小型模块化反应器技术发展的进展

补充：原子能机构先进反应堆信息系统 （ARIS） 2022 年版

小型模块化反应器技术发展的进展

2022 版

补充：原子能机构先进反应堆信息系统 （ARIS） http://aris.iaea.org

免責聲明

这不是国际原子能机构 （IAEA） 的官方出版物。该材料尚未经过原子能机构的正式审查。所表达的观点不一定反映原子能机构或其成员国的观点，仍由撰稿人负责。

尽管已非常小心地保持本出版物所载信息的准确性，但原子能机构及其成员国均不对使用本出版物可能产生的后果承担任何责任。

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由原子能机构在奥地利印刷

2022 年 9 月

前言

原子能机构核能司继续促进会员国在开发和部署小型模块化反应堆 （SMR） 方面的努力，认识到它们作为满足能源供应安全的可行解决方案的潜力，无论是在对 SMR 感兴趣的新来国家还是不断扩大的国家。在这方面，通过发布状态报告和其他技术文件，向所有会员国收集有关先进反应堆生产线及其应用的技术现状和发展趋势的平衡和客观的信息。

会员国，无论是启动核电计划的会员国还是已有核电计划的会员国，都不断表达对 SMR 设计和技术发展进展以及其部署全球趋势的信息的兴趣。原子能机构核电司一直在促进成员国解决小型反应堆的常见技术和问题，在为感兴趣的成员国召集该领域的国际科学论坛和技术合作方面发挥着突出作用。SMR 方面的活动得到了先进水冷、液态金属冷却快中子谱、熔盐和高温气冷反应堆技术开发及其非电应用的具体活动进一步支持。

SMR 发展的驱动力是它们的特定特性。它们可以逐步部署，以紧密匹配不断增长的能源需求，从而为电网较小的国家或地区提供适度的财政承诺。SMR 显示出通过模块化和工厂建设显着降低成本的前景，这将进一步改善施工进度并降低成本。在更广泛的应用领域，SMR 的设计和尺寸更适合部分或专门用于非电力应用，例如区域供热、为工业过程提供热量、制氢或海水淡化。工艺加热或热电联产可显著提高热效率，从而获得更好的投资回报。一些 SMR 设计也可能服务于利基市场，例如在小岛屿或偏远地区部署微反应器来取代柴油发电机。

自 2012 年以来，每两年出版一次关于 SMR 技术发展状况的小册子。其目的是为成员国提供 SMR 设计最新状态的简要概述。本手册报告了 SMR 类别中所有主要技术线的 SMR 设计和技术发展进展。它包括陆基和海基水冷堆、高温气冷堆、液态金属冷却快中子谱反应堆、熔盐反应堆，以及称为微反应堆的子类别，其功率通常高达 10 MW（e）。该手册还首次提供了有关 SMR 部署的经济挑战的一些见解，总结了启用设计功能以促进 SMR 退役，并总结了用于设计验证和确认的实验测试。SMR 的简要设计说明由负责的机构或组织提供，经许可转载于本手册中。

本手册旨在作为原子能机构先进反应堆信息系统（ARIS）的补充，该系统可在 http://aris.iaea.org 访问。为支持 ARIS 而出版的本手册的先前版本列于附件 X。

本出版物由原子能机构核能司核电司核电技术发展科与成员国合作编写。负责本出版物的原子能机构官员是核电司的 Y. Zou 和 M.H. Subki。

7. 工厂布局安排

MMR 设施包括一个包含 MMR 反应堆的核电站和一个相邻工厂，它们是与该项目相关的主要物理工程。

核电站

核电厂为相邻电厂提供工艺热能，根据客户要求将其转化为电能和/或热能。核电站包含核建筑和城堡建筑，MMR 反应堆及其相关的核热供应系统就位于其中。这座建筑保护反应堆和中间换热器免受危险（Citadel 建筑的外部和内部），墙壁提供生物屏蔽。

相邻植物

相邻工厂建筑包含从核电厂提供的热量中发电以及与任何客户最终用途设施连接所需的设备。相邻工厂熔盐储热系统充当中介，运输和储存核电站产生的热量，并将其转移到蒸汽循环中，以便为客户应用发电和供热。

8. 设计和许可状态

Global First Power （GFP） 已向加拿大核安全委员会 （CNSC） 提交了 Chalk River 场地 MMR 示范发电厂的“准备现场初始申请许可证”，该委员会负责监管加拿大的所有核活动。加拿大 Chalk River 的 MMR 项目的正式许可程序正在进行中。MMR 商业示范项目与加拿大 Chalk River Laboratories 的已确定地点签订了项目托管协议。正式的许可流程处于第一阶段（准备场地许可证），然后是施工许可证阶段。

9. 燃料循环方法

MMR 将运行 20 年。加氢可以实现第二个 20 年周期，而工厂的其余部分设计为 40 年的使用寿命。停用阶段活动预计需要大约 6 个月。乏燃料将根据国家储存计划进行储存。不需要对乏燃料进行加工或调节，因为 FCM 燃料已经处于地质稳定的状态。

10. 废物管理和处置计划

所有废物都将以负责任和安全的方式处理和加工，以确保尽量减少与所有处理、运输和处理废物的人员接触。废物将在源头上作为非放射性废物和放射性或潜在放射性废物进行分类。废物将临时储存在项目现场的指定区域，并在适当时间运输到授权的处理设施，具体取决于废物的类别和类型。

11. 发展里程碑

Chalk River 的 Ultra Safe Nuclear Company MMR 演示装置（加拿大核实验室）

获得 FCMfuel 和 MMRreactor 专利

建立研发和制造实验室

启动 FCMfuel 开发和认证

2018年6月，GFP向CNL提交提案，得到OPG和超安全核公司的支持

2019 年 2 月，CNL 宣布 GFP 提案进入第 3 阶段支持者审查程序

2019 年 3 月 GFP 向 CNSC 提交准备场地初始申请的许可证

场地准备、完成环境评估和开始场地准备的许可证

场地准备和施工

工厂运营

停用和放弃

MMR 双机组发电厂

主要技术参数 参数值

技术开发人员、原籍国

美国 Westinghouse Electric Company LLC 反应器类型 热管冷却

冷却剂/慢化剂 热管 / 金属

氢化物慢化剂

热/电容量，MW（t）/MW（e）

7 – 12 / 2 – 3.5

一次循环 热管 NSSS 工作压力（一次/二次），MPa

核心温度 （C） NA800

燃料类型/组件阵列 TRISO 或其他

封装 燃料组件数量 整体型芯 燃料富集 （%） 5 – 19.75 型芯放电燃耗 （GWd/ton）

未披露

燃料循环（月） > 36

反应性控制

机制

Ex-core 控制鼓

安全系统的方法 固有和被动

停机和散热安全性 设计寿命（年） 40

工厂占地面积 （m） < 4 000

RPV 高度/直径 （m） N/A

抗震设计 （SSE） IBC 4 区 F 类

燃料循环要求/方法

无需现场加注 更换反应堆方法 显著特点 可移动反应器

可以操作

自主设计现状 概念设计

1. 引言

西屋 eVinci 微反应器专为偏远或孤立地区的能源生产而设计。该设计可以为偏远社区、采矿作业或关键基础设施设施生产工艺热能和电力。该设计的关键属性是它在标准集装箱内的可运输性。该设计基于由洛斯阿拉莫斯国家实验室开发和测试的热管反应堆技术，用于太空应用。由于其紧凑和简化的设计，eVinci 微型反应器将在工厂制造和燃料，然后运输到最终用户现场。下图显示了如何将 eVinci 反应器和电力转换系统包装到两个标准运输容器中。其中一个集装箱装有反应器和电力转换系统。另一个容器包括电力电子设备和仪表与控制（I&C）系统。

西屋 eVinciMicro Reactor（美国西屋电气公司）

本节中包含的所有内容均由 Westinghouse Electric Company LLC， USA 提供，并经其许可复制。

Westinghouse 的 eVinci Micro Reactor 原理图。

2. 目标应用

eVinci 微型反应器专为偏远社区、采矿作业或军事设施而设计。它结合了热能和发电能力，满足了这些分散式和离网市场的各种能源需求。

3. 设计理念

eVinci 反应堆的设计利用了洛斯阿拉莫斯国家实验室 （LANL） 开发的成熟热管技术，用于太空应用。这种以铀为燃料的反应堆不使用散装主冷却剂。相反，使用被动热管从其核心中带走热量，从而限制了其活动部件的数量，并提供了整体工厂的简单性。该设计利用燃料、慢化器和热管中固有的安全功能来增强安全性和自我调节能力。

4. 主要设计特点

基本反应堆设计基于实心块，该块包括核燃料、慢化剂和从核心区域提取热量的热管矩阵。反应堆堆芯本身是亚临界的。它需要径向和轴向反射器来提高中子利用率。反应控制和关断是通过放置在磁芯周围的径向控制鼓进行的。也可以使用可插入核心块的关断杆进行关断。控制鼓是反应器罐内唯一利用被动热管热交换的运动部件。反应器传热设计利用了钠热管的独特特性。钠热管嵌入实心中，在正常运行下用于将核心热量移动到热交换器和相关的电源转换系统。热管操作消除了主系统中对冷却剂泵的需求。完整的反应堆和电力转换系统由基于经过验证的核 I&C 系统的自主控制系统控制。

eVinci 微反应器具有固有的安全功能。例如，在衰变散热的情况下，反应器罐内的核心设计可以通过传导到反应器罐的外部来散热，从而被动地允许热量传递到周围大气（空气）。内核采用负反应反馈设计，可在发生事故时提高安全性。如果外部电源丢失或反应堆通过其自主控制系统跳闸，控制鼓会自动旋转到堆芯周围的高中子吸收位置，随后关闭反应堆。这种实心设计消除了许多传统的事故情况，例如高压管道破裂或冷却剂损失事故。

由于其紧凑性、技术成熟性和可靠性，采用了露天布雷顿系统。一种单轴燃气涡轮机械，由压缩机、涡轮机和交流发电机组成，作为单个旋转阀芯运行。高速单轴架构造就了非常紧凑的功率模块。环形能量回收和简化的低压管道将使发动机与主热交换器紧密集成。为避免使用润滑剂，磁浮轴承将允许发动机在任何方向运行，从而促进最佳集成和包装。高速交流发电机充当电机，在正常和黑色启动期间启动发动机。机械配置对于在反应堆相对缓慢的升温和避免热应力的情况下启动发动机至关重要。电力电子设备与变速发动机相结合，可实现高效的部分负载和负载跟随电源管理。

反应器罐

布雷顿电源转换

电力电子

仪器和控件

5. 弹性特性

eVinci 微型反应器的弹性是通过包装在一个安全的罐中来实现的，该罐安装在现场一个强大的安全保险库中，并连接到协调热能和电力的微电网。其电力转换和热传输系统中集成了一个名为 SMART 的专用设备，以及其自主负载跟踪功能，使其成为与其他能源一起运行的理想选择。eVinci 微型反应堆连接到微电网的集成能力可以通过利用核能的多样性、高可靠性和安全性与其他发电资源来提高用户的弹性。

6. 运营绩效

eVinci 微型反应器利用其自主设计来减少现场所需的人员。计划每个班次需要一些人员进行监控和安全，因为自主控制系统将限制对操作员的需求。

eVinci 设计具有负载跟踪和电网频率控制功能。eVinci 自主控制系统与微电网相结合，可以在远程应用中最苛刻的情况下执行负载跟踪。大多数负载跟随需求都可以利用自控功能、电抗器控制和功率转换控制来执行。其他高需求波动将由与微电网耦合的电力资源提供支持。eVinci 系统具有由电池供电的黑色启动功能，例如本地微电网无法支持启动过程的情况。

7. 仪表和控制系统

自主控制系统 （ACS） 是 eVinci 微反应器的主要 I&C 系统。ACS 利用光纤传感器对反应器进行高保真温度测量，利用中子通量传感器测量反应堆堆芯运行，并利用负载跟踪逻辑编程到 ACS 中，从而促进自主控制。ACS 使用功能逻辑进行编程，以实现 eVinci 反应器的自主运行。光纤传感器的温度测量和自供电中子通量探测器 （SPND） 的中子通量测量决定了跳闸决策和负载遵循逻辑。跳闸决策逻辑确保反应器不会越过预定义的操作限制。负载跟随逻辑根据负载变化、反应器温度和中子通量测量值自主调整控制滚筒位置。控制鼓接口逻辑在跳闸、负载跟随逻辑和手动系统控制之间提供逻辑优先级。ACS 还在正常运行期间收集环境和运行数据，自主逻辑功能控制反应器。如果需要，自主逻辑功能将反应器的控制权交给手动操作员。由于采用自主控制，因此不需要特定的控制室。

8. 工厂布局安排

eVinci 微反应器的设计便于物流，几乎不需要现场施工，现场安装最少。eVinci 系统几乎 100% 在工厂制造，并包装在集装箱中，然后通过空运、水路或陆运到现场。在现场安装集装箱后，如果需要热电结合，箱子之间唯一需要的连接是电力管道或管道连接。为确保满足允许的剂量水平，为运输设计了集成屏蔽。然而，计划为反应堆容器设置屏蔽结构，以限制操作员和公众的剂量率。

eVinci 微型反应器专为远程应用而设计，可通过微电网系统提供热量和电力。该系统可以针对远程应用可能需要的所有电压和频率进行配置。如果电力需求需要多个 eVinci 系统，则可以在一个站点将它们一起暂存;每个单元独立运行。由于 eVinci 微型反应器类似于电池设计电源，因此不需要现场加注燃料。这消除了加油通常需要的额外现场设施和结构。燃料循环结束后，eVinci 微型反应器将被运回工厂进行燃料加注或长期储存。

9. 设计和许可状态

eVinci 开发计划已完成概念设计阶段。西屋公司通过评估技术成熟度 （TRL） 和制造成熟度 （MRL） 来推动 eVinci 微反应器产品的成熟度。目前 eVinci 微反应器技术领域的 TRL 和 MRL 估计处于 5 级。

西屋公司目前正在与美国核管理委员会 （NRC） 和加拿大核安全委员会 （CNSC） 合作，为设计和技术提供许可。在这一点上，申请前的讨论和活动突出了迄今为止的许可工作：

- 请求向加拿大核安全委员会 （CNSC） 提交供应商设计审查申请- 提交 eVinci 微反应堆许可现代化项目 （LMP） 示范“桌面”报告，作为评估 LMP 流程项目的一部分。此报告已提供给 NRC 以供参考。

向美国 NRC 提供了一份监管问题摘要，介绍了安排和分配资源以审查新许可申请的流程。

10. 燃料循环方法

eVinci 微反应器堆芯将在三结构各向同性 （TRISO） 燃料或其他封装燃料中使用高含量低浓铀 （HALEU） – 碳化铀 （UCO）。在没有加油的情况下全功率运行 3 年后，eVinci 微反应器将被断开并运回工厂，装在其原来的罐中进行加氢和重新部署或长期储存，这可以在 eVinci 微反应器罐中完成。

11. 发展里程碑

电动演示

首次核演示

附件一 全球 SMR 技术发展与部署总结

图 I-1 SMR 技术发展全球图

图 I-2 截至 2020 年的部署总时间表