海上反應堆的優點，如緊湊性、機動性、抗外部干擾性和固有安全特性，基于該設計原則的核電站將會有更高的競爭力。Rosatom海上反應堆的陸基版本RITM-200N，就是在實現所有這些目標。

1、SMR不斷發展

小型模塊化反應堆(SMR)是新一代反應堆，設計用于發電，功率通常從20 MWe到300 MWe，其部件和系統可以在車間制造，然后作為模塊運輸到現場進行安裝。

大多數SMR設計具有先進的安全功能，可作為單個或多模塊工廠部署。

SMR設計的特點是更高的模塊化、簡化和工廠化施工，最大限度地降低了施工和安裝成本以及工期時間。

現場工作量減少和部署時間的縮短，帶來的經濟收益是其快速發展的重要因素。

SMR不斷發展的關鍵驅動力是更廣泛的發電應用、增強安全性能，以及與大型反應堆相比提供更好經濟負擔能力。

近期部署的SMR，將具有與先進反應堆設計相當或更好的安全性能。

2、俄羅斯破冰船用反應堆

基于壓水反應堆設計的現代俄羅斯SMR主要用于核能運輸行業，目前俄羅斯正在運行的最新船用反應堆是RITM-200，這是一種為通用核能破冰船項目22220開發的進化型壓水反應堆，基于運行了400多反應堆年的破冰船設計和運行經驗，性能十分穩定。

目前已有八個RITM-200反應堆安裝在破冰船上——“Arktika”、“Sibir”、“Ural”和“Yakutia”號破冰船。

俄羅斯的SMR型RITM堆融合了其前身的所有最佳功能，即前幾代俄羅斯核能破冰船使用的OK-150、OK-900、KLT40系列反應堆和已經運行了20多年的貨船“Sevmorput”。

目前俄羅斯正在對該設計進行修改，將這種堆型推廣到陸地使用。

3、開發陸基反應堆設計

Rosatom的RITM-200N是海上反應堆的陸基版本(圖源：Rosatom)

RITM-200N是三代+SMR的最新設計發展，基于海上應用的船用壓水堆(PWR)技術，由RITM型核電站開發而成。

RITM-200N的設計提高了安全性、靈活性和低碳足跡。在經濟參數上，也可以與其他小容量反應堆相媲美。

與大型PWR相比，RITM-200具有許多優點，如更高的固有安全性、更低的大規模放射性釋放頻率、更長的事故后自主性(無需操作員干預)、更小的環境影響、更低的現場限制、更短的施工期和更小的融資要求，以及更低的財務風險。

該反應堆的主要特點是：使用船用反應堆的參考技術、緊湊的一次回路系統、模塊化設計和制造、冗余和多樣化的安全特性——包括主動和被動安全特性——這確保了反應堆堆芯安全和極低的大量放射性釋放風險。

海上核能設計的優勢適用于SMR部署場景(圖源：Rosatom)

一次回路的各項設計數據，主要引用來自海上核能工業中實施的經驗證的技術解決方案(NSSS設備及其組件，包括氣體加壓系統)，以確保反應堆廠房的高可靠性。

主要設備整體布局的選擇、安全系統和對安全重要的正常操作系統的組成和結構，使反應堆廠房的安全水平有可能顯著提高。

對于集成反應堆的設計解決方案，也經過了計算、分析和實驗設計驗證，而反應堆的單個結構部件，如蓋子和管道，都經過了驗證。

RITM-200N反應堆裝置的堆芯與目前用于RITM-200和KLT-40S破冰船堆芯類似。

反應堆的主要設備(反應堆冷卻劑泵、蒸汽發生器、控制系統驅動器)，包括RITM-200N中采用的反應堆和工藝解決方案，已在多年的運行過程中進行了測試，并確保了所需的可靠性和安全特性。

通過工藝冷凝器的冷卻系統，和其他對反應堆廠房安全重要的系統主要采用傳統設計，并已在核破冰船的實際操作條件下進行了測試。

一回路采用了自維持的氨水化學制度和帶離子交換過濾器的清潔系統，這些系統已用于破冰船多年，技術可靠。

二次回路和中間冷卻回路的水化學規定，是根據運輸航運行業多年的運營經驗制定的。

反應堆廠房維護的技術操作，在許多方面都是沿用傳統技術要求。堆芯換料和更換蒸汽發生器暗盒的操作(由于反應堆的集成設計)與RITM-200破冰船中執行的操作類似。

反應堆廠房、反應堆附屬廠房和特殊建筑，包括新燃料廠房，也由整體式無預應力鋼筋混凝土制成，以及滿足可靠性、耐久性、強度和穩定性要求并保持幾何結構不變的渦輪機廠房中的鋼結構。

4、反應堆主要特性

左上：顯示RITM-200N反應堆集成設計的圖形。右上：RITM-200N工廠圖顯示在鋼制安全殼中。

RITM-200反應堆的整體配置，其中蒸汽發生器放置在反應堆壓力容器內，使反應堆系統和安全殼與KLT-40S相比更加緊湊。

與KLT-40S設計相比，RITM-200反應堆設計還允許電力輸出增加40%，尺寸減少45%，重量減少35%。

RITM-200N核電站的整體設計設想在單個容器內使用堆芯和蒸汽發生器(SG)。如下圖(右)所示，反應堆冷卻劑泵(RCP)直接焊接在反應堆壓力容器(RPV)上，不包括反應堆冷卻劑系統(RCS)中的任何管道。

這種方法設計，是想通過排除RCS內的任何冷卻劑損失事故(LOCA)情況，顯著提高了安全性。

一回路包括整體式反應器、加壓系統以及凈化和冷卻系統。

RITM-200N反應堆冷卻劑系統基于一回路的強制循環，該回路分為四個回路，反應堆冷卻劑泵(RCP)安裝在每個回路的冷段中。

每個回路由三個帶獨立給水歧管和一個公共蒸汽歧管的暗盒(共十二個)組成。暗盒的配置使其能夠安裝在反應堆容器內，以實現緊湊的設計。提供傳感器以監測堆芯入口處、堆芯出口處和燃料組件出口處的冷卻劑溫度。

RITM-200反應堆壓力容器(圖片：Rosatom)

RITM-200反應堆堆芯由低濃縮(低于20%)燃料組件組成，類似于KLT-40S中使用的燃料組件，因此符合國際防擴散要求。

金屬陶瓷燃料由嵌入鋁硅合金(硅鋁)中的二氧化鈾(UO2)陶瓷燃料顆粒組成。與KLT-40S相比，該堆芯的換料周期更長。

提高RITM-200N燃料可靠性的主要設計特點如下：

高熱導率降低了燃料柱內部的溫度，并降低了破裂的可能性。金屬陶瓷燃料在堆芯中的長停留期內也更耐膨脹。

燃料棒包殼由耐腐蝕合金制成。在長燃料循環過程中，與鋯相比，它更耐腐蝕。在俄羅斯，新型核破冰船和快堆的堆芯也使用了同樣的覆層合金。

對于堆芯反應性補償，控制棒基于機電反應性控制系統，并使用非均質可燃毒物。在負荷跟隨操作期間，典型的可溶性硼毒物不用于堆芯反應性控制和補償，因此，液體放射性廢物的產生受到限制。

RITM-200N設計中，設想了兩個用于反應性控制的獨立機電系統，這兩個系統基于不同的操作原理。快速動作應急保護(EP)系統確保吸收棒(AR)通過彈簧作用(驅動器在斷電時從電磁鐵中釋放)注入堆芯，并通過補償柵(CG)的AR補償反應性。CG的插入是由重力驅動的。一個機電控制系統包括六個用于EP的帶AR的驅動器和十二個用于CG的帶有AR的驅動器。機電系統在正常運行期間執行控制功能，并通過發出緊急信號使反應堆跳閘來執行保護安全功能。

反應堆被放置在不泄漏的鋼外殼(主安全殼)中，以定位任何可能的放射性釋放。

它的設計內部壓力高達0.9 MPa(絕對壓力)。RITM-200N的鋼外殼尺寸為Φ8.7m×21m。

反應堆廠房的這種防漏鋼外殼是一個圓柱形保護殼，底部為橢圓形，上部為頸部，與橢圓形蓋子可拆卸連接。

鋼外殼的內部容積用生物防護塊分為兩個房間：設備室和反應堆室。

主要容積由設備室占據，設備室下方為生物防護塊下方的反應器室。將其劃分為兩個獨立的密封室，可以進行維修或更換設備。

反應堆容器、一次回路系統設備和干式生物保護裝置的支撐基礎結構為金屬水屏蔽箱，其中包含容納整體反應堆、穩壓器系統設備以及凈化和冷卻系統設備的沉箱。

在設備間的上部，熱交換器、風機和管道等排熱系統設備位于設備間的上方。從衛生出入控制室進入設備室。設備室也有艙口，用于使用潛望鏡和檢修孔檢查反應堆室。

5、設計中的安全

破冰船的RITM-200反應堆(圖片：Rosatom)

RITM-200反應堆的安全設計理念，基于通過實施以下原則實現更高的可靠性：

縱深防御;

固有的自我保護;

冗余和多樣性;

物理分離和獨立;

外部事件防護;

消除共因故障;

已驗證功能的結合。

“縱深防御”原則是RITM-200采用的安全原則的基石，實施了多個級別的保護，包括防止放射性物質釋放到環境中的連續屏障。

這一原則適用于三個基本的安全功能——反應性控制、燃料冷卻和限制放射性物質，目的是確保對人口、人員和環境的保護。這包括事故預防和事故緩解。

該原則要求更廣泛地考慮多次故障的可能性，并使用多樣化的手段來實現上述三個基本安全功能。

反應堆的固有安全特性，旨在限制能量釋放、壓力和溫度的上升、加熱速率和燃料損壞的程度。

它們還防止了始發事件和事故條件的發展，在沒有操作員長期參與的情況下限制了其后果。

設計中包含的固有安全特性如下：

限制功率上升的燃料和冷卻劑反應性的負溫度系數;

消除熱點的高導熱性燃料成分;

主電路的高熱容量，增加了安全系統響應的可用時間;

一體化反應堆配置，幾乎消除了大量冷卻劑斷裂損失事故。

設計中充分結合了冗余和多樣性。安全系統采用了空間分離，而電源、控制、冷卻等支持功能盡可能獨立。

特別強調了電力供應的冗余性和多樣性。安全結構也考慮了外部事件，如可能的飛機墜毀、地震事件、洪水、龍卷風或火災。

被動和主動安全系統的結合，確保了在廣泛的假設事故場景中具有更高的安全水平。

RITM-200N包括以下安全系統，以減輕設計基準事故：

對于反應堆的緊急停堆，并將其保持在亞臨界狀態，設計設想了兩個獨立的機電停堆系統——主動和被動。

通過凈化和冷卻回路的熱交換器(通過安全系統的中間回路和安全系統的工藝用水，以及被動除熱系統(PHRS))，利用主動系統從一回路完整的反應堆中進行除熱。

在冷卻劑喪失事故(LOCA)的情況下，通過主動安全注射系統進行反應堆的排熱;通過過程冷凝器的主動冷卻系統，以及被動加壓液壓蓄能器和被動除熱系統(PHRS)。

通過乏燃料池的主動冷卻系統確保乏燃料池中的熱量排出。

借助反應堆的鋼外殼、反應堆廠房的密閉安全殼和非能動自動催化復合器(PAR)，裂變產物的釋放保持在既定的限制范圍內。

以下安全系統旨在緩解超出設計基準的事故(設計擴展條件)：

液態硼注入系統(主動);

堆芯熔體的容器內滯留系統;

被動除熱系統(PHRS);

反應堆的鋼外殼(被動);

反應堆廠房的密閉安全殼(被動);

被動自動催化復合器(PAR);

應急電源系統(移動式柴油發電機)。

6、反應堆廠房

中國昌江SMR反應堆廠房(圖片：CNNC)

SMR核電站的主要組成部分是反應堆廠房，反應堆及其主要系統位于反應堆廠房內。

反應堆廠房為框架式，由尺寸為36×36 m的整體式鋼筋混凝土制成，有四層地上和四層地下。

地板和拱形覆蓋物也由整體式鋼筋混凝土制成。反應堆廠房的操作層高于地面(+9米)。

在安全殼的中心，有一個由鋼筋混凝土制成的八角形豎井，寬12m，高20m，豎井底部標高為-11.2m。

豎井的墻壁以及其他包含輻射源的房間，由密度為4.2t/m3的混凝土制成，為人員提供電離輻射的生物保護。

汽輪機為單軸設計，由高壓和低壓轉子組成。

耦合式三相同步發電機采用風冷方式，額定功率為55MW，轉速為3000rpm，發電機端子電壓為10.5kV。

蒸汽輪機機組和整套渦輪發電機組均位于渦輪機廠房內。

來自蒸汽發生元件(管道)的過熱蒸汽進入渦輪機的高壓和低壓段，排氣蒸汽在冷凝器中通過冷卻水冷凝，冷凝水被引導通過一系列低壓加熱器，在低壓加熱器中，冷凝水由低壓渦輪機抽汽加熱。

冷凝水精處理裝置在將冷凝水(給水)從除氧器引導至蒸汽發生器之前保持冷凝水的水質。

在除氧器中，氧氣和其他氣體被去除，給水被抽汽進一步加熱至所需參數。

每日功率調節為額定功率輸出的30%至100%，電廠能夠通過改變給水流速以6%的Nnom/min的速率進行功率調節。

電力疏散在110 kV下進行。電廠內部需求的備用電源，來自正常運行的備用柴油發電機組(DG)、應急電源系統(EPS)的備用DG機組和電池。

在啟動期間，模塊化DG機組提供100%的負載，而在正常運行期間，核電站自身需要的電源由汽輪發電機提供。

備用和應急柴油發電機處于備用模式，并準備自動啟動。

如果汽輪發電機或機組工藝部分發生事故，發電機將關閉，裝置的電源由備用柴油站提供。

SMR機組的儀表和控制系統設計用于：

所有重要過程、參數和設備的控制和監測;

保護以及工廠參數的自動調節;

過程和設備的診斷;

在所有操作模式下監測和顯示設備參數。

儀表和控制系統是一個多層次、分布式和集成系統，確保了其子系統的結構、功能和界面獨立性。

這導致在自動控制系統發生故障的情況下，包括在其層級的各個級別上，保留各個子系統及其元件的功能。

從確保故障時安全的角度來看，控制系統的架構基于縱深防御原則的應用。考慮到常見故障，使用獨立自動控制子系統的多級保護，可確保在各種操作模式的整個持續時間內實現每個主要功能。

SMR的自動化儀控是一個統一的系統，包括技術、數學、計量、組織和信息支持，以及操作和設計文件。

它包括執行整個監測、控制和管理操作的技術手段，包括信息的收集、處理、傳輸和分發，以及控制行動的形成和實施。此外，自動化儀控系統考慮最大限度地使用基于故障保護電路的統一硬件和軟件，并包含內置的監測和測試工具。

自動化儀控系統還符合國際標準的協議和較低級別軟件和硬件的模塊化結構，有助于在其層級的各個層面進一步現代化和擴展。

7、RITM-200N的運行與建設

第一個RITM-200N將部署在雅庫特，調試計劃于2028年進行。(圖源：Rosatom)

反應堆的正常運行，是在額定功率的30-100%范圍內的靜止模式和功率操縱模式下進行，這兩種模式提供了使用設備自動調節電網頻率的能力。

這包括正常和一般的一次調節、根據調度員命令進行的功率調節，以及按每日或每周時間表進行的操作。

堆芯組件的換料每六年進行一次。

換料前，拆除控制棒驅動器、反應堆蓋、管道和裝置塊。將管道和裝置塊從反應器中移除，并放置在為此目的設計的儲存和檢查井中。

軸的內表面有防腐涂層，可以進行去污處理。管道和裝置塊存放在水下。使用換料綜合設施內的保護容器，將管道和裝置塊從反應堆運輸到儲存井并運回。

在卸載乏燃料組件之后，起重機將用于新燃料組件的容器安裝，安裝在反應堆上用于裝載燃料組件的裝置上，之后將組件裝載到反應堆中。

裝載燃料組件后，重新安裝管道和裝置塊以及反應堆蓋。反應堆蓋被密封，之后安裝控制棒驅動器。

在換料過程中，將整個堆芯從反應堆中卸下。

乏燃料組件儲存在乏燃料池或儲罐中長達三年，以減少衰變熱和放射性。停留期結束后，將乏燃料組件裝載到運輸容器中，并可將其移至儲存地點。

世界上第一個基于RITM-200N反應堆工廠的試點發電廠正在俄羅斯設計建造，并已獲得政府批準。

2020年2月11日，俄羅斯國家原子能機構(Rosatom)簽署了一項命令，開始實施SMR試點工廠。

已經制定了反應堆廠房、堆芯和核燃料處理設備的技術設計，并編制了該項目的安全分析報告。

2023年4月，Rosenergoatom獲得了聯邦環境、技術和核管理監督局(Rostekhnadzor)頒發的許可證，將SMR選址在Ust-Yansky地區，并將在雅庫特Ust-Yansky-ulus的Ust-Kuiga村附近建造RITM-200N試點。調試計劃于2028年進行。

根據KLT-40S反應堆在浮動裝置“羅蒙諾索夫號”設計和運行中獲得的經驗，已經證明了使用基于船用反應堆技術的SMR為偏遠地區供電的可能性和前景。

設計和運行經驗表明，RITM型反應堆裝置能夠通過經驗證的技術解決方案，提供技術和經濟可行性。

同時，這些核電站的安全性已經通過前幾代船用核反應堆技術多年的成功運行，得到了根本的可靠性證明。

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