小微型模塊式反應(yīng)堆發(fā)展研究

王晨 鄭鑫 張慧敏

摘 要：小微型核反應(yīng)堆在民用領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域均獲得了長足的發(fā)展，國際上也對其進(jìn)行了廣泛研究，積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。本文首先分析了小微型模塊式反應(yīng)堆的發(fā)展背景和研發(fā)現(xiàn)狀，然后探討其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，最后提出從提高技術(shù)創(chuàng)新能力、明確市場需求、探索技術(shù)經(jīng)濟(jì)平衡、完善安全審查制度、建立國際合作渠道等方面尋求進(jìn)一步突破。

關(guān)鍵詞：小微型核反應(yīng)堆;民用領(lǐng)域;軍用領(lǐng)域

中圖分類號：TL341文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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 小微型模塊式反應(yīng)堆發(fā)展背景

近年來，小微型模塊式反應(yīng)堆受到了國際核工業(yè)界的廣泛關(guān)注，簡化緊湊的設(shè)計(jì)、高固有安全性、靈活多變的應(yīng)用場景使其成為核反應(yīng)堆領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)的定義，小型核反應(yīng)堆指的是電功率小于30萬kW的反應(yīng)堆[1]。其中，電功率小于10 MWe的反應(yīng)堆則被稱為微型反應(yīng)堆。從核反應(yīng)堆的發(fā)展歷史來看，無論是民用還是軍用反應(yīng)堆的研發(fā)，均是從小堆型起步的，以獲得必要的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。時至今日，民用核反應(yīng)堆功率已達(dá)百萬千瓦級別，但小微型核反應(yīng)堆仍以靈活、用途多變等特點(diǎn)占據(jù)著核電市場的一席之地。

早期的小型核反應(yīng)堆是商用反應(yīng)堆的雛形，其中包括1958年西屋公司設(shè)計(jì)的60 MWe反應(yīng)堆Shippingport，1960年西屋公司設(shè)計(jì)的185 MWe反應(yīng)堆Yankee Rowe，1962年B&W公司設(shè)計(jì)的275 MWe反應(yīng)堆Indian Point One等（見圖1）[2]。在軍事領(lǐng)域，以美國，俄羅斯為首的國家也早早將小型反應(yīng)堆應(yīng)用于陸、海兩軍。美國陸軍核電計(jì)劃開發(fā)了8座用于地面的軍事反應(yīng)堆，分布在弗吉尼亞州、阿拉斯加州等地，甚至在南極也建造了便攜式反應(yīng)堆，用于供熱及海水淡化[2]。俄羅斯最為著名的則是將小型鉛鉍核反應(yīng)堆應(yīng)用于Alfa級核潛艇，其至今仍是航速最快的核潛艇。同時，俄羅斯還利用小型反應(yīng)堆建造了海軍水面艦艇和破冰船。之后，各個國家逐步將研發(fā)中心放在了大功率核反應(yīng)堆上，這主要是出于對經(jīng)濟(jì)性的考慮。

2010年，美國能源部提出了模塊化小型堆概念，使小微型模塊式反應(yīng)堆再次成為國際核工業(yè)界的研發(fā)熱點(diǎn)。主要背景是：在經(jīng)歷了三次重大核事故后，大型反應(yīng)堆的安全性被提到了前所未有的高度;高冗余度、復(fù)雜性的安全系統(tǒng)一方面提高了反應(yīng)堆的安全性，但另一方面也降低了其經(jīng)濟(jì)性，并且還伴隨著建設(shè)拖期的風(fēng)險;另外，大型核反應(yīng)堆對初始投資的門檻要求極高，風(fēng)險極大;同時，大型核反應(yīng)堆由于功率較高，無法滿足一些國家的電網(wǎng)要求，因此，大型反應(yīng)堆的發(fā)展受到了一定制約。而小微型模塊式反應(yīng)堆則瞄準(zhǔn)了大型反應(yīng)堆無法解決的痛點(diǎn)。由于小微型模塊式反應(yīng)堆功率較小，并采用一體化、模塊化等簡化設(shè)計(jì)，因此，具有良好的固有安全性。同時，其初始資金投入門檻較低，建設(shè)風(fēng)險小。小微型模塊式反應(yīng)堆對電網(wǎng)的適配性較好，并且用途更加靈活。此外，美國和俄羅斯均繼續(xù)開展軍用小微型模塊式反應(yīng)堆的研發(fā)，并且提出了移動式小微型模塊式反應(yīng)堆電源以及空間核動力裝置等概念。可以說，小微型模塊式反應(yīng)堆的發(fā)展是軍民融合的良好體現(xiàn)，并且為大型反應(yīng)堆研發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)，逐步成為核能發(fā)展的創(chuàng)新解決方案。

2 小微型模塊式反應(yīng)堆研發(fā)現(xiàn)狀

2.1 民用領(lǐng)域

在民用核電領(lǐng)域，世界范圍內(nèi)有超過70種小微型模塊式反應(yīng)堆設(shè)計(jì)方案，但僅有一小部分獲得了建造許可，其余的仍處于研發(fā)階段[3]。國際原子能機(jī)構(gòu)（International Atomic Energy Agency，IAEA）2020年發(fā)布的先進(jìn)模塊化小型反應(yīng)堆技術(shù)報(bào)告將反應(yīng)堆劃分為六種類型[4]：小型水冷堆（陸地）、小型水冷堆（海上）、小型高溫氣冷堆、小型快中子堆、小型熔鹽堆和微型反應(yīng)堆。其中，小型水冷堆（陸地）數(shù)量最多，具有代表性的包括美國能源部先后資助的努斯卡爾公司的NuScale、BWX技術(shù)公司的mPower以及霍爾臺克公司的SMR-160，但是僅NuScale推進(jìn)順利，已于2020年通過安全評審，預(yù)計(jì)在2026年前后投運(yùn);中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司研發(fā)的ACP-100作為華龍系列產(chǎn)品，現(xiàn)已經(jīng)進(jìn)入工程示范堆建設(shè)階段;俄羅斯先后研發(fā)了UNITHERM、VK-300、KARAT-45、KARAT-100、RUTA-70等水冷堆型，其中，僅VK-300進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，其余均處于概念設(shè)計(jì)階段，但俄羅斯依靠在軍用潛艇領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，在小型快中子堆研發(fā)方面占據(jù)領(lǐng)先地位。主要國際民用小型模塊化反應(yīng)堆見表1。

當(dāng)前，民用小微型核反應(yīng)堆具有3點(diǎn)共性特點(diǎn)：①設(shè)計(jì)簡化、緊湊，一些小微型核反應(yīng)堆采用了一體化堆芯設(shè)計(jì)，將堆芯、蒸發(fā)器、主泵等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行整合，一些反應(yīng)堆則直接采用自然循環(huán)設(shè)計(jì)，這都大大降低了反應(yīng)堆的復(fù)雜性;②安全性高，安全系統(tǒng)多采用基于重力、密度差的自然循環(huán)設(shè)計(jì)，消除了事故條件下對于外部電源的需求，降低了堆芯損傷概率;③可靠性強(qiáng)，大量非能動設(shè)計(jì)最大限度地減少了操作、維護(hù)、控制的難度。此外，多家民營初創(chuàng)公司也正在開展鉛冷堆、鈉冷堆、熔鹽堆等小堆型的研發(fā)，例如，泰拉能源公司的行波堆、地球能源公司的熔鹽小堆、奧克洛公司的鈉冷微堆、超安公司的微型氣冷堆、四代能源公司的鉛冷小堆等，大多處于概念設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)階段。

2.2 軍事領(lǐng)域

軍事裝備已進(jìn)入信息化時代，各種先進(jìn)武器、雷達(dá)等重要軍事設(shè)施都需要安全穩(wěn)定的電源供應(yīng)。隨著網(wǎng)絡(luò)安全形勢日益嚴(yán)峻，電網(wǎng)遭受敵方網(wǎng)絡(luò)攻擊導(dǎo)致中斷的風(fēng)險不斷增加，這就需要更加獨(dú)立的分布式電源供電。可移動小微型模塊式反應(yīng)堆可遠(yuǎn)離電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，為關(guān)鍵負(fù)荷以及正常或緊急狀態(tài)下的主電源提供相應(yīng)電力，且具有換料周期長、安全系數(shù)較高的特點(diǎn)[5]。美國方面早在1962年就開發(fā)了小型氣冷移動核反應(yīng)堆ML-1。2020年3月，美國國防部戰(zhàn)略能力辦公室（Strategic Capabilities Office，SCO）授予BWX、西屋及X-Energy三家公司研發(fā)合同，開展為期兩年的工程設(shè)計(jì)，制訂出可移動堆原型方案，之后將對三家的方案進(jìn)行評估，最終選定一家資助，原型堆將在愛達(dá)荷州國家實(shí)驗(yàn)室或橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室建造。2015年，俄羅斯國防部也已委托開發(fā)用于北極軍事設(shè)施的小型移動式核電站。核動力艦艇方面，由于其內(nèi)部環(huán)境苛刻，小微型模塊式反應(yīng)堆因其重量輕、體積小的特點(diǎn)，在該領(lǐng)域獲得了長足發(fā)展。目前，其已在航母、潛艇、巡洋艦等軍事裝備上得到廣泛應(yīng)用，并且還在不斷改進(jìn)，提高安全性、穩(wěn)定性，并增強(qiáng)其可靠性。同時，軍用小型高溫氣冷堆、軍用小型熱離子堆等新型反應(yīng)堆也嘗試用于艦艇上。軍用飛機(jī)的核動力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展始于1946年，但后續(xù)逐步停滯，轉(zhuǎn)向了空間反應(yīng)堆電源的研發(fā)[6]。

2.3 航天領(lǐng)域

在空間核動力方面，小微型模塊式反應(yīng)堆的應(yīng)用方式主要有兩種：空間核電源和核推進(jìn)系統(tǒng)。空間核電源是將核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能，最初應(yīng)用于軍用航天任務(wù)[7]，其目的是滿足空間站、空間基地等設(shè)施的電力需求。核推進(jìn)系統(tǒng)是通過小微型核反應(yīng)堆的能量產(chǎn)生推進(jìn)動力。由于反應(yīng)堆質(zhì)量小、能量密度高，因此適合作為各類航天運(yùn)載器的動力。美國2019年重啟了核熱火箭項(xiàng)目，主要用于核熱火箭燃料的研發(fā)。核熱火箭使用氣冷反應(yīng)堆替代傳統(tǒng)火箭的燃燒室，比沖等綜合性能是化學(xué)火箭的2倍，可大幅縮短空間旅行時間[8]。

3 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

小型核反應(yīng)堆發(fā)展至今已形成了多個分支堆型，每種不同的反應(yīng)堆類型均面臨著不同的關(guān)鍵技術(shù)難題。例如，鉛冷堆面臨著冷卻劑腐蝕、Po-210污染問題;鈉冷堆存在鈉火安全性問題;氣冷堆面臨氣機(jī)研發(fā)難度大等問題。此外，小微型反應(yīng)堆雖然已經(jīng)具有一定的技術(shù)儲備和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但其也面臨著一系列尚待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

3.1 核燃料研發(fā)

各類先進(jìn)小微型模塊式反應(yīng)堆因特點(diǎn)不同，采用的核燃料也不盡相同。目前，核燃料種類包括氧化物燃料、金屬燃料、氮化物燃料、碳化物燃料等。但是，大多小微型模塊式反應(yīng)堆都面臨著新型燃料研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)問題。近年來，核工業(yè)界逐漸將注意力轉(zhuǎn)向高含量低濃鈾（High-Assay Low-Enriched Uranium，HALEU）燃料上，以保證新型反應(yīng)堆具有更高的效率和更長的壽期。HALEU可以是金屬燃料也可以是氧化物燃料，可以使用現(xiàn)有的離心技術(shù)生產(chǎn)，但是對于轉(zhuǎn)化、制造以及運(yùn)輸容器方面均提出了更高的要求。

3.2 新型材料研發(fā)

新型材料的研發(fā)一直是限制反應(yīng)堆創(chuàng)新設(shè)計(jì)的主要因素。除水冷堆以外，鉛冷堆、鈉冷堆、熱管堆、高溫氣冷堆等新型小微型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)材料的耐腐蝕性、耐高溫性均制約了堆芯的有效運(yùn)行。同時，材料性能也是對安全性影響最大的因素。國際上對新型材料進(jìn)行了多角度研究，包括機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究，并且獲得了一定的數(shù)據(jù)支持。同時，也開展了相關(guān)應(yīng)對措施的研究，包括改善材料特性，采用涂層或抑制劑等[9]，但新型材料仍不能完全滿足要求。

3.3 先進(jìn)加工制造技術(shù)

小微型模塊式反應(yīng)堆的特點(diǎn)是一體化、模塊化。一體化是將堆芯、蒸汽發(fā)生器、主泵等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行一體化集成，模塊化是通過在專用工廠進(jìn)行預(yù)組裝來提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低管理風(fēng)險。但是，這也對加工制造技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。另外，在反應(yīng)堆后續(xù)運(yùn)行維護(hù)上，如何對這些高度集成的設(shè)備進(jìn)行檢修也是面臨的一大問題。

3.4 儀器儀表及控制系統(tǒng)

先進(jìn)小微型模塊式反應(yīng)堆的儀器儀表設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)邏輯和人機(jī)界面等與傳統(tǒng)的壓水堆不同，需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[10]。另外，針對整體布局和材料的不同，探測和監(jiān)控設(shè)備也需要提出新穎、可靠的解決方案。對比當(dāng)前一般反應(yīng)堆，小微型模塊式反應(yīng)堆具有更長的燃料循環(huán)周期，這會增加儀器儀表的維護(hù)和更換問題，因此，也需要更強(qiáng)的可靠性和更長的校準(zhǔn)時間。

3.5 核燃料循環(huán)

各類小微型模塊式反應(yīng)堆所使用的類型不同的核燃料也伴隨著燃料循環(huán)的問題。不同的核燃料因化學(xué)組分不同，其制作方法、后處理方式、再循環(huán)流程等均存在一定差異，因此，需要開發(fā)新的燃料循環(huán)設(shè)施。同時，這些小微型模塊式反應(yīng)堆主要應(yīng)用場景是偏遠(yuǎn)且發(fā)展不充分的地區(qū)。雖然反應(yīng)堆具備很長的換料周期，但是，核燃料的儲存、運(yùn)輸、處置也是需要進(jìn)一步解決的問題。

4 后續(xù)發(fā)展建議

基于小微型模塊式反應(yīng)堆的技術(shù)特點(diǎn)和當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀，提出了以下幾點(diǎn)后續(xù)發(fā)展建議。

第一，進(jìn)一步提高技術(shù)創(chuàng)新能力。小微型模塊式反應(yīng)堆需要通過創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此，要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高技術(shù)創(chuàng)新性，例如，創(chuàng)新安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人機(jī)接口方案，以補(bǔ)償功率較低造成的經(jīng)濟(jì)缺口。

第二，明確能源市場細(xì)分化需求。小微型模塊式反應(yīng)堆瞄準(zhǔn)的是大型常規(guī)核電廠無法滿足的能源市場細(xì)分化需求，因此，要充分發(fā)揮其靈活性的特點(diǎn)，為電網(wǎng)不發(fā)達(dá)地區(qū)提供電力解決方案，為不需要大量發(fā)電的地區(qū)提供供熱解決方案，為火電廠提供能源替代方案。

第三，積極尋求技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性的平衡點(diǎn)。小微型模塊式反應(yīng)堆依靠設(shè)計(jì)簡單、模塊化制造等方式降低成本;但是，由于功率較低，目前小微型模塊式反應(yīng)堆所展現(xiàn)的發(fā)電經(jīng)濟(jì)性仍不及大型常規(guī)反應(yīng)堆。對此，可以將反應(yīng)堆進(jìn)行多模塊聯(lián)合運(yùn)行，通過共用系統(tǒng)的方式，攤薄平均建設(shè)和運(yùn)營成本。

第四，完善小微型模塊式反應(yīng)堆的安全審查制度。目前，對新建核電機(jī)組的審查制度基本一致，并且未針對不同堆型進(jìn)行細(xì)分。對此，應(yīng)對當(dāng)前核安全監(jiān)管制度和要求進(jìn)行一定的創(chuàng)新和完善。

第五，建立良好的國際合作渠道。在國家和國際層面上支持行業(yè)、企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)之間建立技術(shù)合作伙伴關(guān)系，并利用國際原子能機(jī)構(gòu)獨(dú)特的地位，積累和傳播有關(guān)小微型模塊式反應(yīng)堆創(chuàng)新設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和信息，以加快研發(fā)的步伐。

5 結(jié)語

國際核工業(yè)發(fā)展歷程中，小微型模塊式反應(yīng)堆在國防和民用領(lǐng)域具有深厚的技術(shù)基礎(chǔ)，并展現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景。其具備的緊湊設(shè)計(jì)、高安全性、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以有效降低堆芯損傷概率，其高靈活性的特點(diǎn)使其可以適用于諸如陸地、海島、艦船、航空航天等多個場景。國際上已對小微型模塊式反應(yīng)堆進(jìn)行了廣泛的研究。隨著先進(jìn)小微型模塊式反應(yīng)堆的研發(fā)，一些關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)也逐漸暴露出來，包括核燃料研發(fā)、新型材料研發(fā)、核燃料循環(huán)等。為提高小微型模塊式反應(yīng)堆市場競爭力并持續(xù)推動其后續(xù)發(fā)展，建議從提高技術(shù)創(chuàng)新能力、明確市場需求、探索技術(shù)經(jīng)濟(jì)平衡、完善安全審查制度、建立國際合作渠道等方面尋求進(jìn)一步的突破。

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