1、前言

国际原子能机构(IAEA)将小型反应堆（以下简称小型堆）定义为发电功率小于300MWe的机组；将300MWe以上，600MWe以下的机组定义为中型反应堆。

其中，根据技术种类进行划分，小型堆可以分为四种形式，分别是：

ü  轻水堆

ü  高温气冷堆

ü  液态金属反应堆

ü  熔盐堆

随着全球核电的发展，越来越多的国家开始逐步关注小型堆的应用。IAEA更是表示，鼓励发展和利用安全、可靠、经济上可行的中小型反应堆。其实，虽然小 型堆得到国际的重视和集中的研发是本世纪初的事情，但中、小型反应堆的运用实际上已有数十年的历史。其间，除了早期的研究实验堆以及标准的核电站以外，还 建造了数百台的小型反应堆用于海上舰船的推进动力系统。因此可以说，小型堆的研发和建设已经积累了大量的工程技术经验。

IAEA在分析了各国已经研发和正在研发的小型堆后，对这种堆型的特点进行了评估总结。IAEA认为，小型堆在安全性、经济性、核不扩散能力以及无需现场换料的能力方面，具有较大的优势。本文就结合IAEA相关调研报告，对小型堆的特点进行了梳理和总结。

2、安全性

在 小型堆的设计中，为了保证反应堆的安全性，几乎所有的小型堆都在寻求加强自身的固有安全性，并专门设置具有非能动特征的安全系统，即非能动专设安全设施。 这些堆型共同的特点在于较强的非能动余热排出能力和更低的堆芯功率密度。此外，小堆的设计目标还着重于从根源上消除事故的发生，例如，通过取消一回路主管 道，从而消除大LOCA事故。这些措施有助于简化核电厂的系统，使电厂达到更高的安全级别，并且在遇到紧急事故时，可以有效的减少场外应急措施和人为干预。

以韩国SMART小型堆为例，此堆型采用了将蒸汽发生器、稳压器等主设备全部布置于压力容器内的一体化设计，提升了固有安全性，进而从根源上减少了LOCA事故发生的可能。如图1所示。

另外一种加强安全性的方式就是采用紧凑的回路设计。与一体化设计相比，紧凑的回路设计依然延续了主管道的使用，但是与标准核电站相比，它的主管道更短，并且目的也是为了降低LOCA事故发生的概率。这种紧凑式布置被广泛的应用于舰艇上装载的反应堆。如图2展示的俄罗斯KLT-40S设计。

3、无现场换料的小型堆

在小型堆的发展过程中，IAEA建议部分小型堆可以根据自身特点和实际情况，设计成为无需现场换料的小型反应堆(Small Reactors without On-site Refuelling)，又称为电池式反应堆。

无现场换料小型堆面对的客户主要是本国核燃料循环和废物处理技术尚不成熟，或者不愿意承担建设较为高昂的燃料供应循环体系的国家。采用了这种反应堆的业主，可以通过将整套燃料循环服务外包的方式，寻求到一种较为简洁方便的换料方式。

3.1 非现场换料小堆的特点

·换料周期长；

·较高的固有安全性与非能动安全系统；

·较强的经济性，适应市场竞争；

·易于运输和安装

·核电站运行期间，在厂房外贮存新燃料和乏燃料；

·减少了客户对燃料的花费和乏燃料处理的费用

·通过对燃料使用的限制，有利于核不扩散；

·通过标准化设计与质保体系，进行工业化与规模生产

3.2 非现场换料小堆的附属功能

·在工厂进行制造、预装和装料；

·在预定事故工况下，保证电厂周边环境的危害性可控；

·在反应堆运行以及核燃料循环的过程中，通过控制裂变材料的质量与铀浓缩度，保证不会从燃料中提取出核武器的材料；

·有完善的燃料循环体系，一方面可以为投资商提供更优异的服务，一方面可以提高对资源的利用率并实现可持续利用。

·对当地的基础设施依赖小；

·选址多样化——人口密集区域、人口稀少的地区（如分散的岛屿）；

·简化系统和操作程序，控制人为失误；

·用于发电、供热、海水淡化、制氢等多种用途；

3.3 近期研发设计的堆型概述

现如今，大部分的反应堆堆型都处于概念设计阶段。而在这当中，很多设计理念都经过了充分的论证，并被证实为切实可行的想法；此外，还有些反应堆直接借鉴了船舶推进型反应堆的经验用于新的设计中。

1、无人值守、自主运行的超小型反应堆

现在有三种堆型符合这种设计理念，分别是俄罗斯设计的供热堆ELENA、轻水堆UNITHERM和钠冷堆RAPID。这三种反应堆都适用于远离城市的偏远地区。

ELENA和UNITHERM是热功率分别为3.3MWt和30MWt的轻水堆。其中，UNITHERM的设计借鉴了俄罗斯核动力舰艇上的反应堆。这两种堆型采用了自然循环的冷却方式，并尽可能的减少人工操作；无人操控、自动运行的设计还在研究当中。

RAPID采用的是常温下进行冷却的钠冷堆，并融合了众多革新性的设计理念。它的燃料采用的是铀-钚-锆合金，从而使反应堆运行于闭合的燃料循环。

2、热电联产的浮动式电站

VBER-150, KLT-20与ABV是三种可拖动的浮动式电站，用于为偏远地区供电、城市供热及饮用水的提供。这三种堆型的电功率处于10MWe到150MWe之间，可以为远离电网的十万人口的城市提供能源。

这三种堆型的设计理念，都来源于以往的破冰船设计。其中，ABV采用的是一体化设计；而VBER-150和KLT-20则是模块式反应堆VBER-300与KLT-40s的“缩小版”，其堆芯功率密度与后者相比更低。

3、液态金属冷却堆型

SVBR-75/100铅-铋冷却反应堆设计理念是基于俄罗斯的核动力舰艇反应堆技术，其设计已经完成了基本设计并进入了详细设计阶段。最近的一次部署将采用UO₂作为燃料的“一次性燃料循环”方式。

4S与MBRU-12是两种钠冷却反应堆，燃料分别采用的是铀-锆合金与UO2-PuO2燃料。在运行时，反应堆的温度保持在钠冷反应堆运行的温度范围（堆芯出口温度大约500℃），并且产生的蒸汽是过热蒸汽。

4、经济性

IAEA建议，在小堆的设计过程中，应该更多的考虑到小堆的经济性，从而提高与其他能源以及大型反应堆机组的竞争力，从而更有利于小堆在日后的推广，有力开辟小堆独特的市场。

其中，IAEA介绍了以下几点建议：

1、简化系统，或者利用非能动系统和自动运行设备，削减运行和维修过程中的成本。

2、缩短建造周期、减少土建成本，尽早得到投资回报。

3、如果尚不具备具体的厂址条件，设计商可利用参数的包络性，在前期进行标准设计，从而达到尽早通过设计审核的目的。

4、通过设计标准化与产品系列化，统一结构和系统，达到规模化生产。

5、模块化建造缩小投资风险。

小型堆有其独有的特点，设计机构应结合各个方面提高小堆的经济性，节约成本，扩大收益，从而使小堆获得更优的市场。

5、核不扩散能力

IAEA建议，在设计中，应更多的考虑小型堆核不扩散的能力。进而在国际上大力推广小堆的同时，又能保证供应的核燃料不被用于军事用途。

核不扩散能力主要依靠的是在设计中，通过技术方式、运行模式和外部特征，预防用户在未经允许的情况下，挪用核燃料的行为。

以高温气冷堆为例，这种堆型所采用的技术本身就具备核不扩散的能力：

1、高燃耗（运行后，Pu含量残留较少）；

2、燃料的定位格架无法被重新加工和利用；

3、燃料的铀浓缩度较低。

IAEA期望通过小堆的推广，一方面解决一些国家，尤其是发展中国家的能源问题，同时又能保证这些核燃料不被利用于核武器等军事用途，即在和平利用原子能的方针下，使核不扩散协议得到有利可靠的执行。

6、结语

根据IAEA的统计，在现在世界上共计442台运行机组中，共有28台小型堆机组，111台中型堆和303台大型反应堆。31台在建反应堆机组中，有7台属于小型堆。IAEA乐观的认为，面对国际上对核能的需求趋向多样化，小型堆在设计上的革新和理念上的先进将为小堆在全球能源市场打开一片天地。

参考文献：

1.IAEA，Design and Technology Development Status and Design Considerations for Innovative Small and Medium Sized Reactors，2010

2.IAEA，Status of Small Reactor Designs Without On-Site Refuelling，2007

3.IAEA，Small Reactors without On-site Refuelling，2007