1 引言
根据反应堆功率的大小，国际原子能机构将电功率在300 MW以下的核反应堆机组定义为小型堆，美国核管会将电功率小于350 MW的反应堆通称为小型模块反应堆。随着我国全面小康社会发展对能源多样性的要求增加，环境保护、可持续发展的要求，以及核能技术的进步，在发展大型核电系统的同时，对小型堆核能系统具有强烈的需求。本文在分析了小型堆核能系统应用前景和市场需求的基础上，结合我国小型堆核能系统的发展现状，分析了其在技术性和经济性上的可行性。
2 市场需求分析
随着我国工业化、城镇化进程加快和消费结构升级，能源需求呈刚性增长，节能减排工作难度不断加大。根据《“十二五”节能减排规划》，调整优化产业结构将是实现节能减排目标的重要手段之一，其中对淘汰落后产能，关停小火电;调整能源消费结构，在确保安全的基础上有序发展核电等进行了明确要求。
根据规划要求关停的高耗能、低效率的小火电机组中相当部分处在电网的末端或者是独立电网，承担着当地的主要供电任务。特别是西部偏远地区。这些地区远离电力主干线，城镇又比较分散，大电网远距离供电的经济性差、电网安全性低，采用自动化程度高、安全性好、换料周期长的小型电力机组供电是比较好的选择。但我国大约1/3的地区需要冬季供暖，供暖期达4~6个月。随着经济的发展和城市化进程加快，对采暖能量的需求量越来越大。目前我国仍以燃煤作为主要供暖方式，煤炭在燃烧过程中产生的有害气体和烟尘污染是北方城市冬季PM2.5增高、雾霾天气增多的主要因素之一，燃煤供热严重污染着环境，威胁着人们的健康。发展小型堆模块化核供热系统是解决我国城市供热问题的重要途径之一，有利于资源的合理应用，有利于环境保护，减轻运输压力。
2.2 海洋开发
我国要成为海洋强国，必须加强海洋资源的保护和开发。海洋开发尤其是深海资源开发需要稳定、大容量的电能与热能，由于环境和用途的特殊性，小型堆核能系统是海洋开发最具有优势的热、电能源系统。将小型核电、热供应站装载于输送船或移动平台上为不同海域上资源的开发提供电力和海水淡化所需的热能，具有非常良好的市场前景。因为换料周期为2年或更长的小型堆，可以长时间提供充足可靠的电和热。此外，小型堆核能系统还可以为海上破冰船和其他船舶提供动力。
我国目前大约有300个城市缺水，其中110个城市严重缺水，这些城市大多集中于东北部沿海地区。我国政府已经将海水淡化技术列入《中国21世纪议程》，海水淡化技术是实现水资源持续利用的推广示范技术和优先发展项目。该技术还能应用于我国内陆苦咸水地区，这些地区由于缺水而不得不长距离运水，费用高昂，利用海水淡化技术进行低成本的苦咸水淡化具有广阔的市场空间。
2.3 出口海外
随着我国从核能大国逐渐发展成为核能强国，我国核能技术应走出国门，为世界核能和平利用做出应有的贡献，扩大我国核能应用的国际影响力，小型堆核能系统将很可能成为—个突破口。
一方面，我国的小型堆核能系统研发起步早，研发水平处于国际先进水平，具有完全的自主知识产权;另一方面，小型堆核能系统具有广阔的国际市场。进入新世纪后，在能源供应安全和气候环境变化双重压力下，国际社会对核电发展给予了高度的重视和关注，尤其是发展中国家。据国际原子能机构统计，截至2008年底，有43个新兴核电国家表达了建设核电厂的愿望，他们中的大多数是发展中国家，对中小型核电机组的需求强烈。
小型堆的市场主要体现在以下方面：
1电网容量小，不适宜建造大型核电机组而又有意向发展核电的国家或地区。因为这些国家发展核能态度积极，国家或地区所需的能源和投资能力有限，采用大型机组往往会造成电力过剩，影响电力能源的经济性，因此选择小型核电机组比较合适。2偏远地区、远离水源的地区、孤立海岛、军事基地等。这类地区采用小型堆核能系统是一种比较理想的能源。再者，岛屿淡水比较缺乏，利用核能发电的同时，兼顾核能海水淡化，是一举两得的方案。3发达或发展中国家里，将来需要比较灵活、自由的电力市场的地方区域，可选择中小型核电机组。这些地方不需要长期稳定的大型电力供应，采用中小规模的电力比较节省成本和投入，采用大型机组会造成电力过剩，影响电厂的经济性。
3 技术可行性分析
小型反应堆的开发已经有几十年的历史，上世纪90年代以来，清华大学完成了大庆200 MW核供热堆等项目的关键技术攻关、工程可行性研究、初步设计和工程前期准备等工作。此外，通过与国际原子能机构开展合作，清华大学在1998年完成了以核供热堆为热源与采用竖管式高温多效蒸馏(VTFE)海水淡化工艺相耦合的摩洛哥10 MW核能海水淡化厂可行性研究。
在核能系统的研发过程中，逐渐形成了2种技术途径，即：改进(进化)设计和革新设计。改进设计是通过采用已经验证的、成熟的技术对核动力系统、部件进行局部范围的调整和增减，从而达到提高系统安全性、降低风险的目的，所采用的改进措施是建立在大量运行经验和新科学技术突破的基础上的。革新设计是从新需求、新技术突破和反应堆内在的固有安全性等角度出发，设计新型反应堆技术，提高反应堆的固有安全性水平。
我国经过几十年的发展建设，已经建立起了完整的核工业体系，为我国自主研发、设计、建设、运行小型堆核能系统奠定了技术基础。随着我国核动力装置运行经验的积累以及装备制造工艺水平的不断提高，已经具备了一体化小型压水堆实际应用和工程设计的能力，如清华大学提出的低温供热堆、中核集团提出了CAP100等都是比较典型的一体化小型轻水堆设计。目前我国在研究的小型堆无论从技术水平、核安全、换料周期、经济性来看都属于世界先进的技术。
小型堆核能系统的固有安全性超过现在大型堆。以目前广泛采用的一体化小型压水堆为例，其在安全性方面具有以下技术特点：
1取消了主冷却系统内大尺寸管道，从根本上消除威胁反应堆安全的大破口失水事故，这是提高核反应堆固有安全性的主要因素。2将反应堆堆芯放置在压力容器内的底部偏上，压力容器中下部不开孔，确保在系统破口失水时压力容器内的堆芯处于被淹没状态。3在主冷却剂系统设计中采用自然循环原理，堆芯衰变热的排出既可以采用能动余热排出，还可采用非能动余热排出，同时也允许反应堆采用自然循环功率运行模式，提高运行的安全性。4降低中子注量率，降低运行期间裂变中子和射线对压力容器材料的辐照脆化效应，提高压力容器的使用寿命。5采用改进的耐高温燃料和结构材料，增加反应堆安全裕量，使堆芯在无保护的瞬态超负荷过程中不受损坏。6简化系统设计，减少不必要的阀门和管道，以提高安全性，减小投资和运行成本。7采用先进的自动化控制系统，自动化控制技术覆盖整个运行过程。
4 经济可行性分析
小型堆核能系统真正推广到市场应用，必须具有良好的经济性。小型堆可以满足多种用途的需要，可以通过设计、建造和运行策略来降低投资和运行成本，特别其在热电联供、非发电领域的应用可能会更有前景和竞争力。
4.1 研发成本
我国围绕小型堆核能系统已经开展了多年的基础与应用研究，不存在技术瓶颈的问题，也可以广泛地开展国际合作。小型堆核能系统虽说是属于革新设计，但在开发过程中有许多共性的成熟技术可参考借鉴，如燃料组件、内置蒸汽发生器、控制棒驱动机构、主泵等方面的相关技术都是我国目前已经掌握的成熟技术。这将有效地降低小型堆核能系统的研发成本。
4.2 建造成本
小型堆核能系统由于设备部件体积小，因此大幅度地减少制造难度，消除对大型锻件的锻造要求，尤其是反应堆压力容器，为优化制造提供了方便。根据我国现有的核电设备制造加工能力，可以在很大程度上或完全实现设备的国产化，这将大大提高设备制造方面的经济性。同时，也降低了对设备运输方面的限制和要求，同时降低了设备运输成本。
小型堆核能系统更容易实现模块化设计建造和批量化制造，将系统分成多个模块，每个模块在一个更可控的工厂环境下制造，然后运回厂址做最后的组装，这样就可缩短建造周期、有效控制进度、减少建造成本。同时，批量化有利于质量控制，将增强电厂的安全性和可靠性。
小型堆核能系统相对于大型核反应堆系统，较低的投资成本和较短的建造周期会大大降低成本。可以在短时间内获得投资回报，提高资本投资效益。
Ingersoll D T基于简单的经济模式给出了相同装机容量不同堆型方案(连续建造4台小型反应堆核电机组和只建造l台大型核电机组)的现金支出。结果是小型反应堆核电机组最大经济支出大约只有大型机组电厂的50%。在一个更为严格的模型中，如考虑在建设时因为较低资金风险带来更多的折扣率，结论是小型堆核电厂的最大现金支出应该接近大型机组电厂的35%，并且可以通过推迟后续机组的建设进一步降低这个值。可以预计其动态投资经济效益与大型机组相比具有竞争力。
4.3 运行成本
运行成本通常由运行维护成本和燃料消耗成本构成。小型堆核能系统简化了系统设备，减少了系统的运行维护成本;可以通过灵活的运行参数选择、优化燃料循环，减少燃料消耗成本。同时小型堆核能系统还可以通过灵活多变的运行模式，提高系统的运行效率，进而降低运行成本。
小型堆核能系统用于发电可以更好地协调电厂输出功率和满足不同用户的需求，并且小型堆的运行参数范围相对比较宽，对运行参数的选择比较灵活，为业主提供了操作的灵活性，增强电厂的经济性;用于供热运行成本也较低，特别是随着煤炭价格的大幅上涨，据测算核供热成本优势已经明显地显现出来;另外，核供热堆还可以采用其他灵活多样的运行方式开展综合应用，进一步提高热能利用率和经济性，如发展热电联供、低温核制冷，直接供应工业企业低温工艺热及蒸汽等;用于海水淡化与化石燃料相比也具有可竞争性。国际原子能机构针对不同能源海水淡化所进行的全面经济研究结果表明，核能海水淡化的产品水成本与化石燃料方案的成本在相同的范围内，当淡化设备的规模扩大时，核能的优势便比较明显，因为从长期来看，化石燃料的成本明显要高于核燃料。
5 结论
综上所述，无论是从我国社会经济的要求，还是核能技术自身发展的需求看，发展小型堆核能系统都有较为广阔的市场前景。更为重要的是，我国核能技术的发展，使得小型堆核能系统的技术可行性、核安全性、开发经济性等方面都具有可比较的优势。然而，小型堆核能系统要推向市场，还要经过原型堆和商业示范堆建设和运行的验证。期间还将会受到国家相关政策、公众可接受性、核燃料供应体系、核安全保障体系等因素的制约。
因此，建议借鉴有关国家经验，在国家层面，将小型堆研发纳入中长期科技发展规划，在资金、政策等方面提供必要的支持和引导。在研发组织上，采取政府引导，适当投入支持小型堆关键与共性技术研发，支持以企业投入为主，与研究院所、高校联合开发，优势互补，加快研发进程，抢占小型堆核能系统研究的国际高点，促进我国核能产业的升级发展。
原标题：中国发展小型堆核能系统的可行性研究
