小堆能否支撑核能的新一轮规模化发展？

小堆的市场前景主要体现在替代化石能源减排、与风光间歇性能源有效互补以及应用场景拓展等方面。

（来源：能源新媒  作者：马清远）

福岛核事故十二年后，在气候危机和能源危机的共同促进下，核能在全球范围内再次迎来新的发展机遇，传统核能大国和新兴国家均释放出发展核能的积极信号。

小堆具有模块化特性，建造周期短，可灵活部署，有条件成为类似风光的分布式能源，除了发电之外还可用于海水淡化、供热、动力等多种用途，适用于园区、海岛、矿区、高耗能企业自备能源等多个应用场景。正因为此，近十年来小堆受到了全球核能大国的普遍重视，美国、俄罗斯、欧盟、加拿大、日韩都在积极研发多种技术路线的小堆，尤其在美国，能源部、军方、以及多家私有企业都在大力推动小堆商业化，目前已取得较大进展。

然而，小堆的商业化和规模化推广仍面临技术、市场和经济性等诸多挑战。笔者认为，近中期内小堆很难大规模发展，无法支撑全球核能规模的显著提高。

小堆研发如火如荼

按照国际原子能机构（IAEA）的统计，目前全球已推出70多种小堆设计，主要分为三种类型。

第一种是轻水型小堆，可以是单机组或者多模块，基于成熟的大型轻水堆技术，主要用于在电力负荷较小的偏远地区进行分布式部署；

第二种是移动式/可运输小堆，目前也大多采用轻水堆技术，反应堆整体可以从一个地点移动到另一个地点，例如俄罗斯在远东地区部署的浮动式反应堆，美国军方目前也在大力推进移动式小堆的应用；

第三种是采用第四代核能技术的小堆，大多使用液态金属（钠、铅等）、气体或熔融盐作为冷却剂，国内山东石岛湾的高温气冷堆（HTR-PM）被列为四代小堆，美国目前有多家小型私有企业正在开展先进四代小堆研发。

总体而言，商业化进程最快的小堆技术是已经积累数十年运行和监管经验的轻水堆设计。

相对于传统大型反应堆，小堆具有诸多显著的设计特性。

第一是一体化设计，即将核蒸汽供应系统全部放置到压力容器中，一回路冷却剂总量超过采用外部冷却回路的传统设计，大幅提升系统的热容量，并使系统更加简化，操作和维护工作更易开展。

第二是以固有安全性为目标，较低输出功率以及小堆芯带来的较大表面积与体积之比，能够提升非能动安全系统在正常和非正常工况下的运行效率。

第三是较低的堆芯放射性物质存量，既可降低厂区内作业的设备屏蔽要求以及员工职业受照剂量，也可降低严重事故的发生概率，甚至消除严重事故的厂外影响，并据此取消厂外应急规划区，这一点尤为重要，意味着可以将小堆建在电力负荷中心附近。

第四是更好的模块化和可制造性，小堆设备的尺寸大幅减小，因此降低了小堆设备的制造、运输和安装难度，也使小堆更易采用模块化设计。

第五是更好的灵活性，主要体现运营灵活性和部署灵活性，小堆多模块电厂运营，可更好地进行负荷跟踪，对厂址的要求低，可以灵活选址。

在燃料方面，大部分轻水型小堆使用常规UO2燃料，可以利用现有燃料加工设施制造和供应燃料，但大多使用铀-235丰度大于5%的高丰度低浓铀燃料（HALEU）。四代小堆大多使用新的燃料类型，高温气冷小堆主要使用三元结构各向同性 (TRISO)燃料，液态金属冷却快堆使用金属或者铀钚混合氧化物燃料（MOX），熔盐小堆使用基于钍或乏燃料的熔融燃料。

小堆规模化推广

面临的挑战大于其优势

小堆的设计特性决定了其可大幅简化系统设计，更易于实现标准化，进行模块化和工厂制造，因此具备诸多显著优势。

在融资方面，小堆的初始投资低，有利于吸引投资，降低投资风险，并减少融资成本，从而帮助降低发电成本。小堆的建设周期短，可缩短投资回报期，有利于进一步降低融资费用。对于多模块小堆电厂，能够随着市场需求的增加而 逐步推进后续模块的建设，因此能够加强对投资风险的管控。

在交付模式方面，小堆实现标准化批量建设，不仅能够推进发电成本的降低，还能促进交付模式的转变。当市场条件成熟时，能够大幅缩短从项目启动到电厂投运所需的时间，这对于电力需求飞速增长的国家尤其具有吸引力。另外，小堆在负荷跟踪运行和非电力应用方面的灵活性，可产生系统性成本效益。

小堆的市场前景主要体现在替代化石能源减排、与风光间歇性能源有效互补以及应用场景拓展等方面。小堆被广泛认为是取代小型燃煤电厂的首选方案。据统计，美国目前仍有6000万千瓦的老旧小型燃煤电厂，小堆可有效补充燃料电厂退役后的供需缺口。此外，小堆可有效促进区域供暖等其他能源产业的减排，目前部分北欧国家正在研究小堆供暖的可行性。

基荷稳定供应是小堆相对于可再生能源的显著优势，目前全球都在大力发展可再生能源，发展小堆可有效对冲和弥补可再生能源无法连续供应的先天不足，建设由小堆与可再生能源组成的混合能源系统，并在该系统为小堆配备非电力产品生产设施，例如制氢、海水淡化等，使两种能源技术能够实现优势互补，从整体上提高能源系统的可靠性和弹性。

小堆的选址灵活性大幅拓展了其应用场景。小堆可以在没有电网连接的或者仅有小型电网的偏远地区部署，从而使更多的地区能够利用核能这一低 能源。加拿大政府在2018年发布的小堆路线图中指出，小堆可用于替代柴油发电机为偏远社区和矿山供电。

同时，诸多挑战也制约着小堆的大规模商业化应用。

在技术方面，虽然各国不同技术路线的小堆研发取得了长足进展，但技术成熟度仍有待提高，且大多未进行工程化验证和示范，尤其是四代小堆，大多使用快堆技术，仍存在诸多技术难题和不确定性，还需开展大量研发工作。此外，小堆在设计和建造方面的各种优势能否转化为经济竞争力仍有待实践检验。

在市场方而，相比大型堆，小堆单机装机容量小，不能从单堆的规模经济中受益，因此需要 “批量建设”以克服上述经济性问题，形成类似七八十年代核能大发展的全球性大市场，这显然面临巨大难度，同时也需要各国在监管方面实现更高水平的协调，经济竞争力是小堆发展面临的最大制约和挑战。

在供应链建设方面，随着技术研发工作的不断推进以及首批示范项目的建成，小堆面临的技术风险将会降低，但需配套开展新的供应链能力建设，尤其是特殊设计小堆的专用设备，以及四代小堆所需的特殊燃料制造能力。

在监管体系和法律框架方面，由于现行核监管和法律框架主要是基于已有核能技术，因此需要对这些框架进行重新评审，并进行必要的修订,使其能够适用于目前正在研发的创新型小堆技术。对于基于大型轻水堆的小堆设计，由于有许多经验可供借鉴，在取证方面面临的阻力较小。但是，对于没有经验可供参考的创新设计，在取证方面面临较大的挑战。美国目前正在推进针对先进小堆技术的监管框架改革优化。

国际合作和政府支持是关键

2021年4月，经合组织核能署（OECD-NEA）发布了模块化小堆专题研究报告，提出国际合作和政府支持是推进小堆商业化应用的关键因素。

报告建议，第一，通过多方参与和国际合作，交流经验教训，以及时掌握早期开发者的最佳实践及其遇到的问题。

第二，各国政府应采用多种方式支持小堆首堆示范建设，包括签署长期购电协议、采用费用分担机制等，以降低首堆建设风险，吸引更多投资者。

第三，政府应指导监管机构建立与小堆相适应的监管取证体系并开展相应的能力建设，各国也应推进取证体系的协调，在部分领域形成一致的监管要求，此外还应考虑双边合作和联合安全评价工作。

第四，各国应加强供应链合作。在小堆发展方面领先的国家率先建立小堆装备制造产业链，以此带动小堆在其它国家的商业化推广。

按照经合组织核能署的预计，在高案情景下全球2035年将建成2100万千瓦的小堆，仅占届时全球总核电装机容量的约3%。

笔者认为，小堆的商业化和批量化建设仍有较长一段路要走，其发展规模很难支撑核能的新一轮大发展。