自從上世紀(jì)50年代實(shí)現(xiàn)核能發(fā)電以來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)并強(qiáng)化規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，核電反應(yīng)堆功率已從60 兆瓦增至1600 兆瓦以上。同時(shí)，全球核工業(yè)也建造了數(shù)百座小型動(dòng)力堆用作海軍艦艇動(dòng)力裝置或中子源。現(xiàn)在，全球核工業(yè)再次掀起小型核電機(jī)組的開(kāi)發(fā)熱潮，這是因?yàn)榇笮投训慕ㄔ斐杀驹絹?lái)越高，另一方面也存在小型電網(wǎng)對(duì)小型機(jī)組的需求。

      按照國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)的定義，小型堆功率為300 兆瓦以下，中型堆為300～700 兆瓦，目前統(tǒng)稱為“小型和中型反應(yīng)堆”，簡(jiǎn)稱“中小型堆(SMR)”。中小型堆有時(shí)被混淆為小型模塊堆，但SMR未必有模塊結(jié)構(gòu)。

      一些現(xiàn)役小功率反應(yīng)堆已經(jīng)屬于SMR的范疇，例如印度以加拿大技術(shù)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的220 兆瓦加壓重水堆(PHWR)、中國(guó)在國(guó)內(nèi)和為巴基斯坦建設(shè)的300～325兆瓦的壓水堆(CNP300)、俄羅斯西伯利亞地區(qū)比利比諾(Bilibino)工廠正在運(yùn)行的4臺(tái)小型石墨慢化沸水堆(62 兆瓦)。此外，中國(guó)正準(zhǔn)備開(kāi)建200 兆瓦的高溫氣冷堆(HTR-PM)核電廠。

      目前，多個(gè)國(guó)家正在開(kāi)發(fā)各種新型SMR，其中許多是壓水堆。例如美國(guó)西屋電氣公司的IRIS設(shè)計(jì)、巴威公司的mPower設(shè)計(jì)、NuScale Power公司的NuScale設(shè)計(jì)、霍爾臺(tái)克公司的HI-SMUR140設(shè)計(jì)、法國(guó)國(guó)有船舶制造企業(yè)的Flexblue設(shè)計(jì)、俄羅斯的浮動(dòng)式核電廠設(shè)計(jì)、阿根廷INVAP公司的CAREM設(shè)計(jì)、韓國(guó)的SMART設(shè)計(jì)。此外，還有少數(shù)快堆設(shè)計(jì)，例如海博瑞恩(Hyperion)動(dòng)力模塊和行波堆(TWR)。

      美國(guó)的SMR設(shè)計(jì)最多，但截至目前，尚沒(méi)有一例向美國(guó)核管會(huì)(NRC)提交設(shè)計(jì)證書(shū)申請(qǐng)。NRC表示有望在2012年受理首例SMR設(shè)計(jì)證書(shū)申請(qǐng)。

      中小型堆的優(yōu)勢(shì)

      與大型反應(yīng)堆相比，SMR具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

      首先，相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工和組裝而言，SMR的建造成本大幅下降。SMR開(kāi)發(fā)者們指出，就分期建設(shè)一座包含多臺(tái)小型機(jī)組的大功率電廠而言，小巧、簡(jiǎn)潔的模塊式反應(yīng)堆設(shè)計(jì)是最佳選擇。由于這些模塊可在工廠中批量生產(chǎn)，因此電廠建設(shè)成本下降，周期縮短。一般預(yù)計(jì)首批機(jī)組的施工周期在3年以內(nèi)，后續(xù)機(jī)組縮短為僅2年。

      其次，可采用多期單機(jī)組或多期雙機(jī)組建設(shè)模式。在每種情形下，建設(shè)前期機(jī)組時(shí)均預(yù)留充分的物理分隔，以便能夠在前期機(jī)組運(yùn)行的同時(shí)建設(shè)后續(xù)機(jī)組。盡管預(yù)留了分隔空間，但電廠布局依然非常緊湊。就一處擁有若干個(gè)單模塊、總功率為1000 兆瓦的場(chǎng)址而言，其面積與同等功率的單機(jī)組場(chǎng)址相當(dāng)或更小。

      再次，小型機(jī)組具有融資方面的優(yōu)勢(shì)。在項(xiàng)目初期，無(wú)需籌集太多資金，當(dāng)一個(gè)模塊建成發(fā)電時(shí)，將為下一個(gè)模塊的建設(shè)提供正向現(xiàn)金流。據(jù)西屋電氣公司估計(jì)，分別間隔3年建設(shè)3臺(tái)IRIS機(jī)組，總功率為1000 兆瓦，融資利率為10%，融資期限為10年，需要的最大負(fù)現(xiàn)金流小于7億美元(約為單臺(tái)1000 兆瓦機(jī)組的三分之一)。

      另外，較大的國(guó)家可以根據(jù)自身需求選擇建設(shè)小型模塊機(jī)組，而一些小國(guó)則別無(wú)選擇，因?yàn)槠潆娋W(wǎng)可能由于太小而無(wú)法承受1000 兆瓦以上的單臺(tái)機(jī)組。

      不利因素

      雖然中小型堆具有上述優(yōu)勢(shì)，但有些因素可能使小型反應(yīng)堆的這些優(yōu)勢(shì)失效。

      第一，與汽車、智能手機(jī)或類似小型裝置相比，反應(yīng)堆的單位千瓦材料成本可能隨著尺寸的下降而上升，這是因?yàn)殡S著反應(yīng)堆規(guī)模的下降，決定著材料成本的單位千瓦功率的表面面積增加了。同理，隨著反應(yīng)堆規(guī)模的下降，二次安全殼和用于控制、儀表和應(yīng)急管理的獨(dú)立系統(tǒng)的單位千瓦造價(jià)也會(huì)上升。

      第二，假設(shè)打算在一處場(chǎng)址上建設(shè)一系列SMR，那么其規(guī)模經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)將取決于整個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)周期，而這個(gè)周期可能比現(xiàn)有大型反應(yīng)堆項(xiàng)目的建設(shè)周期還要長(zhǎng)。雖然現(xiàn)金流狀況將更為有利，但是如果規(guī)劃的后續(xù)機(jī)組未予建設(shè)，例如由于需求增長(zhǎng)速度慢于預(yù)期，那么前期建設(shè)的機(jī)組可能貴于現(xiàn)有反應(yīng)堆。

      第三，如果整個(gè)反應(yīng)堆在一座集中設(shè)施中建造并通過(guò)量產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了一定的經(jīng)濟(jì)性，那么上述潛在的成本增加是可以抵消的。不過(guò)，批評(píng)人士指出，基于過(guò)去核反應(yīng)堆成本上漲的歷史，以及可能由于出現(xiàn)新的審批要求而使成本增加，因此必須以懷疑的眼光看待低價(jià)估算。

      第四，批量制造將引發(fā)安全、質(zhì)量和審批方面的新問(wèn)題，這些問(wèn)題尚待監(jiān)管部門的解決。例如，監(jiān)管部門可能必須為SMR制造設(shè)施制定并試用新的審批和檢查程序，包括對(duì)焊縫等類似方面的檢查。此外，監(jiān)管部門可能還需要對(duì)運(yùn)行和保安人員制定新要求。

      第五，由于SMR乏燃料分布于更多的場(chǎng)址，因此其管理可能更復(fù)雜，耗資也更大。目前的乏燃料管理基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)針對(duì)的僅僅是有限場(chǎng)址上的輕水堆。而且，有的SMR設(shè)計(jì)將反應(yīng)堆建在地下，這可能使廢物回取更為復(fù)雜。

      未來(lái)展望

      發(fā)達(dá)市場(chǎng)大多需要大量的電力來(lái)滿足增量需求或取代退役機(jī)組，因此仍將致力于最大化反應(yīng)堆規(guī)模，維持過(guò)去10～20年的發(fā)展趨勢(shì)。然而，大型核電廠成本不斷增長(zhǎng)，加之世界金融形勢(shì)不甚明朗，已經(jīng)導(dǎo)致大部分發(fā)達(dá)地區(qū)的核復(fù)興步伐放緩。因此，核工業(yè)有必要認(rèn)真地研究大型輕水堆的替代商業(yè)模式。

      SMR的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)可能最終證明只是其尺寸小巧和適合于小型電網(wǎng)，而決定其發(fā)展前景的關(guān)鍵因素可能是監(jiān)管程序的調(diào)整。如果無(wú)法為SMR做出有效的調(diào)整，監(jiān)管成本實(shí)際上可能成為一項(xiàng)讓小型機(jī)組難以承受的固定成本。

      在目前全球幾十個(gè)有意采用核能的國(guó)家中，許多國(guó)家的電網(wǎng)再過(guò)10年也不可能適合采用大型反應(yīng)堆。此外，一些基礎(chǔ)設(shè)施比較成熟的國(guó)家，例如新加坡也在考慮采用SMR。

      隨著更多的SMR研究工作取得進(jìn)展，一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是，是否會(huì)有許多新國(guó)家打通全部必需的監(jiān)管、人力資本和技術(shù)環(huán)節(jié)。有人認(rèn)為，發(fā)達(dá)核國(guó)家肯定得先建設(shè)大量的傳統(tǒng)反應(yīng)堆，然后才能使核電擴(kuò)大到這些新國(guó)家，但是SMR提供了一條具有吸引力的替代路線。