設計和配置;二是SMR可采用一體化、模塊化設計和工廠制造，較少的堆芯裝量，先進的安全設計理念，具有安全性好、應急要求大大簡化等特點，特別適宜于作為供熱領域的能源。

國外小堆發展現狀

在過去20年，為適應全球能源低碳化的大趨勢，核能發達國家都在努力擴大核能應用范圍，多用途的小型堆開發已成為全球核能發展的熱點。IAEA于2020年發布的《小型模塊化反應堆技術進展》共收錄了72種小堆技術。

這些堆中，近一半是水堆，由技術成熟的大型壓水堆發展而來，具有明確的近期使用目標。研發國家主要包括中國、俄羅斯、美國、日本等。其中，在海上用的小堆有五六種，包括俄羅斯的海上浮動核電站KIT-40S，現在已經投運。其余部分本質上屬先進核能系統(四代堆)，包括各類高溫氣冷堆、快堆、熔鹽堆以及微堆。這些堆除少數幾個進入詳細設計外，大部分處于概念設計或初步設計階段，到工程建設還有較長時間。這幾年發展比較好的是高溫氣冷堆、鉛冷或是鈉冷快堆。另外就是熔鹽堆。

美國的NuScale。多模塊小型堆輕水冷卻反應堆，設計目標是替代老舊火電廠，提供發電和非電力的工藝熱能，減少二氧化碳排放，并可按照需求靈活增加功率模塊。2020年完成了DCA的審查，2022年將獲得設計認證批準并開始建設，2026年第一個電廠計劃在愛達荷投入商運。

NuScale的設計特點是高度一體化，一回路采用自然循環、非能動安全系統，在提高安全性的同時，簡化系統，減少設備，提高經濟性，面向北美、東歐、中東、南亞以及非洲潛在用戶需求。

原來設計一個模塊5萬千瓦，一共12個模塊60萬千瓦。近期又進行了技術改進，每個模塊功率升至7.7萬千瓦，以求更好的經濟性。

開發方做了一個經濟上的預測，按照每個模塊7.7萬千瓦、12個模塊建一個電廠的話，總功率可達92.4萬千瓦，它的造價是25.19億美元，每千瓦2850美元。當然，這不是首堆，而是第N個堆以后的造價(NOAK)。

俄羅斯海上浮動核電站KIT-40S。俄羅斯“羅蒙諾索夫院士號”是商用海上浮動核電站，搭載兩臺壓水堆KIT-40S反應堆，用于為邊遠地區提供電力和熱能。2019年12月19日并網發電，停靠于俄遠東區楚科奇海岸附近的佩維克港。

韓國的SMART。SMART是壓水反應堆，用于發電和海水淡化。1997年開始研發，2012年獲得韓國核安全與核安保委員會標準設計認證(SDA)，2015年與沙特簽署協議(評估在沙特建造至少2臺SMART反應堆的可行性)，2018年韓沙正式開展聯合研究，包括工程設計和建造準備。

可以看出，國際小堆發展的一個特點，就是全球使用核電的有30多個國家，但具有小堆開發能力的只有10多個國家，其中，美俄占國際上正在開發和建設小堆總數的一半。不難看出，這兩個核電強國從核能長遠利用戰略角度，在開拓核能應用新領域的重視程度和所做的努力。

具體來說，第一，從技術基礎及成熟度來看，采用輕水堆(包括陸上和海上)技術，仍是目前小堆技術發展的主流，熱電聯供是其主要運行模式。

第二，高溫堆以其獨有特點受到青睞(占14種)，其中既有采用棱柱狀堆芯，也有采用球床堆芯，可見兩種技術各有特點。

第三，快堆由于在燃料增殖、減少高放廢物方面具有獨一無二的優勢，仍是國際社會小堆研發重點，共有10種(不含中國)，特別是鉛(鉍)冷快堆。

第四，值得特別關注的是熔鹽堆，美、加、丹麥、日、英以及國際財團等發展10來種熔鹽堆技術，大都處于概念設計階段，個別進入基本設計和實驗階段。熔鹽堆用途廣泛，可用于發電、工業熱源、制氫。鈾-釷混合燃料熔鹽堆為使用自然界中豐富的釷資源提供技術途徑。

第五，用于海上或海下的小堆技術有6種，以俄羅斯為最，占5種。中國基于自身的發展需求，在核動力海上平臺技術開發領域取得長足的進展。

第六，微型核動力裝置在未來空間和水下電源供給中將發揮主要作用，主要以布雷頓循環和斯特林發動機等熱電轉換方式發電，目前效率較低，主要應用于航空、航天、軍事領域等方面。

第七，強調模塊化、標準化、系列化、系統簡化、智能化，以提高小堆的經濟性。

可以說，核電強國在開發小堆過程中具有明確的用戶需求、開發目標和戰略指引;強調技術創新，在提升安全性的同時強調提高經濟性;重視頂層設計，有一個明確的規劃和路線圖;有關政府部門一開始就注重同步開展政策、規范標準的研究和制定，以滿足小堆開發、監督和管理要求。

國內小堆發展現狀和市場前景

為擴大核能應用范圍，保障能源安全，適應低碳能源發展需要，過去10多年在有關政府部門的鼓勵和支持下，中核、中廣核、國家電投、清華大學、中船重工、中科院等單位面向不同應用領域和市場需求，積極開發各具特色的小型堆技術。這些小堆技術部分已具備開展示范工程條件。

我國小堆在國民經濟的各個領域擁有廣泛的需求和發展前景，在實現能源低碳化中將發揮重要作用。

1.替代落后火電產能

“十三五”期間，全國停建和緩建煤電產能1.5億千瓦，淘汰落后產能0.2億千瓦以上。特別是淘汰關停不符合要求的30萬千瓦以下煤電機組，并將燃煤自備機組納入淘汰范圍。

現階段，國內采用小堆技術原址替代小型火電技術基本成熟，前景可期。由于原址替代小堆是一新事物，加上經濟性、公眾對安全的擔心等原因，市場開拓有待加強。小堆對邊遠地區供電、大中型企業、工業園區熱電聯供具有優勢。

適用堆型包括ACP100(玲龍一號)、HTR-PM-200等。

目前，由中核集團開發的海南昌江多用途模塊化小型堆科技示范工程ACP100正在積極推進當中，該堆型功率為125MWe，建設工期58個月，可作發電、熱電聯供等。

2.家庭和工業供熱

國家統計局《2020年中國統計年鑒》顯示，2013~2019年中國供熱總量緩慢增長。2019年，我國蒸汽供熱總量約為6.51億吉焦，較2018增長12.71%;熱水供熱總量約為32.75億吉焦，同比2018年上漲1.18%。

供熱面積：北方供暖地區城鎮現有集中供熱面積約131億平方米，城市集中供熱面積約110億平方米，集中供熱率約85%。其中，居住建筑面積82億平方米，占比75%;公共建筑面積28億平方米，占比25%;隨著城鎮化發展趨勢，北方地區需要供熱的面積不斷增長。

熱源：我國城市集中供熱的熱源基本形成以熱電聯產為主，區域鍋爐房為輔，其它熱源補充的格局。80%的熱源炭以煤為主要燃料，燃煤鍋爐、燃氣鍋爐和燃煤熱電聯產為主要供熱方式。在占主導地位的集中供熱中，熱電聯產和鍋爐占比高，燃煤熱電聯產占45%，燃煤鍋爐占32%，燃氣鍋爐占11%，其余為其它來源。高污染、低效率的落后產能超過50%。

2017年12月，國家發改委等十部委聯合發布《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017-2021)》，2018年出臺《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》，均提出要有效推進北方地區清潔取暖，并取得很大成績，大大改善了空氣質量，污染少了、藍天多了，但其熱源還是以優質化石燃料為主。

核能供熱技術成熟，在低碳供熱領域有廣大的應用前景，但能否被采納，取決于許多因素，公眾對安全的擔心，價格接受能力，各級政府的態度等都是面臨的主要挑戰。

適用堆型包括和美一號、 NHR200-Ⅱ、 DHR-400等。

由國家電投開發的和美一號在各級政府的支持下，正在積極有序地推進中，項目規劃建設4×200MWt一體化供熱堆。一期為2×200MWt，最大供熱能力為800萬平方米，或供氣500噸/小時。該項目計劃2021年開工，工期36個月。

由中廣核集團和清華大學聯合開發的低溫供熱堆NHR200-Ⅱ在各級政府的支持下，項目前期工作在積極有序推進中，項目規劃建設6臺NHR200-Ⅱ型低溫核供熱機組，一期2臺，為貴州大龍經濟開發區提供工業蒸汽(500t/h)，首臺計劃于2022年12月開工，是我國核能綜合利用以及低溫供熱技術首次商業應用。

由中核集團開發的400MWt燕龍(DHR-400)泳池式低溫供熱堆目前正在積極推進，單堆可供熱面積約1000萬平方米，計劃2022年實現FCD，2024年建成投產。

3.海水淡化、制氫

我國北方和部分沿海地區水資源嚴重不足，據統計，北方缺水總面積達58萬平方公里;全國有300多座城市不同程度缺水，每年缺水量58億立方米，主要集中在華北、部分沿海和省會城市以及工業型城市;有6個省、區人均水資源低于500立方米。

海水淡化的市場很大，但由于反滲透海水淡化技術成熟，以及南水北調有效緩解，國內核能海水淡化的行業發展受到一定制約。

制氫在國外(尤其中東國家)有發展前景，氫氣在未來的能源市場有廣泛應用。高溫堆在此方面有優勢，但預計在2030年以后。

適用堆型包括HTR-PM-200、ACP100、和美一號等。

4.海洋開發能源供給

除臺灣省以外，中國海島數量大，總面積超過6600平方公里，人口740多萬。國家已制定海南發展政策，提出要高水平開發海洋海島資源，逐步形成以海島為依托的第二海洋經濟帶。

海上浮動式核動力平臺是實現上述目標能源供應的重要選擇，能同時提供電力和高溫高壓蒸汽，也可用來進行海水淡化;投資規模小，配置靈活，無須場外電源保障，安全，適合孤島運行。

目前正在開發的堆型包括ACPR50S、 ACP100S等。

我國小堆發展面臨的挑戰和建議

目前，國內尚不具備一套相對完整的適用于模塊化小堆發展的法規標準和用戶要求。這些法規標準涉及項目核準、安全審評、核應急以及小堆安保等領域，需逐步補充和完善。小堆的經濟性，特別是與其它清潔能源的價格競爭力，一定程度上影響投資者的參與熱情。應在確保安全的前提下，發揮創新精神，努力實現簡化系統設計，向標準化、批量化、模塊化、工廠制造、現場組裝方向發展，以有效提高經濟性，增加競爭力。

另外，目前我國小堆安全設計水平達到或高于三代大型核電水平，但由于靠近目標用戶，公眾對安全的擔心(特別是作為區域供熱的小堆)，雖然前景良好，但項目落地相對困難，進展緩慢。需要加大對示范項目的支持力度，在取得成功的基礎上，加大宣傳，逐步推廣。

因此建議有關政府部門進一步加強促進和規范小堆發展的政策、規范和標準的研究和制定，包括小堆的安全要求、適用標準、應急、安保、監管和小堆的用戶要求等;加強政府的協調和指導，加強企業和研究單位間的合作，避免同類項目的重復開發，提高開發效率;加強用戶需求的調查研究，使開發的小堆技術更具針對性和可應用性;加大示范項目推進力度，在取得成功的基礎上加強公眾溝通，逐步推廣。

(作者單位：中國核能行業協會。本文根據其在中國核能可持續發展論壇——2021春季高峰會議上的發言整理而成，首發于《中國核工業》雜志2021年第7期，原標題《模塊化小堆在我國能源發展中的戰略地位》)