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小型模块化反应堆

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图示小型轻水模块化反应堆(SMR)

小型模块化反应堆(Small Modular Reactor, SMRs)是比常规核裂变反应堆小的反应堆，且它们的电力输出少于300MWe或热功率的输出少于1000MWth。

这反应堆旨在可以在工厂大量生产与运输到指定位置安装。模块化反应堆会减少建筑物的结构，增加建筑效率和声称可提高反应堆的安全性。更高的安全性应使用无需人类干预的被动安全功能来实现，这种概念已经在部分传统反应堆中实行。与传统反应堆相比，小型模块化反应堆亦减少员工数量。[1][2] 据称，小型模块化反应堆跨越了阻碍传统反应堆建设的财务和安全障碍。[2][3]

小型模块化反应堆这个词语只是对应着反应堆的规模，容量和模块化结构，并不是其使用的反应堆类型与核反应过程。设计范围从现有设计的缩小版本到第四代设计。已经提出了热中子反应堆和快中子反应堆，以及融盐和气冷反应堆模型。

虽然许多的小型模块化反应堆仍处于未完成示范项目，但在俄罗斯佩韦克的浮动核电站，罗蒙诺索夫院士浮动核能发电站是截至 2019 年底，世界上第一个也是唯一一个完成的与电网连接的工作原型。罗蒙诺索夫院士浮动核能发电站有2个反应堆，每一个的装机容量为35 MWe。是基于核能破冰船的设计概念。[4][5]2021 年 7 月，世界首个陆上商用的小型模块化反应堆与中国核工业集团公司的玲珑一号反应堆开工建设。预计将于2026年底投入运转。[5]

造成商业运转障碍的原因之一或许是核电站之许可证之取得，因为目前只有适用于传统核反应堆设计的监管制度。小型模块化反应堆与传统反应堆有着员工人数、安全性、运作时间......上的不同。[6]许可证的时间、成本和风险是关键的成功因素。美国政府评估小型模块化反应堆的相关风险的研究减缓了许可的速度。[7][8][9]对小型模块化反应堆重点之一是防止核子武器扩散。[10][11]


背景

在过去，核反应堆因经济规模优势而趋于变大。核灾难，特别是1986年的切尔诺贝利核灾和2011年的福岛第一核电站事故使核能受到重大打击，全世界都暂停核能的发展，停止提供资金和关闭核电站。

作为回应，引入了一项旨在建造小型反应堆的新战略，建筑时间更快，安全性更高与单一反应堆的建造成本较低。尽管失去了规模优势和功率输出大大减少，由于引入了模块化结构和预计时间较短的项目，预计融资会更容易。

支持者声称因为小型模块化反应堆使用标准模组，由于可在工厂大量生产，所以会变得更便宜。[12]然而，小型模块化反应堆也有一些经济上的缺点。[13]几项研究显示，小型模块化反应堆的总成本与大型反应堆的成本相当。但是，关于小型模块化反应堆模组运输的信息极为有限。[14]反对者认为模块化建造只有在大量生产相同类型反应堆的情况下才具有成本效益，考虑到每个小型模块化反应堆的成本仍然很高。获得足够的订单需要较高的市场份额。

支持者声称，具有成熟技术的小型模块化反应堆本质上是安全的。反对者认为多个小型反应堆会造成更高的风险。将需要更多的核燃料和核废料运输。小型模块化反应堆需要采用新设计和新科技配合，安全才能得到保障。

一般层面

许可

一旦第一座小型模块化反应堆获得许可，后续的许可应该会大大简化，因为所有反应堆都以相同的方式运作。

可扩展性

一个发电站可由一个模块化反应堆开始，然后藉扩增反应堆以应付需求增长。这降低了与传统设计相关的成本。[15]

小型模块化反应堆具有负载追踪设计，因此当电力需求较低时，它们可以产生更少的电力。

选址与基础建设

小型模块化反应堆的占地面积将小很多，如470MWe的三回路Rolls-Royce反应堆需要40,000 m2 (430,000平方英尺)，是传统核电站面积的10%。[16]传统核电站太大，无法满足小型模块化反应堆的定义，并且将需要更多的现场施工，这会质疑小型模块化反应堆声称的优点。该公司的目标是 500 天的建设时间。[17]

边远地区的电力需要通常少且多变，小型发电厂较适合它们。[18]较小的尺寸还可以减少电网对分配发电厂电力输出的需求。

安全性

阻围越有效，扩散问题更少。[19]例如，释压阀可以因增加的压力以增加冷却剂流量。自身安全特点不需要活动部件来工作，仅基于物理定律工作。[20]另一个例子是反应堆底部的塞子，当温度过高而融化时，反应堆燃料会从反应堆中排出并无法达到临界质量。

德国联邦核废料管理安全办公室 (BASE) 的一份报告考虑了136种过往和现时的反应堆与小型模块化反应堆的概念，发现与高输出核电站相比，单个的小型模块化反应堆可能有安全优势，每个反应堆的放射性物质的存量较低。但是产生同等电力需要更多的反应堆，会使整体风险成倍增加。该报告也指出，与制造商有时所说的相反，它必须假设在发生严重事故时，放射性污染会远远泄漏至核电站外。[21][22][13]

核扩散

许多小型模块化反应堆设计使用和普通核电站不同的燃料，让燃料有更高的燃耗值和更长的循环周期。[3]长的核燃料补充间隔可降低核扩散的风险和放射性物质离开阻围(放射性泄漏)的机会较低。对于在偏远地区的反应堆，到达该地可能有一定的难度，延长燃料寿命可能会有所帮助。

类型

核裂变的链式反应以产生热，发电。

小型模块化反应堆可用于多种设计。有些是目前反应堆的简单版本，其他涉及全新的技术。所有建议的的小型模块化反应堆都是使用核裂变的。小型模块化反应堆的设计包含热中子反应堆和快中子反应堆。

热中子反应堆

热中子反应堆利用中子慢化剂来慢化中子，通常使用U-235作为裂变材料。大多数常规运转的反应堆都属于这种类型。

中子增殖反应堆

中子快堆并不使用中子慢化剂。这些反应堆利用燃料吸收高速中子。这通常表示要在堆芯内改变燃料布置，或使用不同的燃料。如Pu-239比U-235更容易吸收高速中子。

快堆亦可以作为增殖反应堆。这些反应堆释放足够中子，使不可裂变材料嬗变为可裂变材料。增殖反应堆的常见造法是以U-238的“毯子”包围反应堆堆芯，U-238是铀最为常见的放射性同位素。U-238经历中子捕获后，会成为Pu-239，可以在更换燃料时把它拿出来，随后用作反应堆燃料。[23]

技术

冷却

普通的反应堆使用水作为冷却剂。[24]小型模块化反应堆可能使用水，液态金属，气体和融盐作为冷却剂。

热/电力产生

一些气冷反应堆设计利用气体推动燃气涡轮机，而不是烧水。热能可被直接利用，无需转换。热可用于制氢和其他商业用途，如海水化淡，石油产品的生产(从油砂中提取石油，煤液化等)[25]

人员配备

东芝 4S（英语：Toshiba） 等反应堆设计为在少量人员管理下即可运作。[1]

负载跟踪

小型模块化反应堆的设计可提供电源的基本负载，也可以按照电力需求而调整输出。另一种方法是采用热电联产，保持一定的输出，同时将其他不需要的电力转移到辅助用途。

区域供暖，制氢和海水淡化已被提议作为热电联产选项。[26]夜间的海水化淡需要足够的淡水储存，以使水能够在生产时以外的时间输送。

核废料

很多小型模块化反应堆是快堆设计，它们的燃料有很高的耗燃值，减少核废料的数量。在更高的中子能量下，通常可以容许更多的裂变产物。增殖反应堆“燃烧”U-235，转换增殖性材料如U-238至可用燃料。[27]

一些反应堆的设计是在钍燃料循环上运作，与铀循环相比，钍燃料循环显著降低的长寿命废物放射性毒性。

行波反应堆立即使用它产生的燃料，无需去除和清洁燃料。[28]

德国联邦核废料管理安全办公室 (BASE) 的一份报告指出小型模块化反应堆仍然需要大量的临时存放核燃料和燃料运输。在任何情况下仍然需要一个贮藏库。[13]

安全

冷却系统可以使用自然循环(对流)，这除去可能发生故障的泵。对流在反应堆关闭后可继续带走衰变热。

慢化剂和燃料中的负温度系数使裂变反应受到控制，导致反应随着温度的升高而减慢。[29]

一些小型模块化反应堆可能需要主动冷却糸统来支持被动系统，从而增加成本。[30]此外，小型模块化反应堆的设计对安全壳结构的需求较少。[8]

一些小型模块化反应堆设计把反应堆和乏核燃料池掩埋于地下。

较小的反应堆较容易升级。[31]

经济

一个小型模块化反应堆的图表

对小型模块化反应堆感兴趣的一个关键驱动因素是其声称的规模经济，与大型的核反应堆相比较，这源于在制造工厂/制造厂中制造它们的能力。相反，一些研究发现小型模块化反应堆的资本成本与更大的反应堆相当。[32]建造这些工厂需要庞大资金。摊销该成本需要大量数量，估计为 40-70 个单位。[33]

然而，小型模块化反应堆与大型的核反应堆相比较时，还应考虑小型模块化反应堆应弥补规模经济不足的独特特性，尽管没有小型模块化反应堆设计提供所有这些特性。鉴于它的低装机容量，这些特性会增加对建筑物(核电站)的数量，以获得与大型反应堆相同功率。[34]但其本身不会增加对核电站的需求。金融和经济上的问题会阻碍小型模块化反应堆的建设。[9]

每个小型模块化反应堆的建造价格声称比普通的核电站低，但开发利用小型模块化反应堆的价钱可能会较高，因为其小规模经济和更多的反应堆。由于成本人员成本是固定的，单位产出电力的人员成本随着反应堆尺寸的缩小而增加。小型模块化反应堆每单位产出电力的人员成本可能比大型反应堆的固定运转成本高出190%。[35]根据 2019 年的一份报告，模块化建筑是非常复杂的过程，“关于小型模块化反应堆模组运输的信息极为有限”。[14]

考虑到核电站的规模经济和学习效应，德国联邦核废料管理安全办公室 (BASE) 进行的生产成本计算显示，平均需要生产 3,000 个小型模块化反应堆才具有经济效益。这是因为由于其电力输出较低，小型模块化反应堆的建设成本相对高于大型核电站。[13]

2017 年，一项针对八家公司的能源创新改革项目研究着眼于装机容量在 47.5 MWe 和 1,648 MWe 之间的反应堆设计。[36]该研究报告指出小型模块化反应堆的平均资本成本(美金)为$3782/kW，平均运营成本总计为 $21/MWh，均化电力成本为 $60/MWh。

Energy Impact Center创始人Bret Kugelmass声称数以千计的小型模块化反应堆可以同时建造，“从而降低了因施工进度延长而导致的较长借款时间相关的成本，并降低了目前与大型项目相关的风险溢价”。[37]奇异日立核能执行副总裁乔恩·鲍尔(Jon Bal)表示同意，他说小型模块化反应堆的模块化元件也将有助于降低与延长建造时间相关的成本。[37]

许可

采用小型模块化反应堆的一个主要障碍是许可流程。它是为常规的反应堆制定开发的，可防止在不同地点简单部署相同的单元。[38]特别的是美国核能管理委员会的许可程序主要集中在常规反应堆上。设计与安全规范，人员配备需求和许可费用，所有这些都针对电力输出超过700MWe 的反应堆。[39]

小型模块化反应堆引起了对传统许可过程的重新评估。2009年10月的一次研讨会和 2010 年 6 月的另一次研讨会审议了该主题，随后于2010年5月举行了美国国会听证会。多个美国机构正在努力定义小型模块化反应堆许可。[7] 然而，一些人认为，降低安全法规以推动小型模块化反应堆的发展可能会抵消其增强的安全特性。[40][8]

美国先进反应堆示范计划预计将在 2020 年代帮助许可和建造两座原型小型模块化反应堆，政府资助高达 40 亿美金。[41]


核扩散

核扩散，或使用核材料制造核武器，是小型模块化反应堆的一个担忧。因为小型模块化反应堆的发电能力较低和体积上较少，它们旨在部署在比传统核电站更多的位置。[11]预计小型模块化反应堆将在很大程度上减少人员配备水平。这种组合产生人员在物理上保护反应堆和反应堆安全等问题。[10][24]

佷多小型模块化反应堆旨在解决这些问题。核燃料可以是低浓缩铀，低于20%的可裂变的U-235。这种少量的次武器级铀不太适合生产核武器。一旦燃料被照射（英语：Irradiation），裂变产物和裂变材料的混合物具有高放射性，且需要特殊处理，防止随意盗窃。

有些小型模块化反应堆设计是为一次性添加核燃料而设计的。这通过消除现场核燃料处理来提高抗扩散性，并意味着燃料可以密封在反应堆内。但是这种设计需要大量燃料，这可能使其成为更具吸引力的目标。一个200MWe 堆芯寿命为30年的轻水小型模块化反应堆，在寿命结束时可能含有约2.5吨钚。[24]

与传统的铀循环相比，设计用于使用钍运作的轻水堆提供了更高的抗核扩散能力，尽管融盐反应堆具有很大的风险。[42][43]

小型模块化反应堆设施减少了核燃料的存取，因为反应堆在运输前添加燃料，而不是在最终地点。

反应堆设计

  设计   许可   兴建中   运转中   取消   退役

小型轻水模块化反应堆列表[44]
反应堆名称 总功率 (MWe) 类型 制造商 国家 状态
4S 10–50 钠冷中子快堆 东芝 日本 详细设计
ABV-6 6–9 压水堆 OKBM Afrikantov 俄罗斯 详细设计
ACP100 125 压水堆 中国核工业集团 中国 在建中[45]
TMSR-LF1 10[46] 融盐堆 中国核工业集团 中国 在建中
ARC-100 100 钠冷中子快堆 ARC Nuclear 加拿大 审核供应商设计中。[47] 2019年12月一套机组被许可建设。[48]
MMR 5 融盐堆 Ultra Safe Nuclear Corp. 加拿大 许可阶段[49]
ANGSTREM[50] 6 铅冷中子快堆 OKB Gidropress 俄罗斯 概念设计
B&W mPower 195 压水堆 Babcock & Wilcox 加拿大 2017年3月取消
BANDI-60 60 压水堆 KEPCO 韩国 详细设计[51]
BREST-OD-300[52] 300 铅冷中子快堆 Atomenergoprom 俄罗斯 在建中[53]
BWRX-300[54] 300 进步型沸水式反应堆 GE Hitachi Nuclear Energy 加拿大 许可阶段
CAREM 27–30 压水堆 CNEA 阿根廷 在建中
Copenhagen Atomics Waste Burner 50 融盐堆 Copenhagen Atomics 丹麦 概念设计
HTR-PM 210 (2 reactors one turbine) HTGR 中国华能集团 中国 一个反应堆已接入电网。[55]
ELENA[56][57] 0.068 压水堆 Kurchatov Institute 俄罗斯 概念设计
Energy Well[58] 8.4 融盐堆 Centrum výzkumu Řež（捷克语：Centrum výzkumu Řež）[59] 捷克 概念设计
Flexblue 160 压水堆 Areva TA / DCNS group 法国 概念设计
Fuji MSR 200 融盐堆 International Thorium Molten Salt Forum (ITMSF) 日本 概念设计
GT-MHR 285 GTMHR OKBM Afrikantov 俄罗斯 概念设计（已完成）
G4M 25 铅冷中子快堆 Gen4 Energy 加拿大 概念设计
GT-MHR 50 GTMHR General Atomics, Framatom 加拿大,法国 概念设计
IMSR400 185–192 融盐堆 Terrestrial Energy[60] 加拿大 概念设计
TMSR-500 500 融盐堆 ThorCon[61] 印尼 概念设计
IRIS 335 压水堆 Westinghouse-led 国际 设计 (基础)
KLT-40C 70 压水堆 OKBM Afrikantov 俄罗斯 运行中，2019年12月[4][62]
MCSFR 50–1000 MCSFR Elysium Industries 加拿大 概念设计
MHR-100 25–87 HTGR OKBM Afrikantov 俄罗斯 概念设计
MHR-T[a] 205.5 (x4) HTGR OKBM Afrikantov 俄罗斯 概念设计
MRX 30–100 压水堆 JAERI 日本 概念设计
NP-300 100–300 压水堆 Areva TA 法国 概念设计
NuScale 45 压水堆 NuScale Power LLC 加拿大 许可阶段
Nuward 300–400 压水堆 consortium 法国 概念设计阶段，预计2030年完工[63]
OPEN100 100 压水堆 Energy Impact Center 加拿大 概念设计[64]
PBMR-400 165 HTGR Eskom 南非 取消、项目无限期搁置[7]
Rolls-Royce SMR 470 压水堆 Rolls-Royce 英国 设计阶段
SEALER[65][66] 55 铅冷中子快堆 LeadCold 瑞典 设计阶段
SMART 100 压水堆 KAERI 韩国 获得许可
SMR-160 160 压水堆 Holtec International 加拿大 概念设计
SVBR-100[67][68] 100 铅冷中子快堆 OKB Gidropress 俄罗斯 详细设计
SSR-W 300–1000 融盐堆 Moltex Energy[69] 英国 概念设计
S-PRISM 311 FBR GE Hitachi Nuclear Energy 加拿大/日本 详细设计
TerraPower 10 TWR Intellectual Ventures 加拿大 概念设计
U-Battery 4 HTGR U-Battery consortium[b] 英国 设计和开发阶段[70][71]
VBER-300 325 压水堆 OKBM Afrikantov 俄罗斯 许可阶段
VK-300 250 BWR Atomstroyexport 俄罗斯 详细设计
VVER-300 300 BWR OKB Gidropress 俄罗斯 概念设计
Westinghouse SMR 225 压水堆 Westinghouse Electric Company 加拿大 早期设计完成，项目取消[72]
Xe-100 80 HTGR X-energy[73] 加拿大 概念设计
Updated as of 2014. Some reactors are not included in IAEA Report.[44] Not all IAEA reactors are listed there are added yet and some are added (anno 2021) that were not yet listed in the now dated IAEA report.
  1. ^ Multi-unit complex based on the GT-MHR reactor design
  2. ^ Urenco Group in collaboration with Jacobs and Kinectrics

参见

参考资料

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