先进小型反应堆技术现状及未来发展趋势研究

先进小型反应堆技术现状及未来发展趋势研究 【摘 要】随着我国工业化进程的不断深入，能源需求呈刚性增长和多元化发展，小型反应堆尤其是第四代液态金属冷却小型堆由于安全性、经济性和移动性等优势具有广阔的应用前景。本研究通过调研目前小型堆的市场需求与当前三代轻水冷却小型堆的技术特点，论证了发展小型堆的必要性与三代轻水冷却小型堆在核燃料利用方面的局限性。在此基础上，进一步调研四代小型堆的技术特点与研发现状，并在安全性、经济性与应用前景三方面对四代小型堆与三代小型堆进行对比分析，得出四代液态金属冷却小型堆较轻水冷却小型堆更为安全，具有固有安全特性的结论；在经济性方面，可以采用闭式燃料循环，总投资成本更低；在应用前景方面，可以更好适应边远地区核动力系统、航空航天核动力系统、军事核动力平台以及其他方面的发展需求。

【关键词】小型反应堆；市场需求；第三代反应堆；第四代反应堆 中图分类号： TL41 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）03-0015-004 Current Status and Development Tendency of Advanced Small Reactors CHEN Ren-zong1 WANG Guan2 （1.Institute of Nuclear and New Energy Technology， Tsinghua University， Beijing 100084， China； 2. China Nuclear Industry Huajian Asset Management LTD.， Beijing 100123， China） 【Abstract】With the development of industry in China， energy demand keeps increasing monotonically and develops towards diversification. Small reactors， especially the Generation IV liquid metal cooled small reactors have broad application prospect due to the advantages on safety， economy and mobility. This study summarized the market demand of small reactors and the technological features of Generation III light water cooled small reactors， and demonstrated the necessity of developing small reactors and the limitation of Generation III light water cooled small reactors on the utilization efficiency of nuclear fuel. Then the technological features and status of Generation IV small reactors were summarized， and the performances of Generation III and IV small reactors on the safety， economy and application prospect were compared. It was indicated that Generation IV liquid metal cooled small reactors featured with inherent safety are safer than Generation III light water cooled small reactors. Generation IV liquid metal cooled small reactors based on closed nuclear fuel cycle are more economical than Generation III light water cooled small reactors due to low cost of investment. Furthermore， Generation IV liquid metal cooled small reactors are suitable for the application in remote areas， aerospace， and military fields. 【Key words】Small reactor； Market demand； Generation III reactor； Generation IV reactor 1 小型反应堆研究背景 根据国际原子能机构的定义，输出电功率在300 MW以下的反应堆称为小型反应堆[1]。随着核能的发展，新一代核电在安全性、经济性、用途广泛性和选址灵活性等方面提出了更高的发展要求。而先进小型反应堆在这些方面均具有突出的优势，符合第四代核能系统发展的要求，因此受到了国际核能界的高度?P注。 目前小型反应堆设计研究涉及到各种堆型，根据冷却剂类型分类，小型反应堆可以分为水冷堆、气冷堆、液态金属冷却堆和熔盐堆。与传统大中型反应堆相比，小型反应堆具有以下优点：1）模块化设计和建造，具有良好的经济性；2）可组装成一体化堆，方便运输，解决相对孤立系统的用电问题，增强防止核扩散能力；3）拥有非能动余热排出系统等一系列非能动安全系统，显著提高了反应堆的安全性。 作为大中型核电机组的有益补充，小型反应堆具有比三代压水堆更高的安全性和更短的建造周期以及良好的经济性和应用的灵活性，是适用于多种应用场景的新型核能系统，是解决偏远内陆、海岛等远离主电网地区长期电力供应的有效措施，将为这些地区的经济发展、军事驻防等提供有力保障。 本研究从小型反应堆的市场需求出发，对目前具有第三代和第四代特征的小型反应堆技术现状进行归纳总结，论证了发展小型堆的必要性和三代轻水小型堆在核燃料利用方面的局限性，然后比较分析不同类型的第四代小型反应堆在安全性、经济性以及市场应用上的特点，确定小型铅基冷却快堆具有良好的经济性和广阔的应用前景，并从基础研究、配套法规等方面对小型铅基冷却快堆发展提出针对性的建议。 2 小型反应堆市场需求 随着我国对能源需求的日益增加，核能作为低排放的绿色能源之一，将成为我国建立低碳发展模式、实现2020年单位国内生产总值二氧化碳排放量相比2005年下降40%～45%目标的重要手段。小型反应堆市场需求如表1所示。小型堆具有低投资成本、容量小、工期短、占地面积小等天然优势，小型堆是替代小功率火电站良好选择，同时在大型核电站建设困难的偏远地区，小型堆也能发挥它工期短、占地面积小的优势，降低材料运输和工程建设的难度。小型堆也可以满足化工园区对电能的多样化要求，并可以替代火电站，实现以小型堆为核心的热电联产、热汽联产等。 表1 小型反应堆市场需求[2] Table 1 Market demand of small reactors 近年来，随着国力的不断增强，我国不断提出加强海洋建设的要求，一方面是为了开采海洋中潜藏的各类资源，其中以油气为主。另一方面加强我国的海洋国防，满足南海补给基地和岛礁的能源需求。基于小型堆技术的海洋核动力平台可以提供电力、热能、淡水等资源保障，并且以核能发电供电、供应热能或淡水，可根据需要变换供应点，且具有一次装料运行时间长，运行成本低、无有害气体排放、续航力高、海洋环境适应能力强等优点，是海洋油气开采能源供应和岛礁能源供给的最佳选择[3]。 世界上主要发展中国家和新兴工业国家用电需求有限，电网基础设施建设尚不完善，将近75%的发电机组小于500 MWe，同时发展中国家的经济实力有限，无法支撑大型反应堆的建设。2013年，我国提出共建“丝绸之路经济带”和21 世纪“海上丝绸之路”两大倡议[4]，在“一带一路”建设背景下，构建全球能源互联网，关系到未来全球能源格局，已得到越来越多国家的支持和响应。相对大型堆，小型堆系统简化、安全性高、投资成本低，可有效的满足“一带一路”沿线国家对能源的需求。 此外小型堆可应用于航空航天和军事领域，为飞行器和舰艇等提供动力和电源，为军事基地和特殊武器提供能源等。空间核反应堆不仅可以用来产生使飞行器随时升高定位的推力， 更主要的是用来生产飞行器本身所需的电能，而且价格低廉、功率密度大，是目前能满足空间飞行全面要求的唯一动力源[5]。小型堆不受天气影响，也和风和太阳的间歇性无关，相较于常规化石燃料或可再生能源，小型堆更加符合前沿作战基地和偏远作战基地对于能源电力的需求。 3 小型反应堆技术现状 3.1 具有第三代特征的小型堆技术 在现有的小型堆设计中，最为常见的是轻水堆设计。这主要是因为数十年的轻水堆建造及运行经验使得该反应堆拥有技术优势，具有较好的前景。在核蒸汽供应系统设计方面，大部分设计都采用了“一体化”压水堆设计，将一回路的设备集中布置于压力容器中。在经济性方面，轻水堆初始投入较低，总投资也不大，这一特性使得它受到发展中国家的青睐。此外，随着AP1000非能动安全系统的面世及成功推广，“非能动”的理念也被借鉴到现有的小型堆设计中。 国际上主要的小型轻水堆发展情况如表2所示，美国、中国、俄罗斯、法国、日本、韩国和阿根廷等国均提出了独立的小型轻水堆设计方案，绝大部分设计方案处于设计或评审阶段，俄罗斯部分堆型已进入建造或运行阶段。其中，基