核能，作为一种清洁、高效、可持续的能源形式，在全球能源市场中占据重要地位。除了大型核电站建设外，小型模块化反应堆（SMR）也是当前核能领域备受关注的话题。尽管存在挑战，但小型模块化反应堆的支持者认为它有望成为更具成本效益、安全性更高的核能解决方案，与其他快速响应电源竞争，以平衡日益间歇性的风能和太阳能电力供应。然而，仍存在关于小型模块化反应堆技术的担忧和有待解决的核能问题，需要在将其视为可行的全球选择之前找到解决方案。

一、小型反应堆基本定义

小型模块化反应堆(SMR)包含三个关键词：小型(Small)、模块化(Modular)和反应堆(Reactor)。

“小型”含义是指反应堆的额定输出功率相对大型核电站要小，SMR通常指反应堆输出的额定功率水平在10 MWe~300 MWe左右的反应堆。SMR的功率选择需要满足实际工业应用的需求，从而实现区域有限能源应用以及自由灵活的规模化生产匹配要求，必要时可实现与小规模电网的有机匹配。

“模块化”指的是核蒸汽供应系统(NSSS)采用模块化设计和组装，当NSSS系统与动力转换系统或工艺供热系统进行耦合连接后，就可以实现所需的能源产品供应。系统部件模块组装可以由一个或多个子模块进行组装，还可以根据热工参数匹配性要求从一个或多个模块机组组装成大规模发电厂，以用于生产电力或其他用途。更为重要的是，模块的安装部署可以随着时间的推移进行灵活安排施工顺序，以适应当地区域电力负荷增长的发展趋势，并在规定的时间内灵活调整投资支付时间。通过设备装配工厂制造并组装零部件或设备模块来建造电厂的方法是一种成熟的模块化施工建造技术，尽管该方法已经被绝大多数的SMR所采用，但模块化施工技术却属于成熟的施工工艺，现已经被在建的核电站、船舶领域、航空航天领域所广泛应用。相比之下，SMR更容易实现模块化的快速组装和施工建造。

“反应堆”指的是一个系统概念，在这个系统中进行着受控原子核的核裂变反应过程。

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。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。

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，但运行在俄罗斯佩韦克的浮动核电厂，罗蒙诺索夫院士浮动核能发电厂是截至 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厂有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。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年底投入运行。

二、小型模块化反应堆的优势

（1）模块化结构，便于开展运输与部署。SMR体积小、模块化、结构简单、成本低，因此许多SMR设计可以在工厂组装并运输到安装地点进行部署。SMR的主要应用场景包括工业无碳用电或为电网容量有限、远离主电网主干的偏远地区提供清洁能源。

（2）核燃料废料产生少，环境友好。SMR降低了反应堆对于核燃料的需求。与传统核电厂1~2年换料周期相比，基于SMR的发电厂换料频率低，可以每3~7年进行一次燃料更换。一些SMR设计可在不更换燃料的情况下运行长达30年。

（3）结构设计简单，安全性高。与现有反应堆相比，SMR设计通常更简单，其安全概念设计更多地基于SMR的无源系统和反应堆的固有安全特性，例如低功率和低运行压力，这显著降低了在发生故障时出现较大事故的可能。

（4）下游应用场景广泛。小型模块化核反应堆不仅可以用来发电，满足中小型电网的供电，还可以与其它产业进行耦合，如用于城市供热、工业供汽、海水淡化、氢气制备、同位素生产等。

三、小型模块化反应堆的技术发展

全球正在开发的小型堆技术超过80种，根据OCED发布的《小型模块化反应堆发展机遇与挑战》（Small Modular Reactors: Challenges and Opportunities）报告，SMR的技术路线可大致分为单机组轻水SMR、多机组轻水SMR、第四代核能系统SMR、可移动/可运输SMR和微型模块化反应堆（Mirco Modular Reactor, MMR）。

（1）基于轻水堆的小型模块化反应堆。不论是单/多机组轻水SMR还是可运输式SMR，其主要基于第二代和第三代轻水反应堆的进行开发设计，得益于轻水反应堆几十年的建造、运行和监管经验，这类SMR设计较为成熟，它们大约占到了正在设计开发的SMR的50%。

（2）基于第四代反应堆技术的小型模块化反应堆。另外50%的SMR概念设计是基于第四代反应堆技术，采用了替代冷却剂（即液态金属、气体或熔融盐）、先进的核燃料和创新的系统配置。

（3）微型模块化反应堆。MMR是一类特殊的SMR，其装机容量小于10兆瓦，通常能够半自主运行，相对于较大的SMR，其运输能力得到改善，MMR主要用于偏远地区的离网运行。

我国SMR领域发展始于上世纪末期和本世纪初期，相比其他国家起步略晚，但是发展势头十分迅猛。不过由于SMR本身就属于非常新兴的核电能源技术，布局研究这项技术的国家并不算多。美国和中国是该领域发文总量排名前2位的国家，分别有766篇和361篇，约占总发文量的43.8%，其次为英国（277篇）、韩国（187篇）和德国（164篇）。国际原子能机构（IAEA）于2022年3月宣布发起核能发展协同和标准化倡议（NHSI），旨在加速先进核反应堆尤其是SMR的安全部署，以实现2050年净零排放的目标。我国深度参与了IAEA的倡议，参与相关文件的起草和编写，在SMR技术推广上争取到了更多的国际话语权。

专利方面，最早有关SMR的专利申请出现于2010年，截至目前共有181件专利申请，其中94件获得授权，主要来自韩国（21件）、中国（大陆）（18件）、美国（14件）。专利的主题包括SMR的冷却系统、冷却剂、燃料元件、燃料回收技术、SMR安全相关技术等。

四、小型模块化反应堆的商业化进展

相较欧美国家，我国与俄罗斯在SMR的商业化方面走在前列，美国的SMR部署受监管阻碍、缺乏用户等因素进展缓慢。

（1）我国在陆上小型模块化反应堆部署方面领先全球，工程建设进展良好。我国的“玲龙一号”反应堆是全球首个通过国际原子能机构官方审查的三代轻水SMR，也是全球首个陆上商用SMR，“玲龙一号”（ACP100）于2021年7月开工建设，单台机组容量为125兆瓦。截至2023年11月，“玲龙一号”钢制安全壳下部筒体已吊装就位，环吊钩头完成全部载荷试验，满足可用条件。

（2）俄罗斯已实现海上可移动小型模块化反应堆的在边远地区供能方面的应用。俄罗斯则在可移动式SMR商业化方面领先全球，2019年底，世界首座海上浮动式核电站“罗蒙诺索夫院士”号开始在俄罗斯远东楚科奇地区的佩斯韦克市试运行，其拥有两座改进的KLT-40反应堆，每座装机容量达35兆瓦。2020年5月，该项目正式投入运营，成为俄罗斯第11座在运行的核电站，也是世界上最北的核电站，成为俄罗斯楚科奇地区的主要能源来源。

（3）美国的小型模块化反应堆部署受监管阻碍、缺乏用户等因素进展缓慢。美国在SMR研究与部署方面行动较早，但是碍于审批手续的繁杂，目前还没有一项SMR项目投入正式建设，直到2022年8月，美国核管理委员会（NRC）才审查通过了纽斯凯尔电力公司（NuScale Power）的一项SMR设计，这是NRC认证的首个SMR设计。然而，该SMR的建设项目却于2023年11月8日被宣布终止建设，原因是大多数潜在用户不愿承担开发此类项目的风险，无法获得足够的用户。纽斯凯尔电力公司表示将继续与国内外客户合作，将其技术推向市场。

除了上述国家以外，加拿大、阿根廷、罗马尼亚等国也在考虑SMR的部署建设。

五、小型反应堆应用趋势

小型模块化反应堆除了具有传统反应堆单一的发电功能以外，还有许多的工业用途。其主要表现为热电联产、工业供热和海水淡化等。其最大的市场优势在于其固有的高安全性和高效率的热、电联产能力。具有很好地经济性，能够满足不同用户的需要。正因如此，小堆除了可以为城市供电外，还可以热电联产、提供海上及海岛核动力、空间核动力等。

目前，我国已经有多个省份打算进行小堆建设。根据各省地理条件的不同，小堆用途也不尽相同。其中，福建等沿海省份主要采用小堆进行海水淡化处理，南海岛礁等主要采用小堆进行海水淡化和热电联产。吉林等高纬度省份主要采用小堆进行供热，江西和湖南等内陆省份由于缺少煤炭等化石能源，电力发展不平衡，由于小堆选址和经济性较好，也得到了广泛的应用。

海上浮动核电站

对比现在海岛上的柴油发电和大陆上的火电厂发电，海上核能发电经济性优势明显。中船重工董事长胡问鸣曾经算过这样一笔账：“现在我们的柴油发电成本是6块钱1度，海上油气田的原油发电是2元1度，换上海上核电以后可以降到9毛钱一度。”这个经济效益就十分显著了。这个价格甚至比陆地上核电站还要便宜，因为这个小型堆采用的超过第三代核反应堆的最新核电技术，发电效率比陆地上核电站更高。而且它还更环保，对海洋环境更友善。

柴油机发电污染很严重。北方的雾霾很大一部分都是汽车尾气和发电厂的污染导致的。海上核电小型堆就没有这个问题。至于核废料，咱们核电站燃料棒十几年才需要更换一次，核废料有专门的处理机制，是不需要担心污染的问题的。最棒的是对于海岛，它还可以同时产生大量的蒸馏水，解决岛上，油气平台上人员的生活用水问题。你想核电站嘛，就是靠反应堆热量产生高温蒸汽带动汽轮机叶片转动发电。反应堆这个热量是很庞大的，我们可以利用这个热量来蒸馏海水，产生足够的淡水供应岛上人员的生活，一举两得。

城市采暖供热领域

我国城市供热对能源的需求量位于世界前列，年耗煤数十亿吨，占总能源消耗的10％以上。随着城镇化进程加快，采暖热负荷迅猛增长。小型反应堆具备较小的源项和采用设计安全的原则，其应急计划区可相应缩小，适合于布置在城市边缘地区，为向城市供热创造了有利条件。

作为燃煤、燃油或燃气供热的替代，小型堆供热不会产生空气污染，特别是随着我国雾霾天气的增多且公众对PM2.5的持续关注，使得小型堆供热在环保方面优势更突出。但是小堆建设于距离负荷中心较近的城市边缘，公众的“核恐惧”心里更加明显，因此需要普及核知识，加强核安全宣传，同时建立和健全核安全信息透明机制。

工业工艺供热/供电领域

电力、建材、冶金、化工等能源消费密集的行业是我国支柱产业，这些行业的企业都建有不同规模的自备热电厂，使用的全部是化石能源，它们占大气污染的70%以上。小型堆可替代上述热电厂，减少化石能源的消耗，同时减少二氧化碳的排放，尤其是在热负荷稳定和集中的工业园区，利用小型堆供热或供电更有利于反应堆的稳定运行和容量因子的提高。此外，小型堆与化石能源系统的集成也是我国发展低碳能源产业的可能性选择之一，例如中国科学院提出构建核能-煤基低碳复合能源系统，即通过核能(电/热)高温电解制氢系统与煤气化为核心的多联产系统进行耦合集成，可实现二氧化碳的零排放。

海水淡化领域

我国人均淡水资源占有量仅为世界人均占有量的25%，是最贫水的国家之一，北方沿海地区极度缺水。严重的淡水资源缺乏，已成为经济可持续发展不可忽视的瓶颈。IAEA多年研究结果表明，核能海水淡化的成品水成本与化石燃料方案的成本在相同范围内，当淡化设备的规模加大时，核能优势比较明显。小型模块化反应堆采用模块化设计和建造，对厂址的适应性更好（相对大型反应堆），且可根据海水淡化规模选择合适反应堆功率，更容易实现淡水产量与反应堆规模的匹配。

与其他新能源组成联合能源系统

鉴于风电、光伏发电连续稳定发电性能差，难以直接接入电网。小堆核电站运行灵活性强，可与风能、光伏发电组成稳定联合能源系统。 小型堆相对于大型堆，其较小的规划限制区和应急计划区是小型堆的优势。如果小型堆的规划区仍采用5km，则其优势就不复存在。因此，建议行业主管部门制定和完善关于小型堆的法规、标准以及审批和监管体系。此外，建议借鉴有关国家经验，政府在资金、政策等方面提供必要的支持和引导以推动小型堆的研发和应用。

文章来源： ​双碳情报，智研瞻产业研究院，闲聊Power