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根据国际原子能机构（IAEA）的定义，发电功率300兆瓦以下的机组为小型核反应堆（以下简称“小型堆”）。世界各国一直致力于小型堆技术革新，研发了压水堆、重水堆、沸水堆、气冷堆、液态金属冷却堆、熔盐堆等众多堆型。截至2024年3月，全球规划或在建的小型堆项目装机总量达到22吉瓦，较2021年上涨65%，预计2024年将有1760亿美元投资进入该领域[1]。
一、小型堆应用场景
1、为海洋开发和海岛提供能源与淡水
小型堆可为海洋钻井平台、海岛建设提供能源保障，并实现海水淡化。俄罗斯于2020年建成海上浮动核电站“罗蒙诺索夫院士号”，为偏远城市及海洋开发供电供热。该核电站包括两座小型堆，可提供70兆瓦的电力、300兆瓦热量以及24万立方米淡水[2]。我国海岛众多，面积在500平方米以上的岛屿就有7000多个，其中有人居住的海岛近500个。通过小型堆为海岛供电，可节省海岛空间，并实现淡水和热能的同步供给。
2、为军用舰艇和民用船舶提供动力
在军用方面，全球有核动力潜艇300多艘、核动力航母12艘，主要采用小型压水堆技术。美俄等国也正将小型堆技术向滑翔机、潜航器、海底作战装备等方面拓展。在民用方面，小型堆在商业船舶特别是破冰船动力推进方面得到了工程应用。俄罗斯相继建成12艘核动力破冰船，另有3艘在建，4艘在计划中[3]。随着我国海洋强国战略的实施，小型堆在我国军用和民用舰船方面的需求将快速上升。
3、为新型电力系统提供稳定电力保障
核电接入电网，有助于维持稳定性电源占比，有效应对风光等新能源出力的随机性和波动性。2021—2030年，我国需退役的煤电机组近1亿千瓦，约占煤电总装机量的10%，未来20年退役机组将达到5.5亿千瓦[4]。随着煤电发电量占比逐步减少和新能源大规模并网，遴选部分退役火电机组的厂址建设小型堆，对于稳定电网基础电源，承担基荷、参与调峰具有重要作用。
4、为大数据和人工智能发展提供电力
据国际能源署（IEA）统计，2022年全球数据中心消耗的电力达到460太瓦时，约占全球电力需求的2%。我国数据中心耗电量达到2700亿千瓦时，为同期三峡电站发电量的两倍以上，占全社会用电量约3%[5]。目前小型堆已被视作可满足数据中心等“耗能大户”的“大电源”。2024年，美国OpenAI与美国奥克洛公司达成协议，在爱达荷州东南部建造一个小型核电站为其旗下数据中心提供电力。2023年，微软与星座能源公司签署合作协议，后者将通过旗下核电设施为微软的数据中心供电。
5、为工业供热和区域供暖提供热源
小型堆替代燃煤热电厂或集中供暖锅炉，可为工业提供高温水或高温蒸汽，为居民提供冬季集中供暖。清华大学和中国原子能科学研究院已经实现小型堆低温供热。中国原子能科学研究院启动了池式低温常压供热堆“燕龙”型号的研发工作。2024年3月，华能石岛湾高温气冷堆示范工程核能供暖项目正式并网运行，标志着我国四代核能供热系统首次实现向城镇居民供暖。
6、与制氢装置耦合实现绿色制氢
麦肯锡《2022全球能源展望报告》预测，到2050年全球氢能需求将从目前的8000万吨/年增加到5.36亿吨/年，需求量增长6倍[6]。小型堆可用于核能制氢，尤其是高温气冷堆将高温制氢作为重要的研发用途之一。目前核能制氢的成本高于煤制氢，低于天然气制氢。考虑到未来征收碳税对制氢成本的影响，核能制氢的成本可能会低于煤制氢的成本。2024年3月，英国CVG公司和波兰Industria公司达成合作，探索利用小型堆技术制氢，实现年产5万吨氢气的目标[7]。
二、小型堆发展面临的挑战
1、商业化技术路线选择仍存争议
目前，全球正在开发的小型堆示范超过80种，投入运行的仅3座，2座在俄罗斯，1座在我国。我国有小型堆示范9种，其中陆上压水堆4种，海上压水堆2种，高温气冷堆2种，小型模块化熔盐堆1种。哪些技术路线能够率先实现规模化商业用途还需时间进一步验证。
2、现行法规标准不适用于小型堆
在全球范围内，由于小型堆的冷却剂、燃料类型以及应用场景多样，因此小型堆的设计类型众多，导致行业规范不统一，相关标准及监管体系尚不完善，制约了其商业化进程[8]。我国小型堆处于示范建设阶段，国内尚未形成适用于小型堆发展的法规和标准体系，如果直接套用大型反应堆的法规标准体系，将会制约其选址和功能设计，造成冗余设计过多，无法体现小堆自身的优势。
3、建造成本较高导致推广困难
美国能源经济与金融分析研究所（IEEFA）报告指出，全球3座已运行的小型堆实际建设支出都大大超出了预算。阿根廷在建的CAREM-25小型堆项目也面临成本超支问题。2023年，美国爱达荷州小型堆项目因单位功率成本上涨超过50%而被取消。数据显示，125兆瓦电功率的小型堆建成总价约40亿元，而我国华龙一号1200兆瓦机组造价约200亿元。相比大型反应堆，小型堆建设成本总额较低，但是由于功率要比大型反应堆低，所以小型堆单位功率造价较高。
4、供应链问题限制商业化发展
随着小型堆技术的不断成熟以及示范堆的运行，小型堆商业化进程将逐步展开。由此带来的小型堆供应链能力问题将逐步凸显，包括设备制造能力和燃料制造能力。以高丰度低浓缩铀燃料为例，小型堆铀燃料的铀-235含量在5%~20%之间，远高于大型核电站燃料所需的5%铀-235含量。目前俄罗斯是唯一商业规模生产高丰度低浓缩铀的国家。
三、我国发展小型堆的对策建议
1、遴选不同技术路线和应用领域建设示范堆
一是遴选若干技术路线开展示范堆建设并持续开展技术研发降低建造成本，如简化系统设备、优化标准设计、实施工厂预制和模块化施工等；二是遴选城市、工业园区、海岛、偏远地区开展不同应用场景的小型堆示范工程建设，形成小型堆供电供热、海水淡化、制氢以及新能源耦合技术示范。
2、建立适用于小型堆的相关法规及标准体系
遴选有商业化潜力的技术路线，尽快组织制定适用于小型堆的安全监管法规及相关标准体系，使项目规划、设计、选址、建设、运维、监管等方面做到有章可循、有法可依。
3、超前布局小型堆燃料生产和装备制造能力
针对小型堆建设的供应链环节，充分利用现有反应堆供应链体系，通过实施优化改造和科研攻关，超前布局小型堆燃料生产和装备制造能力。加强知识产权布局和国际合作，融入全球小型堆供应链，协同应对小型堆规模化部署面临的产业链挑战，共同推进小型堆开发和商业化进程。
4、加强宣传提升公众对小型堆安全性的认知
由于小型堆的特点，其建设地点相对大型核电站距离城市居民区更近，与公众的物理距离缩短，也使得公众对核安全的恐惧心理更盛。在新建核能项目时，要做好科普教育宣传，让公众清晰了解小型堆新技术的安全性和风险应对举措，提高公众对小型堆的接受度。
[1] Flowers S, Brown D. Nuclear’s Massive Net Zero Growth Opportunity. https://www.woodmac.com/blogs/the-edge/nuclears-net-zero-growth-opportunity/
[2] 石磊, 李金英. 布局海上浮动核电站，海水淡化、供电一举两得[J]. 能源, 2020, (7): 85-88.
[3] Nuclear-powered Icebreaker. https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear-powered_icebreaker
[4] 赵紫原. 行业主管部门酝酿煤电延寿新规, 引导提升电力系统灵活性——到期煤电机组: 退役还是延寿(行业观察)[N]. 中国能源报, 2022-05-23(003).
[5] 董梓童. “数电”协同绿色发展[N]. 中国能源报, 2023-10-16(009).
[6] McKinsey & Company. Global Energy Perspective 2022. https://www.mckinsey.com/industries/oil-and-gas/our-insights/global-energy-perspective-2022
[7] 李丽旻. 核电小型堆技术应用加速跑[N]. 中国能源报, 2024-03-18(011).
[8] 张浩, 王建建. 小型反应堆发展现状及推广分析[J]. 中外能源, 2020, 25(10): 26-30.
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