GCNR研报 | 小型模块化反应堆（SMR）技术发展现状与市场趋势——IAEA《小型模块化反应堆：2024年进展报告》解读（上）

 

小型模块化反应堆（SMR）作为一种新兴的核能技术，近年来在全球范围内引起了广泛关注。SMR具有模块化设计、较低的初始投资成本、灵活的应用场景等优势，被认为是实现全球碳中和目标的重要技术之一。国际原子能机构（IAEA）在其最新发布的《小型模块化反应堆：2024年进展》（Small Modular Reactors: Advances in SMR Developments 2024）报告中，详细介绍了SMR的技术进展、市场趋势及其在全球能源转型中的潜在作用。本文基于该报告，对SMR的发展现状与未来趋势进行深入解读。

 

1. SMR的技术与应用

 

小型模块化反应堆（SMR）作为一种新兴的核能技术，近年来在全球范围内取得了显著的技术进展。根据国际原子能机构（IAEA）的先进反应堆信息系统（ARIS）数据库，全球约有68种SMR设计处于不同的开发和部署阶段（截至2024年），涵盖水冷堆、气冷堆、液态金属冷却堆、熔盐堆和微型反应堆等五大技术路线（表1）。其中，非水冷堆（N-WCR）占比达67.6%（46种），体现了技术创新从传统轻水堆向多元化方向的突破。以下分技术类型解析SMR的核心进展与典型应用。

 

1.1 水冷堆（Water-Cooled Reactors）

 

水冷堆是目前技术最成熟、商业化进程最快的SMR类型，全球共有 22种设计（含微堆两种），占所有SMR的32.4%。其核心优势在于依托现有轻水堆（LWR）和重水堆（HWR）技术，具备较高的安全性和供应链成熟度。水冷堆SMR可进一步分为陆基与海基两类：

 

陆基水冷堆（14种设计）：

 

• CAREM-25（阿根廷）：全球首个一体化压水堆（PWR）原型堆，设计功率25MW，主要用于发电和区域供热。目前处于建设中，预计2028年并网发电。其一体化设计简化了安全系统，降低了建造成本。

• ACP100（中国）：多用途压水堆，设计功率125MW，支持发电、海水淡化和工业供热。2021年启动建设，2023年完成堆芯安装，计划2026年投运。其模块化设计可灵活适配小型电网需求。

• NuScale VOYGR（美国）：模块化压水堆的代表，单模块功率77MW，支持多模块组合（最多12模块，总功率924MW）。2023年获美国核管会（NRC）设计认证，计划在罗马尼亚等地部署。

• 劳斯莱斯SMR（英国）：设计功率470MW，采用紧凑型压水堆技术，目标成本低于£2.3亿/MW。2024年完成通用设计审查（GDA），计划2030年前投运。

 

海基水冷堆SMR（6种设计），以浮动核电站形式部署，适合偏远沿海地区或岛屿能源供应：

 

• Akademik Lomonosov（俄罗斯）：全球首个商用浮动核电站，搭载两座KLT-40S压水堆（单堆35MWe），自2020年为楚科奇地区供电供热。2023年完成首次换料，验证了海基SMR的运维可行性。

• ACP100S（中国）：中国核工业集团开发的浮动式压水堆，设计功率125MWe，计划部署于南海岛礁，支持电力和淡水供应。

• BANDI（韩国）：韩国电力工程公司（KEPCO）研发的60MWe驳船式反应堆，目标市场为东南亚岛屿国家。

 

1.2 气冷堆（Gas-Cooled Reactors）

 

气冷堆以高温气冷堆（HTGR）为主，全球共有14种设计，其核心优势在于提供高温热能（≥750°C），适用于高效发电、工业供热及氢气生产：

 

• HTR-PM（中国）：全球首个商用球床式高温气冷堆，设计功率200MWe，2021年并网，2022年满功率运行。其氦气冷却剂与TRISO燃料颗粒结合，实现固有安全性（事故下堆芯温度自限）。

• EM2（美国）：通用原子公司开发的高温气冷快堆，设计功率265MWe，采用铀碳化物（UC）燃料，目标运行周期30年无需换料，适用于偏远矿区或军事基地。

• GTHTR300（日本）：日本原子力研究开发机构（JAEA）研发的300MWe高温气冷堆，与HTTR试验堆（30MWth）联动，计划2030年代开展氢能联产示范。

 

1.3 液态金属冷却堆（Liquid Metal-Cooled Reactors）

 

液态金属冷却堆以钠、铅或铅铋合金为冷却剂，具备快中子谱优势，适合核废料嬗变和闭式燃料循环，全球共有10种设计：

 

• BREST-OD-300（俄罗斯）：全球首座铅冷快堆，设计功率300MWe，采用混合氮化物燃料（UN-PuN），支持闭式燃料循环。2021年启动建设，计划2026年投运，目标燃耗深度150GWd/t。

• SEALER-55（瑞典）：铅冷快堆，设计功率55MWe，运行周期10年，专为北极地区设计，可全堆芯运输换料。

• Newcleo LFR（法国）：采用铅冷快堆技术，计划利用回收MOX燃料，目标2028年启动首堆建设。

 

1.4 熔盐堆（Molten Salt Reactors）

 

熔盐堆（MSR）使用液态燃料与冷却剂，具备在线换料、负温度反应性系数等安全特性，全球共有 11种设计：

 

• IMSR400（美国）：Terrestrial Energy开发的400MWe熔盐堆，采用氟化盐燃料（LiF-BeF2），核心单元每7年整体更换，2024年获加拿大核安全委员会（CNSC）预许可。

• TMSR-LF1（中国）：钍基熔盐实验堆（2MWth），2023年实现临界，验证钍燃料循环技术，为后续100MWe商用堆铺路。

• ThorCon（印尼）：500MWe熔盐堆设计，计划在印尼部署，支持电网基荷与海水淡化。

 

1.5 微型反应堆（Microreactors）

 

微型反应堆（功率≤30MWe）针对分布式能源市场，全球共有 13种设计，多采用非传统冷却剂（如热管、液态金属）：

 

• Oklo Aurora（美国）：1.5MWe快堆，使用高丰度低浓铀（HALEU）燃料，运行周期10年，2024年提交NRC许可申请。

• MARVEL（美国）：100kW钠冷微堆，2025年计划在爱达荷国家实验室投运，验证偏远军事基地供能可行性。

• SMR-160（波兰）：Holtec国际开发的160MWe压水堆，采用被动安全系统，目标2028年在波兰克拉科夫部署。

 

表1：SMR技术类型分布（2024年）

数据来源：IAEA ARIS数据库（2024年更新）

 

2. 核燃料循环与SMR技术创新

 

核燃料循环是核能系统的核心环节，涵盖从燃料制备、堆内使用到后处理的完整链条。SMR因其设计多样性，在燃料需求、循环策略和后端管理上呈现显著差异，既继承传统核能经验，又推动技术创新（表2）。

 

燃料类型分为三类：一是低浓铀（LEU）：铀-235丰度<5%，用于传统水冷堆SMR（如NuScale VOYGR）。二是高丰度低浓铀（HALEU）：铀-235丰度5%-20%，为熔盐堆、快堆及微堆的关键燃料（如Oklo Aurora需19.75% HALEU）。三是特殊燃料：1）TRISO颗粒：高温气冷堆燃料，三层热解碳/碳化硅包覆铀核（如HTR-PM）。2）氮化物/金属燃料：快堆专用，提升燃耗深度（如BREST-OD-300采用UN-PuN混合燃料）。3）熔盐燃料：液态氟化盐中溶解钍或铀（如ThorCon使用LiF-BeF2载体）。

 

SMRs 的燃料循环策略包括开式循环、闭式循环以及一些创新型循环，每种方式各有优劣。开式燃料循环是指燃料在反应堆中使用一次后，不进行再处理，直接作为废物处置。闭式燃料循环是指乏燃料经再处理，回收其中的铀和钚等元素，用于制造新燃料。以下分技术路线解析SMR燃料循环的核心特点与挑战。

 

2.1 水冷堆SMR

 

• 燃料设计：通常采用现有轻水反应堆（LWR）燃料设计，沿用LWR燃料棒，铀-235丰度≤5%，燃耗45-60GWd/tHM。由于这些SMR与现有的大型水冷反应堆类似，因此能够利用现有供应链，并符合现有的监管要求。

• 换料周期：18-24个月，采用“半堆芯换料”优化经济性（如ACP100），即每个换料周期更换一半燃料组件，以优化燃料经济性。

• 案例：西屋AP300采用17×17燃料组件，燃耗提升至60GWd/tHM，换料周期延长至24个月。

 

2.2 海基水冷堆SMR

 

• 燃料浓缩度：20%HALEU（如“罗蒙诺索夫院士”号浮动核电站KLT-40S），换料周期30-36个月，平均燃耗达到45.4GWd/tHM，俄罗斯优化后的RITM-200M型浮动电站换料周期可长达120个月。

• 运维模式：整堆返厂换料（俄罗斯方案）或驳船式移动后处理（韩国BANDI设计）。

• 挑战：浮动环境下的燃料运输安全与防扩散监管。

 

2.3.气冷堆SMR

 

• 燃料形式：高温气冷堆（HTGR）SMR采用固有安全燃料，其设计包括球床堆（Pebble-bed）或棱柱堆（Prismatic Core），使用三重结构同位素（TRISO）包覆颗粒燃料，并具有较高的铀-235浓度（UO2 或 UCO 燃料颗粒，丰度8%-20%）。TRISO燃料颗粒由三层碳和陶瓷基材料包覆，可防止放射性裂变产物的释放。燃料颗粒可制成台球大小的球形燃料元件（Pebbles），或者放入六边形石墨块（Graphite Blocks）中。

• 循环创新：1）在线连续换料：中国HTR-PM通过重力流补充燃料球，实现不停堆换料（25-60个月）。2）超长周期：美国EM2气冷快堆（General Atomics）设计30年免换料，燃耗深度达200GWd/tHM。

• 挑战：石墨慢化剂放射性活化（C-14），需专用处理方案。

 

2.4 液态金属冷却快堆

 

• 燃料类型：金属/氮化物燃料，与水冷SMR相比燃料浓缩度更高铀-235丰度14%-20%，并且燃料循环周期可长达30年。

• 闭式循环案例：BREST-OD-300（俄罗斯）采用铀-钚混合氮化物燃料（Mixed Nitride Fuel），实现“燃料自持”（breeding ratio≈1）。法国LFR-AS-200（Newcleo）使用MOX燃料（钚-铀混合氧化物），目标2030年商业化后处理技术。

• 挑战：钠冷却剂化学活性高，需严格防泄漏设计。

 

2.5 熔盐堆SMR

 

• 燃料形式：与固态燃料反应堆不同，熔盐堆（MSR） 采用熔融燃料，即液态氟化盐（如LiF-BeF2）溶解钍或铀，在线连续净化裂变产物，从而避免了燃料包壳失效的风险。

• 循环优势：1）在线换料：丹麦Waste Burner堆可移除Xe-135等毒物，提升中子经济性。2）钍铀增殖：中国TMSR-LF1验证钍-232→铀-233转换，钍资源利用率提升200倍。3）超长燃料循环（最长150个月）。美国IMSR400（Terrestrial Energy）采用可更换堆芯，每7年更换一次。

• 挑战：熔盐腐蚀控制与燃料盐标准化（尚无国际标准）。

 

表2：SMR燃料循环策略对比

 

SMR通过燃料类型与循环策略的创新，正在重塑核能可持续发展路径。钍基循环与快堆闭式循环可提升铀资源利用率50倍以上。快堆焚烧长寿命锕系元素，使高放废物毒性周期从万年缩短至百年级。模块化后处理设施（如NuCycle能源移动式工厂）适配SMR分布式部署。然而，燃料供应链安全、后处理技术突破与监管协调仍是全球SMR规模化部署的关键瓶颈。IAEA通过核燃料循环国际项目（NFC-IF）与核协调与标准化倡议（NHSI），正推动建立跨国产能联盟与技术标准，为SMR燃料循环全球化铺路。（待续）