自從上世紀(jì)50年代實現(xiàn)核能發(fā)電以來，為了實現(xiàn)并強化規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)，核電反應(yīng)堆功率已從60 兆瓦增至1600 兆瓦以上。同時，全球核工業(yè)也建造了數(shù)百座小型動力堆用作海軍艦艇動力裝置或中子源?，F(xiàn)在，全球核工業(yè)再次掀起小型核電機組的開發(fā)熱潮，這是因為大型堆的建造成本越來越高，另一方面也存在小型電網(wǎng)對小型機組的需求。

      按照國際原子能機構(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”，簡稱“中小型堆(SMR)”。中小型堆有時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)開發(fā)的220 兆瓦加壓重水堆(PHWR)、中國在國內(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)工廠正在運行的4臺小型石墨慢化沸水堆(62 兆瓦)。此外，中國正準(zhǔn)備開建200 兆瓦的高溫氣冷堆(HTR-PM)核電廠。

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

      美國的SMR設(shè)計最多，但截至目前，尚沒有一例向美國核管會(NRC)提交設(shè)計證書申請。NRC表示有望在2012年受理首例SMR設(shè)計證書申請。

      中小型堆的優(yōu)勢

      與大型反應(yīng)堆相比，SMR具有獨特的優(yōu)勢。

      首先，相對于現(xiàn)場施工和組裝而言，SMR的建造成本大幅下降。SMR開發(fā)者們指出，就分期建設(shè)一座包含多臺小型機組的大功率電廠而言，小巧、簡潔的模塊式反應(yīng)堆設(shè)計是最佳選擇。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)計首批機組的施工周期在3年以內(nèi)，后續(xù)機組縮短為僅2年。

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

      再次，小型機組具有融資方面的優(yōu)勢。在項目初期，無需籌集太多資金，當(dāng)一個模塊建成發(fā)電時，將為下一個模塊的建設(shè)提供正向現(xiàn)金流。據(jù)西屋電氣公司估計，分別間隔3年建設(shè)3臺IRIS機組，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1000 兆瓦機組的三分之一)。

      另外，較大的國家可以根據(jù)自身需求選擇建設(shè)小型模塊機組，而一些小國則別無選擇，因為其電網(wǎng)可能由于太小而無法承受1000 兆瓦以上的單臺機組。

      不利因素

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

      第一，與汽車、智能手機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，這是因為隨著反應(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)急管理的獨立系統(tǒng)的單位千瓦造價也會上升。

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

      第三，如果整個反應(yīng)堆在一座集中設(shè)施中建造并通過量產(chǎn)實現(xiàn)了一定的經(jīng)濟性，那么上述潛在的成本增加是可以抵消的。不過，批評人士指出，基于過去核反應(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題，這些問題尚待監(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，包括對焊縫等類似方面的檢查。此外，監(jiān)管部門可能還需要對運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)針對的僅僅是有限場址上的輕水堆。而且，有的SMR設(shè)計將反應(yīng)堆建在地下，這可能使廢物回取更為復(fù)雜。

      未來展望

      發(fā)達市場大多需要大量的電力來滿足增量需求或取代退役機組，因此仍將致力于最大化反應(yīng)堆規(guī)模，維持過去10～20年的發(fā)展趨勢。然而，大型核電廠成本不斷增長，加之世界金融形勢不甚明朗，已經(jīng)導(dǎo)致大部分發(fā)達地區(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。如果無法為SMR做出有效的調(diào)整，監(jiān)管成本實際上可能成為一項讓小型機組難以承受的固定成本。

      在目前全球幾十個有意采用核能的國家中，許多國家的電網(wǎng)再過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研究工作取得進展，一個值得關(guān)注的問題是，是否會有許多新國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)達核國家肯定得先建設(shè)大量的傳統(tǒng)反應(yīng)堆，然后才能使核電擴大到這些新國家，但是SMR提供了一條具有吸引力的替代路線。