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（下）

 

3. 乏燃料与放射性废物管理：SMR的技术挑战与创新路径

 

小型模块化反应堆（SMR）的可持续发展不仅依赖于技术经济性，更需解决乏燃料与放射性废物的全生命周期管理问题。不同技术路线的SMR在废物特性、处理策略及最终处置上呈现显著差异，需结合设计特点制定针对性方案（表3）。以下分技术路线解析管理策略与挑战：

 

3.1 陆基水冷SMR：兼容传统框架的创新优化

 

• 乏燃料特征：与传统大型压水堆（PWR）类似，产生铀氧化物乏燃料，放射性活度以铯-137、锶-90为主。燃耗深度45-60GWd/tHM，衰变热较低（停堆10年后<1kW/吨）。

• 管理策略：1）干式贮存主导：采用Holtec MPC-37等标准化罐体，设计寿命100年，适配SMR模块化部署（如NuScale每模块年产0.7吨乏燃料）。2）退役优化：一体化压水堆（iPWR）通过紧凑设计减少活化材料体积（较传统PWR减少30%）。3）深地质处置（DGR）兼容性：芬兰Onkalo等DGR项目已验证水冷堆乏燃料处置可行性。

• 案例：美国NRC批准NuScale VOYGR使用NAC-UMS通用运输容器，降低小批量乏燃料运输成本。法国Orano开发移动式后处理模块，目标2030年实现SMR乏燃料集中再处理。

 

3.2 气冷SMR：石墨处理与低放废物挑战

 

• 废物特性：石墨慢化剂含C-14（半衰期5730年），活化后放射性活度达10^5Bq/g。TRISO燃料包覆层可截留99.9%裂变产物，但废球体仍需长期监测。

• 管理创新：1）石墨去活化技术：英国NNL开发高温氧化法，将C-14转化为CO2捕获封存，体积减少90%。2）模块化封装：中国HTR-PM采用双层不锈钢容器封装废石墨块，目标地表贮存300年。3）钚含量控制：HTGR乏燃料钚含量较PWR低50%，降低防扩散风险。

• 挑战：全球尚无商用HTGR石墨处置库，英国塞拉菲尔德试点项目仍处试验阶段。TRISO燃料球长期浸出行为缺乏实证数据。

 

3.3 液态金属冷却快堆SMR：闭式循环与锕系元素焚烧

 

• 技术优势：快中子谱可嬗变长寿命次锕系元素（MA），使高放废物毒性周期从10万年缩短至300年。

• 关键挑战：钠冷却剂氧化生成NaOH，需开发专用固化基质（如磷酸盐玻璃）。干法后处理（pyroprocessing）能耗为传统PUREX法的3倍，美国阿贡实验室目标2035年将成本降至$500/kgHM。

• 案例：俄罗斯BREST-OD-300设计铀-钚循环效率达95%，乏燃料体积仅为开式循环的1/5。法国Newcleo提出“区域中心”模式，每座LFR配套微型后处理厂，服务半径500公里内的SMR集群。日本JAEA开发钠冷快堆（JSFR）与玻璃固化协同系统，实现钠废物就地处理。

 

3.4 熔盐SMR：在线处理与短寿期废物

 

• 技术优势：连续去除气态裂变产物（如Xe-135、Kr-85），中子毒物减少60%，提升反应堆效率。中国TMSR-LF1实验堆验证Th-232→U-233转化，废物中MA含量仅为铀循环的1/10。

• 废物管理流程：1）熔盐处理：通过氟化挥发法分离铀/钍，回收率>99%。2）盐基固化：剩余氟化盐与钙硅酸盐结合，形成稳定陶瓷体（类似Synroc技术）。3）近地表处置：因废物毒性低（半衰期<500年），可避免深地质处置的高成本。

• 挑战：熔盐对镍基合金的腐蚀产生CrF3等副产物，需开发抗腐蚀涂层（如SiC覆层）。

 

表3：SMR废物管理策略对比

 

3.5 国际合作与政策推动

 

SMR的废物管理需跳出传统核能框架，通过设计融合（如在线处理）、模块化处理设施、人工智能监控、材料创新（如抗腐蚀包覆）和区域协作（微型后处理中心），实现从“被动封存”到“主动循环”的范式转变。

 

IAEA要求成员国定期提交SMR废物管理国家报告，2024年发布SMR废物分类新指南，区分微堆、海上浮动堆等特殊场景。IAEA还启动了“熔盐堆废物分类指南”项目，目标2026年发布国际标准。此外，欧盟SAMOSAFER项目资助10国开发SMR废物运输机器人，兼容陆海空多模态。美日韩三方发出倡议，呼吁共建快堆后处理试验平台，共享专利技术。通过技术创新与全球协作，SMR有望实现“近零废物”愿景，为核能可持续发展树立新标杆。

 

4. SMR的市场发展趋势

 

小型模块化反应堆（SMR）作为核能领域的技术革新，正在重塑全球能源市场格局。随着碳中和目标的推进、工业脱碳需求的激增，以及分布式能源系统的崛起，SMR的市场潜力逐渐显现。根据国际原子能机构（IAEA）预测，到2050年，全球SMR装机容量有望达到300GW，占新增核电产能的25%。以下从三大核心驱动力解析市场趋势：

 

4.1 新兴用户：科技巨头与数据中心集群

 

全球数据中心耗电量从2022年的460TWh激增至2026年的1000TWh（IEA数据），相当于日本全国年用电量。AI训练单模型耗电（如GPT-4）达10GWh，超5,000户家庭年用电量，AI与算力的能源黑洞引发对SMR的需求爆发。

 

SMR可提供24/7的低碳电力，弥补风光发电的间歇性。微软研究表明，数据中心采用SMR+可再生能源混合供电，碳强度可降至10gCO₂/kWh。单台55MWe SMR（如RITM-200N）可支持超大规模数据中心（100MW级）的基准负载。

 

因此，谷歌投资核聚变初创企业TAE Technologies，并联合NuScale探索SMR供电方案。亚马逊与Holtec签署协议，计划2030年前在其AWS数据中心部署SMR-160机组。微软发布《先进核能技术路线图》，要求2030年前实现SMR供电试点。爱尔兰政府规划在都柏林周边部署SMR集群（总容量500MWe），替代燃气管网依赖。

 

4.2 新兴经济体：能源安全与电网适配

 

许多新兴国家正在考虑将SMR作为其能源结构的一部分，特别是在那些电网规模较小或能源基础设施不完善的地区，IAEA“里程碑方法”精简新兴国家核电审批流程，缩短前期准备周期至5年。菲律宾融资模式采用“建设-运营-转移（BOT）+主权担保”，吸引外资参与。市场聚焦“三小”国家（表4）：

 

1）小型电网（<10GW）：如加纳、爱沙尼亚，传统大型核电站（>1GWe）无法兼容，SMR成唯一核能选项。

2）小岛屿国家：如印尼、菲律宾，依赖柴油发电（成本超200/MWh），SMR可提供平价基荷电力（目标<200/MWh），SMR可提供平价基荷电力（目标<80/MWh）。

3）新兴工业国：如波兰、沙特，通过SMR+绿氢组合实现重工业脱碳。

 

表4：国别进展（2024年）

 

4.3 非电力应用：千亿美元级工业脱碳市场

 

SMR不仅可以用于发电，还可以为工业提供高温热源，支持氢气生产、海水淡化、区域供热等应用。这些非电力应用为SMR提供了广阔的市场前景。

 

• 高温热源：解锁“难减排行业”

许多工业过程需要高温热源，而SMR能够提供零碳热源，助力这些行业的脱碳进程。例如，钢铁行业电弧炉需1,600°C热源，SMR（如HTGR）可替代焦炭，单厂减排潜力90%。瑞典HYBRIT项目通过LKAB钢铁厂与Fortum合作，计划2025年试点SMR供能。化工行业的氨/甲醇合成需800-1,200°C蒸汽，SMR热电联产效率超80%。美国陶氏化学计划2030年前在路易斯安那州部署4台AP300机组，替代天然气锅炉。

• 氢能经济：SMR的终极战场

SMR可以通过高温电解（HTSE）技术高效生产氢气，高温电解需要电力和热源，而SMR能够同时提供这两种能源，显著提高氢气生产的效率，供能效率由75%（LWR）提高到 85%（HTGR）。例如，中国的HTR-PM反应堆已经展示了其在氢气生产方面的潜力，2025年产能1万吨/年。

• 海水淡化：水-能协同

SMR可以为海水淡化提供所需的能源，特别是在水资源匮乏的地区。例如，沙特NEOM新城规划SMR+反渗透（RO）系统，日产淡水100万立方米，能耗较传统工艺降低30%。韩国KEPCO开发核能驱动膜蒸馏（MD），适用于高盐度海水。

 

5. 结语：SMRs——能源转型的破局者与未来基石

 

小型模块化反应堆（SMRs）凭借其技术灵活性、低碳特性及场景适配能力，正从实验室走向全球能源舞台中心。作为核能领域的颠覆性创新，SMRs不仅填补了传统核电与可再生能源之间的技术鸿沟，更在能源安全、工业脱碳和新兴市场发展中展现出多维价值。彭博新能源财经预测，2035年全球SMR年投资额将突破300亿美元，累计装机达75GW。

 

全球68种SMR设计中，非水冷堆占比67%（46种），涵盖熔盐堆、快堆等第四代技术，推动核能从“单一基荷”向“多场景供能”转型。中国HTR-PM（200MWe）和俄罗斯BREST-OD-300（300MWe）等首堆投运，验证了高温制氢、核废嬗变等跨界应用的可行性。规模化生产与模块化建造推动成本下降。英国劳斯莱斯SMR目标成本降至£2,200/kWe，较EPR（£8,000/kWe）降低72%，2030年前有望实现与陆上风电（$50/MWh）的成本持平。

 

SMRs的崛起标志着核能从“集中式基荷”向“分布式赋能”的范式革命。在碳中和目标的倒逼下，其技术迭代速度、政策支持力度与市场渗透深度将共同定义未来能源体系的形态。尽管挑战犹存，但SMRs已站在从“可行”到“必然”的临界点，成为全球零碳竞赛中不可替代的战略性资产。（续完）

 

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