全球首個小型核反應堆玲瓏一號新況

一、玲瓏一號的前世今生 

    按照國際原子能總署的定義，小型核反應堆(SMR)是指發電功率30萬千瓦以下的反應堆。小型堆對環境影響小，因此較安全且選址較便利。小型堆具有高機動性，因此能成為風能和太陽能等可再生能源的良好補充，可與綠能互補在夜間和無風時獲取電力。一般而言小型堆建設成本低，施工期短，且由於功率密度的下降，反應堆的安全性自然提高。小型堆可提供船舶動力、海水淡化、偏遠海島電力、核能製氫甚至太空火箭核動力。美國不但讓核電廠延役至80年，太空總署還在研發核動力火箭，核動力火箭可大幅縮短地球至火星所需的時間，美國甚至全人類想移民外太空必須借助核能，俄羅斯也提議在火星建小型核電廠。代號ACP100的玲龍一號核反應堆的背景是中國核工業集團在軍用核動力以及成熟壓水堆技術基礎上研發的。也就是說玲龍一號的血緣很可能與核潛艇有關。但中核集團目前在海南興建的玲龍一號反應堆，純粹是供民用發電而不是軍用的。2016年4月國際原子能機構(IAEA)通過了中核ACP100模塊式小反應堆的安全審查，這也是全球第一個通過安全審查的先進小堆技術，後面中核專門為ACP100註冊了「玲龍一號」這個名字，可能是與華龍一號呼應。中核與中廣核公司合作發展的華龍一號，是功率達百萬千瓦級的大型壓水堆，它是性艦有固定地點。而玲龍一號只是十萬千瓦級的小堆，但它的優點就是能「部署靈活」。美國有十艘尼米茲級核動力航母，一艘全球最先進的福特級，其中尼米茲級核動力系統裝備的是西屋公司設計的A4W壓水堆，10萬噸級的尼米茲級航母裝載兩具A4W反應堆，總功率可以達到194兆瓦、輸出26萬馬力。福特級航母搭載的是貝泰船用推進公司建造的A1B反應堆，也是配備了兩座，總輸出馬力達到了28萬左右。 

   中國在核動力研究方面一直落後於美國，航空母艦目前仍使用傳統動力，玲瓏一號高度僅為14米，長寬均在10米以內，這樣小的體積能夠被塞進航母體內，玲瓏一號的電功率可達125MW，這樣的性能已經超過了美國最先進的「福特」級航母A1B核反應堆的104MW功率。僅需要兩台「玲瓏一號」核反應堆，就能驅動11萬噸級的航母以35節以上的速度在大洋上飛速航行，但是最為航母動力反應器最重要的一點，就是玲瓏一號反應堆的鈾燃料濃縮度，民用核反應堆與軍用的一個重要區別就是民用反應堆的濃度較低，玲瓏一號的反應堆鈾燃料濃縮度只有3%，也就是說每隔兩年就需要重新補充核燃料。而而美國福特級航母的核燃豐度竟然高達60%，使用周期高達50年，反應堆和航母艦體同壽命，不需要中途給航母更換燃料。但是玲龍一號模塊化小反應堆的建造成功，是給日後我核航母反應堆的研製打下堅實的基礎。在通過IAEA的安全審查後，2017年玲龍一號的研發設計工作全部結束，在當年的十二屆中國國際核能工業展覽會上首次亮相，當時展示的名稱是「多用途模塊式小型反應堆ACP100浮動式核電站，而在第十六屆展覽會上，就是叫作玲瓏一號。玲龍一號最重要的目標就是外銷走出海外賺外匯，根據IAEA發布的《2025核能技術路線圖》，只有在本國成功建造小堆後，才可以在其他國家推廣，所以華龍一號及玲龍一號可能演出雙龍出海的盛況。 

二、玲瓏一號小型堆興建進度 

   2021年7月13日，中國大陸中核集團的“玲龍一號”(ACP100)全球首個小型核反應堆——海南昌江多用途模塊化小型堆科技示範工程正式開工，發電功率為12.5萬千瓦，建設週期為58個月，預計2026年建成。海南昌江核電基地將成為中國小堆發展的一個起點，小堆曾被中國工程院院士葉奇蓁譽為核能“遊戲的改變者”。為了開發和推廣小型多功能模塊式反應堆，中核集團早在2011年4月1日即與原中國國電集團公司共同出資組建成立中核新能源公司。2016年，中核集團自主研發設計的ACP100成為世界首個通過國際原子能機構(IAEA)安全審查的小堆技術。小型反應堆因其小，可以減少成本，縮短工期，其安全性更易被接受，選址也更加靈活，因而成為核電的新希望。國際上對小堆贊同聲很高，美、俄、韓、法及英等競相研發。小堆發展具多用途尤其是工業應用，包括熱電聯產、汽電聯產、海水淡化等多樣化的應用前景。    中核集團ACP100總設計師宋丹戎說，機組容量越大，每千瓦的建造成本越低，這種“規模效應”對小堆不利，但小堆的低投資成本、較短工期、特殊應用及機動性優點可彌補。作為極具革新性、在全球也屬前沿的一項技術，“玲龍一號”首堆建設難免將遇上一些問題，尤其是新設備的製造。目前海南核電廠採用“華龍一號”技術的海南昌江核電3、4號機組已於2021年3月31日開工，目前也正在建設中。小堆在模塊化方面，玲龍一號的反應堆是一體化設計，堆內構件、控制棒驅動機構、蒸汽發生器、主泵等部件都集成在鋼製壓力容器裡，不需要主管道的連接。在多用途方面，對應多功能模塊的接口都會預留，小堆是國際競爭的焦點之一。基於靈活性和多用途，它具有一些無法替代的優勢。對於一些僅有幾萬居民的小海島，小堆就很合適，還可以通過海水淡化供給淡水。一帶一路沿線的一些國家如菲律賓、印度尼西亞、馬來西亞等等，小島很多。還有像沙特阿拉伯等國家的偏遠地區，可能也有需要。 

　　2022年12月13日，媒體報導，位於海南昌江的全球首個陸上商用模塊化小型反應堆玲瓏一號核島安裝工程正式開工。本次實施的項目為反應堆廠房管道支吊架安裝子項，是連接核島、常規島的基礎設施。此次開始安裝工程的核島是整個核電站的關鍵。后續，核電站的壓力容器、蒸汽發生器等主要設備都將在核島內進行安裝。此次玲瓏一號全球首堆核島安裝工程正式開工，進度提前了75天，也標志著中國在模塊化小型堆技術上走在了世界前列。新春期間記者實際參觀了玲瓏一號，現場看到的是核島正在進行土建施工，壓力容器和蒸汽發生器等關鍵設備將陸續進場進行安裝調試。玲龍一號的全部關鍵核心技術均由四川團隊研發。玲龍一號的研發團隊——中國核動力研究設計院的設計師專程從成都趕來，和北京的專家、業主以及供貨商開展一場設計協調會。中國核動力研究設計院“玲龍一號”項目總設計師宋丹戎說壓力容器和蒸發器的焊接正在開始想提前2個月完成組焊。大連一重核電裝備公司分廠廠長高殿寶則回答提前兩個月有點困難。玲龍一號總設計宋丹戎了解到項目土建比計劃工期提前了73天，而關鍵設備的生產要跟上這進度卻遇到困難。宋丹戎說，玲龍一號採用模塊化建造，降低了製造成本，一體化設計，更提升了安全性。而它的功率僅有大堆華龍一號的十分之一，不光是功率小，它的尺寸也小。玲龍一號由於更小巧靈活，除了發電，還可以給城市供熱、提供工業蒸汽、海水淡化等多種用途。宋丹戎驕傲的說，這一項在家鄉四川誕生的重大成果，讓中國小堆技術走在了世界前列，主要設備都是完全國產化，開發過程中申請了大量的專利，大概現在有340多件。中國核動力研究設計院“玲龍一號”項目副總設計師秦忠說，玲瓏一號建成後每年發電量達10億度，可滿足海南52.6萬戶家庭用電需求。每年減少二氧化碳排放量接近88萬噸，相當於一年造樹750萬棵，在“雙碳”目標下滿足清潔能源的需求。 

三、世界各國小型核反應堆發展 

   多種因素將影響SMR的成功開發和部署，目前水冷式SMR佔比最大，有31種方案，其中6種屬於船用。高溫SMR屬於第二大類，有14種方案。高溫反應堆(HTR) 技術具有多項技術優勢，在製氫方面也非常高效，這兩種SMR方案在工程中都有實際的進展。為配合能源減碳趨勢，多用途的小型堆已成為全球核能發展的重點。各國SMR發展如下:  

(一)俄羅斯

   俄羅斯已實現「海上浮動式」SMR的實用化，2020年5月，俄羅斯原子能公司（Rosatom）在遠東楚科奇自治專區內開啟了世界首座浮動式核電站「羅蒙諾索夫院士」號的商業運行。這是裝載兩座3.5萬千瓦核反應爐的船型核電站，可滿足該地區50％的能源需求。Rosatom還將在雅庫特地區建造一個50 MW 的 RITM-200 型陸基小型反應堆，預定2027年運轉。另外，俄羅斯將於2027年以後陸續啟動4座裝載5萬千瓦功率新型SMR的船型核電站。Rosatom也為開發薩哈共和國(雅庫特)的Kyuchus金礦使用RITM-200N小型反應堆提供40 年的電力供應。RITM 系列的SMR特點如下：換料週期，5-6 年；設計壽命，60年。浮動核電站在俄羅斯北部和偏遠地區提供熱能和電力方面具有重要的價值，這些地區佔俄羅斯國土的 50% 以上，礦產儲量最豐富，但沒有中央電力系統供電。Rosatom 和吉爾吉斯斯坦能源工業部簽署了一項備忘錄，可能在吉國建造小型反應堆。Rosatom表示正在推進使用 SMR 在菲律賓發展核能，同時它與亞美尼亞和吉爾吉斯斯坦簽署了推進 SMR 的協議。2022年6月15日至18日，俄羅斯聖彼得堡舉行了第25屆聖彼得堡國際經濟論壇。在該論壇上，俄羅斯國家原子能集團公司(Rosatom)和薩哈(雅庫特)共和國簽署了在雅庫特建設SMR的協議。該電廠將採用Shelf-M微堆設計，裝機容量1萬千瓦，預計於2030年投運。 

(二)美國

   美國NuScale公司已拿到愛達荷州建造12個SMR的項目，設計目標是替代老舊火電廠，提供發電和熱能應用。NuScale是美國首個提交小型堆設計認證的公司。根據美國防務新聞網報導，五角大廈計畫設計一個小型核反應器供美國本土以外的部隊使用。美國西北能源公司考量在華盛頓州哥倫比亞核電廠附近廠址建造小型堆以符合該州《清潔能源轉型法》中有關溫室氣體抑減要求。美國NuScale Power公司和羅馬尼亞國家核電公司將合作建設一座小型模塊化反應堆核電站，這也是歐洲首個小型模塊化反應堆。NuScale公司宣布將於今年開始製造反應堆組件，已與韓國斗山能源公司簽署協議，由其生產核心設備。羅馬尼亞擬採用美國NuScale公司的SMR單機容量為77 MWe。NuScale 公司也與愛沙尼亞費米能源公司合作評估愛沙尼亞在2031年前部署NuScale公司小堆電廠的可行性。新簽署的諒解備忘錄內容包括小堆技術的進一步分析和研究部署紐斯凱爾VOYGR小堆。VOYGR小堆是一種壓水堆，裝機容量7.7萬千瓦，是首個獲得美國核管會認證的模塊化小堆設計。保加利亞能源控股(BEH)與美國工程公司Fluor也簽署了一份諒解備忘錄，研究用NuScale SMR取代燃煤鍋爐的可能性。

(三)加拿大

   隨著加拿大展望低碳未來，麥克馬斯特大學、超安全核公司( USNC ) 和全球第一電力公司( GFP ) 建立了新的合作夥伴關係，以推進在SMR建設，將在加拿大到2050 年實現淨零排放目標中發揮重要作用。2021年10月6日，先進反應堆概念清潔能源加拿大公司（ARC Clean Energy Canada）表示，2029年在新不倫瑞克省啟動ARC-100先進小型模塊堆是可實現的目標。先進反應堆概念公司（ARC）與新不倫瑞克電力公司和莫爾泰克斯能源公司是2020年建立的SMR供應商“集團”的一部分。ARC-100小型堆是先進反應堆概念公司正在研發的100 MWe池式鈉冷快堆,使用金屬燃料,換料週期為20年。加拿大安大略省電力公司(OPG)和美國田納西河谷管理局(TVA) 宣布合作開發SMR，協議允許兩家公司協調他們對SMR 的設計、許可、建造和運營的探索。TVA 總裁Jeff Lyash 表示，OPG 和TVA 有著共同的目標，即在保持可靠性和低成本服務的同時使能源生產脫碳。先進的核技術不僅將幫助其實現淨零碳目標，還將促進北美能源安全。OPG 計劃在達靈頓部署SMR，這是加拿大唯一一個獲得新核能接受的環境評估和場地準備許可證的場地，而TVA 持有美國核管理委員會迄今為止頒發的唯一一個早期場地許可證，用於在其部署SMR田納西州橡樹嶺附近的克林奇河遺址。OPG 去年選擇GE Hitachi 核能的BWRX-300 SMR 部署在達靈頓，並表示加拿大的第一個商業、電網規模的SMR 最早可能在2028 年完成。

(四)日本

  2021年12月 2日，美國通用電氣-日立(GEH)公司宣布，新一代小型模塊化反應堆在加拿大獲得訂單。這是日本企業的小型商用反應堆首次獲得訂單。此次GEH公司從加拿大安大略電力公司(OPG)獲得訂單，將在2022年內申請建設4座機組，最快在2028年建成一號機。將交付功率30萬千瓦級稱為“BWRX-300”的小型反應堆，採用日立擅長的輕水反應堆技術。雖然執政黨的一部分人等主張利用SMR，但鑒於福島事故的教訓，日本持續凍結了新增核電站。在這樣的情況下，三菱重工業正在開發30萬千瓦功率的SMR，已于2021年開始和日本國內的大型電力企業商議初期設計。日本東芝正在挑戰高溫氣體反應爐的研究，這種反應爐因可提取高溫熱量的技術而備受關注。還設想同時設置蓄熱設備來調整發電量，或者與氫氣製造設備相結合的用途。

(五)韓國

  韓國政府在1997年開始研發小型模塊化反應堆SMART，SMART是壓水反應堆，用於發電和海水淡化。2021年，韓國政府計劃啟動SMR 的研發，文在寅政府對新建核電站仍持消極態度，但正逐步轉向下一代核技術的研發。韓國對各種類型的SMR和下一代核電技術進行了研究，韓國斗山重工業(DHIC)宣布，已與韓國水電和核電(KHNP)簽署協議，加強在清潔氫生產和能源融合業務方面的合作。根據協議，兩家公司將建立使用清潔能源的氫氣生產和儲存設施，促進使用SMR進行氫氣生產研發，2012年獲得韓國核安全與核安保委員會標准設計認證(SDA)，2015年與沙特簽署協議(評估在沙特建造至少2台SMART反應堆的可行性)，2018年韓沙正式開展聯合研究，包括工程設計和建造準備。

(六)英國

  2022年5月13日，英國羅爾斯·羅伊斯公司牽頭的SMR企業聯隊發布聲明稱，將尋求在本世紀30年代初建設首座小型堆，首批小型堆機組有望在北威爾士和英格蘭北部的坎布里亞郡許可廠址落地。羅羅企業聯隊由私營企業及政府資助的電力公司組成，該聯隊計劃建設一座470 MWe級小型堆電廠，選址位於北威爾士的Magnox電廠。英國是積極修法以適應小型反應堆建設的國家之一， 2018年啟動了建設小型反應堆計劃。知名引擎生產商勞斯萊斯2021年11月初宣布成立小堆公司，稱將在2029年前興建10至15個SMR。每個SMR都小至可放在大型拖車尾部來運輸，建成後每個佔地面積約1.5英畝，將設置於約10英畝的核電站內，勞斯萊斯聲稱每個SMR將可運作六十年，並提供440 MW功率。勞斯萊斯已提交SMR設計接受通用設計審查（GDA）。英國政府希望該項目有助實現減碳目標。

(七)中國大陸

    2021年7月13日，中國大陸中核集團的“玲龍一號”(ACP100)海南昌江多用途模塊化小型堆科技示範工程正式開工，發電功率12.5萬千瓦，建設週期為58個月，預計2026年建成。玲龍一號採用既能發電還能用於取暖和海水淡化的設計。海南昌江核電基地將成為中國小型反應堆發展的一個起點，為了開發和推廣小型多功能反應堆，中核集團2011年即與原中國國電集團公司組建成立中核新能源公司。2016年，中核集團自主研發設計的ACP100成為世界首個通過國際原子能機構(IAEA)安全審查的小堆技術。中核集團ACP100總設計師宋丹戎說，機組容量越大成本越低，這種“規模效應”對小堆不利，但小堆的低投資成本、較短工期、特殊應用及機動性優點可彌補。