小堆為什么是核能必爭之地？

在過去20年，為適應(yīng)全球能源低碳化的大趨勢，核能發(fā)達(dá)國家都在努力擴(kuò)大核能應(yīng)用范圍，多用途的小型堆開發(fā)已成為全球核能發(fā)展的熱點。

小堆在供熱領(lǐng)域應(yīng)用空間廣闊

電力系統(tǒng)的脫碳是全社會實現(xiàn)零碳發(fā)展的關(guān)鍵。需求側(cè)的大規(guī)模電氣化零碳排放的前提是，其所使用的電力都是來自零碳能源。核能可為實現(xiàn)我國2060年碳中和這一艱巨目標(biāo)發(fā)揮重大作用。國際原子能機構(gòu)（IAEA）在2020年9月發(fā)布了最新版本的《到2050年的能源、電力和核電預(yù)測》 。

從下表中可以看出，從2019年到2050年全球用電量雖然逐年上升，但在終端能源消費總量中最高為27.2%，其它均為非電力消費。

國際能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示，2018年供熱占全球終端能耗的50%，占CO2排放的40%。熱力消費中，工業(yè)部門占比約50%，建筑物房屋（主要為采暖和熱水供應(yīng)）占比46%。

可以看到，供熱是全球最大的終端能源消費領(lǐng)域。目前這個領(lǐng)域的主要能源是煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源；在追求電力低碳化的同時，要十分重視供熱領(lǐng)域能源低碳化；核能在該領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間，特別是多功能小型模塊化反應(yīng)堆（SMR）的應(yīng)用。

SMR在供熱領(lǐng)域的優(yōu)點，一是SMR的初投資低、建造周期短，在選址方面具有較大的靈活性，可根據(jù)用戶需求靈活設(shè)計和配置；二是SMR可采用一體化、模塊化設(shè)計和工廠制造，較少的堆芯裝量，先進(jìn)的安全設(shè)計理念，具有安全性好、應(yīng)急要求大大簡化等特點，特別適宜于作為供熱領(lǐng)域的能源。

國外小堆發(fā)展現(xiàn)狀

在過去20年，為適應(yīng)全球能源低碳化的大趨勢，核能發(fā)達(dá)國家都在努力擴(kuò)大核能應(yīng)用范圍，多用途的小型堆開發(fā)已成為全球核能發(fā)展的熱點。IAEA于2020年發(fā)布的《小型模塊化反應(yīng)堆技術(shù)進(jìn)展》共收錄了72種小堆技術(shù)。

這些堆中，近一半是水堆，由技術(shù)成熟的大型壓水堆發(fā)展而來，具有明確的近期使用目標(biāo)。研發(fā)國家主要包括中國、俄羅斯、美國、日本等。其中，在海上用的小堆有五六種，包括俄羅斯的海上浮動核電站KIT-40S，現(xiàn)在已經(jīng)投運。其余部分本質(zhì)上屬先進(jìn)核能系統(tǒng)（四代堆），包括各類高溫氣冷堆、快堆、熔鹽堆以及微堆。這些堆除少數(shù)幾個進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計外，大部分處于概念設(shè)計或初步設(shè)計階段，到工程建設(shè)還有較長時間。這幾年發(fā)展比較好的是高溫氣冷堆、鉛冷或是鈉冷快堆。另外就是熔鹽堆。

美國的NuScale。多模塊小型堆輕水冷卻反應(yīng)堆，設(shè)計目標(biāo)是替代老舊火電廠，提供發(fā)電和非電力的工藝熱能，減少二氧化碳排放，并可按照需求靈活增加功率模塊。2020年完成了DCA的審查，2022年將獲得設(shè)計認(rèn)證批準(zhǔn)并開始建設(shè)，2026年第一個電廠計劃在愛達(dá)荷投入商運。

NuScale的設(shè)計特點是高度一體化，一回路采用自然循環(huán)、非能動安全系統(tǒng)，在提高安全性的同時，簡化系統(tǒng)，減少設(shè)備，提高經(jīng)濟(jì)性，面向北美、東歐、中東、南亞以及非洲潛在用戶需求。

原來設(shè)計一個模塊5萬千瓦，一共12個模塊60萬千瓦。近期又進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，每個模塊功率升至7.7萬千瓦，以求更好的經(jīng)濟(jì)性。

開發(fā)方做了一個經(jīng)濟(jì)上的預(yù)測，按照每個模塊7.7萬千瓦、12個模塊建一個電廠的話，總功率可達(dá)92.4萬千瓦，它的造價是25.19億美元，每千瓦2850美元。當(dāng)然，這不是首堆，而是第N個堆以后的造價（NOAK）。

俄羅斯海上浮動核電站KIT-40S。俄羅斯“羅蒙諾索夫院士號”是商用海上浮動核電站，搭載兩臺壓水堆KIT-40S反應(yīng)堆，用于為邊遠(yuǎn)地區(qū)提供電力和熱能。2019年12月19日并網(wǎng)發(fā)電，?？坑诙磉h(yuǎn)東區(qū)楚科奇海岸附近的佩維克港。

韓國的SMART。SMART是壓水反應(yīng)堆，用于發(fā)電和海水淡化。1997年開始研發(fā)，2012年獲得韓國核安全與核安保委員會標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計認(rèn)證（SDA），2015年與沙特簽署協(xié)議（評估在沙特建造至少2臺SMART反應(yīng)堆的可行性），2018年韓沙正式開展聯(lián)合研究，包括工程設(shè)計和建造準(zhǔn)備。

可以看出，國際小堆發(fā)展的一個特點，就是全球使用核電的有30多個國家，但具有小堆開發(fā)能力的只有10多個國家，其中，美俄占國際上正在開發(fā)和建設(shè)小堆總數(shù)的一半。不難看出，這兩個核電強國從核能長遠(yuǎn)利用戰(zhàn)略角度，在開拓核能應(yīng)用新領(lǐng)域的重視程度和所做的努力。

具體來說，第一，從技術(shù)基礎(chǔ)及成熟度來看，采用輕水堆（包括陸上和海上）技術(shù)，仍是目前小堆技術(shù)發(fā)展的主流，熱電聯(lián)供是其主要運行模式。

第二，高溫堆以其獨有特點受到青睞（占14種），其中既有采用棱柱狀堆芯，也有采用球床堆芯，可見兩種技術(shù)各有特點。

第三，快堆由于在燃料增殖、減少高放廢物方面具有獨一無二的優(yōu)勢，仍是國際社會小堆研發(fā)重點，共有10種（不含中國），特別是鉛（鉍）冷快堆。

第四，值得特別關(guān)注的是熔鹽堆，美、加、丹麥、日、英以及國際財團(tuán)等發(fā)展10來種熔鹽堆技術(shù)，大都處于概念設(shè)計階段，個別進(jìn)入基本設(shè)計和實驗階段。熔鹽堆用途廣泛，可用于發(fā)電、工業(yè)熱源、制氫。鈾-釷混合燃料熔鹽堆為使用自然界中豐富的釷資源提供技術(shù)途徑。

第五，用于海上或海下的小堆技術(shù)有6種，以俄羅斯為最，占5種。中國基于自身的發(fā)展需求，在核動力海上平臺技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域取得長足的進(jìn)展。

第六，微型核動力裝置在未來空間和水下電源供給中將發(fā)揮主要作用，主要以布雷頓循環(huán)和斯特林發(fā)動機等熱電轉(zhuǎn)換方式發(fā)電，目前效率較低，主要應(yīng)用于航空、航天、軍事領(lǐng)域等方面。

第七，強調(diào)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、系統(tǒng)簡化、智能化，以提高小堆的經(jīng)濟(jì)性。

可以說，核電強國在開發(fā)小堆過程中具有明確的用戶需求、開發(fā)目標(biāo)和戰(zhàn)略指引；強調(diào)技術(shù)創(chuàng)新，在提升安全性的同時強調(diào)提高經(jīng)濟(jì)性；重視頂層設(shè)計，有一個明確的規(guī)劃和路線圖；有關(guān)政府部門一開始就注重同步開展政策、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定，以滿足小堆開發(fā)、監(jiān)督和管理要求。

國內(nèi)小堆發(fā)展現(xiàn)狀和市場前景

為擴(kuò)大核能應(yīng)用范圍，保障能源安全，適應(yīng)低碳能源發(fā)展需要，過去10多年在有關(guān)政府部門的鼓勵和支持下，中核、中廣核、國家電投、清華大學(xué)、中船重工、中科院等單位面向不同應(yīng)用領(lǐng)域和市場需求，積極開發(fā)各具特色的小型堆技術(shù)。這些小堆技術(shù)部分已具備開展示范工程條件。

我國小堆在國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域擁有廣泛的需求和發(fā)展前景，在實現(xiàn)能源低碳化中將發(fā)揮重要作用。

1.替代落后火電產(chǎn)能

“十三五”期間，全國停建和緩建煤電產(chǎn)能1.5億千瓦，淘汰落后產(chǎn)能0.2億千瓦以上。特別是淘汰關(guān)停不符合要求的30萬千瓦以下煤電機組，并將燃煤自備機組納入淘汰范圍。

現(xiàn)階段，國內(nèi)采用小堆技術(shù)原址替代小型火電技術(shù)基本成熟，前景可期。由于原址替代小堆是一新事物，加上經(jīng)濟(jì)性、公眾對安全的擔(dān)心等原因，市場開拓有待加強。小堆對邊遠(yuǎn)地區(qū)供電、大中型企業(yè)、工業(yè)園區(qū)熱電聯(lián)供具有優(yōu)勢。

適用堆型包括ACP100（玲龍一號）、HTR-PM-200等。

目前，由中核集團(tuán)開發(fā)的海南昌江多用途模塊化小型堆科技示范工程ACP100正在積極推進(jìn)當(dāng)中，該堆型功率為125MWe，建設(shè)工期58個月，可作發(fā)電、熱電聯(lián)供等。

2.家庭和工業(yè)供熱

國家統(tǒng)計局《2020年中國統(tǒng)計年鑒》顯示，2013~2019年中國供熱總量緩慢增長。2019年，我國蒸汽供熱總量約為6.51億吉焦，較2018增長12.71%；熱水供熱總量約為32.75億吉焦，同比2018年上漲1.18%。

供熱面積：北方供暖地區(qū)城鎮(zhèn)現(xiàn)有集中供熱面積約131億平方米，城市集中供熱面積約110億平方米，集中供熱率約85%。其中，居住建筑面積82億平方米，占比75%；公共建筑面積28億平方米，占比25%；隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢，北方地區(qū)需要供熱的面積不斷增長。

熱源：我國城市集中供熱的熱源基本形成以熱電聯(lián)產(chǎn)為主，區(qū)域鍋爐房為輔，其它熱源補充的格局。80%的熱源炭以煤為主要燃料，燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t和燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)為主要供熱方式。在占主導(dǎo)地位的集中供熱中，熱電聯(lián)產(chǎn)和鍋爐占比高，燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)占45%，燃煤鍋爐占32%，燃?xì)忮仩t占11%，其余為其它來源。高污染、低效率的落后產(chǎn)能超過50%。

2017年12月，國家發(fā)改委等十部委聯(lián)合發(fā)布《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021）》，2018年出臺《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》，均提出要有效推進(jìn)北方地區(qū)清潔取暖，并取得很大成績，大大改善了空氣質(zhì)量，污染少了、藍(lán)天多了，但其熱源還是以優(yōu)質(zhì)化石燃料為主。

核能供熱技術(shù)成熟，在低碳供熱領(lǐng)域有廣大的應(yīng)用前景，但能否被采納，取決于許多因素，公眾對安全的擔(dān)心，價格接受能力，各級政府的態(tài)度等都是面臨的主要挑戰(zhàn)。

適用堆型包括和美一號、 NHR200-Ⅱ、 DHR-400等。

由國家電投開發(fā)的和美一號在各級政府的支持下，正在積極有序地推進(jìn)中，項目規(guī)劃建設(shè)4×200MWt一體化供熱堆。一期為2×200MWt，最大供熱能力為800萬平方米，或供氣500噸/小時。該項目計劃2021年開工，工期36個月。

由中廣核集團(tuán)和清華大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的低溫供熱堆NHR200-Ⅱ在各級政府的支持下，項目前期工作在積極有序推進(jìn)中，項目規(guī)劃建設(shè)6臺NHR200-Ⅱ型低溫核供熱機組，一期2臺，為貴州大龍經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)提供工業(yè)蒸汽（500t/h），首臺計劃于2022年12月開工，是我國核能綜合利用以及低溫供熱技術(shù)首次商業(yè)應(yīng)用。

由中核集團(tuán)開發(fā)的400MWt燕龍（DHR-400）泳池式低溫供熱堆目前正在積極推進(jìn)，單堆可供熱面積約1000萬平方米，計劃2022年實現(xiàn)FCD，2024年建成投產(chǎn)。

3.海水淡化、制氫

我國北方和部分沿海地區(qū)水資源嚴(yán)重不足，據(jù)統(tǒng)計，北方缺水總面積達(dá)58萬平方公里；全國有300多座城市不同程度缺水，每年缺水量58億立方米，主要集中在華北、部分沿海和省會城市以及工業(yè)型城市；有6個省、區(qū)人均水資源低于500立方米。

海水淡化的市場很大，但由于反滲透海水淡化技術(shù)成熟，以及南水北調(diào)有效緩解，國內(nèi)核能海水淡化的行業(yè)發(fā)展受到一定制約。

制氫在國外（尤其中東國家）有發(fā)展前景，氫氣在未來的能源市場有廣泛應(yīng)用。高溫堆在此方面有優(yōu)勢，但預(yù)計在2030年以后。

適用堆型包括HTR-PM-200、ACP100、和美一號等。

4.海洋開發(fā)能源供給

除臺灣省以外，中國海島數(shù)量大，總面積超過6600平方公里，人口740多萬。國家已制定海南發(fā)展政策，提出要高水平開發(fā)海洋海島資源，逐步形成以海島為依托的第二海洋經(jīng)濟(jì)帶。

海上浮動式核動力平臺是實現(xiàn)上述目標(biāo)能源供應(yīng)的重要選擇，能同時提供電力和高溫高壓蒸汽，也可用來進(jìn)行海水淡化；投資規(guī)模小，配置靈活，無須場外電源保障，安全，適合孤島運行。

目前正在開發(fā)的堆型包括ACPR50S、 ACP100S等。

我國小堆發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和建議

目前，國內(nèi)尚不具備一套相對完整的適用于模塊化小堆發(fā)展的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求。這些法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)涉及項目核準(zhǔn)、安全審評、核應(yīng)急以及小堆安保等領(lǐng)域，需逐步補充和完善。小堆的經(jīng)濟(jì)性，特別是與其它清潔能源的價格競爭力，一定程度上影響投資者的參與熱情。應(yīng)在確保安全的前提下，發(fā)揮創(chuàng)新精神，努力實現(xiàn)簡化系統(tǒng)設(shè)計，向標(biāo)準(zhǔn)化、批量化、模塊化、工廠制造、現(xiàn)場組裝方向發(fā)展，以有效提高經(jīng)濟(jì)性，增加競爭力。

另外，目前我國小堆安全設(shè)計水平達(dá)到或高于三代大型核電水平，但由于靠近目標(biāo)用戶，公眾對安全的擔(dān)心（特別是作為區(qū)域供熱的小堆），雖然前景良好，但項目落地相對困難，進(jìn)展緩慢。需要加大對示范項目的支持力度，在取得成功的基礎(chǔ)上，加大宣傳，逐步推廣。

因此建議有關(guān)政府部門進(jìn)一步加強促進(jìn)和規(guī)范小堆發(fā)展的政策、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定，包括小堆的安全要求、適用標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)急、安保、監(jiān)管和小堆的用戶要求等；加強政府的協(xié)調(diào)和指導(dǎo)，加強企業(yè)和研究單位間的合作，避免同類項目的重復(fù)開發(fā)，提高開發(fā)效率；加強用戶需求的調(diào)查研究，使開發(fā)的小堆技術(shù)更具針對性和可應(yīng)用性；加大示范項目推進(jìn)力度，在取得成功的基礎(chǔ)上加強公眾溝通，逐步推廣。

（作者單位：中國核能行業(yè)協(xié)會。本文根據(jù)其在中國核能可持續(xù)發(fā)展論壇——2021春季高峰會議上的發(fā)言整理而成，首發(fā)于《中國核工業(yè)》雜志2021年第7期，原標(biāo)題《模塊化小堆在我國能源發(fā)展中的戰(zhàn)略地位》）