小型模块化反应堆的发展与未来：新一代核电的机遇与挑战

内容LARS TURMANN-MOE合作伙伴，能源，公用事业和资源 (ENUR) 奥斯陆MICHAEL KRUSE瑞士苏黎世ENUR管理合伙人弥合绿色能源鸿沟31. 乏燃料再利用助力实现碳中和62. 了解技术格局83. 实现SMR LCOE成本竞争力144. 提供SMR供应链成熟度205. 降低SMR投资风险246. 制定规章协调的需求307. 与消费者和公用事业共同创造市场 36 结论：核能的新曙光？42附录1：SMR设计类型44附录 2：借鉴其他行业的经验教训46附件3：现行监管框架48LUKAS VYLUPEK合作伙伴，ENUR 布拉格丹尼尔·莫尔松合作伙伴，ENUR布宜诺斯艾利斯 弗雷德里克·彼得森经理，ENUR奥斯陆安德烈亚斯·多布卢格咨询顾问，ENUR奥斯陆汉娜·施瓦茨校长，ENUR 布拉格本尼迪克特·翁格校长，ENUR伦敦 PETR MALAN业务分析师布拉格STIAN 红咨询顾问，ENUR奥斯陆简·阿什拉夫商业分析师，ENUR奥斯陆JOACHIM SPECHT高级顾问达尼尔·福克斯顾问，ENUR伦敦 1刘娟，“什么是小型模块化反应堆？”，国际原子能机构，2013年9月13日。实现净零目标的关键在于能源供应脱碳。然而，一旦化石燃料发电厂退役，尽管可再生能源迅速增长，仅靠风能和太阳能发电仍不足以填补由此产生的空缺。风能和太阳能的间歇性——以及缺乏可行的储能机制——突显了迫切需要低碳的持续基荷发电来源，为日益电气化的世界提供动力。核能应是满足这一需求的优先选择，但反应堆机队的老化、新项目在成本和时间上的巨大超支以及安全担忧的组合，阻碍了其大规模部署。弥合绿色能源鸿沟小型模块化反应堆（smrs）为克服核能面临的挑战提供了潜在的机会，尽管其与大核电站（lnpps）相比的成本竞争力仍在验证中。国际原子能机构（iaea）将功率容量高达300兆瓦（mwe）的反应堆定义为，小型模块化反应堆（SMR）更小的尺寸应能使其在更广泛的场地上更快地部署，而其模块化特性则承诺通过在工业水平上大规模生产部件来降低成本。这些特性——更小的尺寸、更快的部署潜力以及模块化、工厂化建造——有望在全球范围内扩展核能，为消费、商业和工业用途提供一种可行、经济高效且低碳的能源来源。SMR市场最初吸引了大量兴趣和投资，众多初创企业和成熟玩家创造了设计并吸引了大规模资金和政府支持。自那以后，西方首个SMR部署的进展放缓——但最近的公告表明该行业现在正在向前发展。 1 2.实现SMR平准化度电成本（LCOE）成本竞争力通过计算小型模块化反应堆（SMR）需要实现的目标。采用小型模块化反应堆需要强有力的商业案例，并与替代方案相比具有具有竞争力的平准化度电成本（LCOE）。通过分析当前能源市场价格和SMR材料/建设成本估算，我们计算了小型模块化反应堆发电的目标价格，并描述了确保成本竞争力的要求。基于亚瑟·D·利特尔（ADL）客户经验和行业内部研究，包括对主要参与者的访谈，本报告深入分析了市场现状、需要克服的挑战以及成功大规模部署SMR的关键领域。本报告涵盖六个关键领域：1.理解技术格局通过评估当前设计、项目以及首次成功部署的要求。SMR设计涵盖了从现有大型核概念改造到创新、实验性解决方案的一系列技术。我们分析整体市场，评估最具潜力的设计。如何通过首次（FOAK）部署成功实现技术的运营化，以推动广泛应用？3.识别实现供应链成熟度的关键因素通过论证采用生态系统方法扩展供应链以大规模部署小型模块化反应堆的必要性。轻水堆电站建设的减少使原材料、组件和专长的核供应链萎缩。扩展供应链和实现小型模块化反应堆效益的中心在于工业化生产，需要涉及公共和私营部门的生态系统方法。 4.降低SMR投资风险并认识到政府支持对于长期成功资助小型模块化反应堆至关重要。吸引和留住投资者的兴趣对于小型模块化反应堆的成功至关重要，尤其是考虑到项目从启动到产生回报的长期时间线。减轻投资者风险至关重要；我们阐述了政府如何向寻求资助小型模块化反应堆的人提供保障。迫切需要寻找可行的短期和中期替代传统能源化石燃料基荷发电方案。虽然小型模块化反应堆面临着一系列挑战，但所有利益相关方的协同行动有助于克服这些挑战——确保FOAK部署证明设计的可行性，降低后续项目的成本，并使该技术能够全球规模化。5.满足监管协调需求将解决监管变化并创建国际协调以降低成本和缩短部署时间范围。目前的核安全法规是为小型模块化反应堆设计的，这意味着它们可能会阻碍小型模块化反应堆项目的发展。监管变化和国际协调是加快部署并使技术能够全球规模化的必要条件，这对于实现模块化设计的全部优势至关重要。6.创建一个包含消费者和公用事业的市场在能源消费者和公用事业公司需要立即行动以确保未来经济实惠的基础电力供应的情况下。小型模块化反应堆的部署需要公用事业公司作为智能所有者来推动其发展，并需要需要基础电力的客户做出前期承诺。我们探讨了这两组角色在小型模块化反应堆部署中可以发挥的作用，以及早期参与的益处（例如，满足在特定时期内所需的最低电力需求水平）。 预测表明，要实现2050年的目标可能需要高达800吉瓦的新增核电装机容量，这将是过去六十年所建设容量的两倍多。许多当前的大型核项目，尤其是在西方国家，一直受到长时间的交付周期、错过截止日期和成本急剧上涨等挑战的困扰。要在这样的规模上实现部署，需要对建设方法、方法和资金进行根本性的转变。随着世界迈向实现净零排放，核能预计将在确保基础电力供应中发挥核心作用。截至2023年，全球在运核能发电装机容量为371.5吉瓦(e)，2由31个国家的413个反应堆提供。根据世界核能协会的数据，越来越多的国家转向核能，已有超过30个国家正在考虑、规划或启动全新的核电项目。3世界面临着日益增长的巨大潜在能源差距。需求正在增长，尤其是在交通、工业和热能电气化的推动下，加上对数据中心等重能源用户需求的不断增加。然而，净零脱碳目标正导致污染性化石燃料发电的逐步淘汰。由于风能和太阳能等可再生能源的间歇性以及可扩展的电池存储无法提供必要的基荷电力来保障能源安全，它们单独无法弥补这一差距。1. 乏燃料再利用助力实现碳中和2 Gospodarczyk, Marta Maria. “IAEA发布2023年核能数据和运行经验。”IAEA, 2024年8月20日。 3 “新兴核能国家。”世界核能协会，2024年4月26日。 4 “2024年小型模块化反应堆目录。”IAEA，2025年1月。 smrs：更小、更快、更便宜？小型模块化反应堆已被提出作为能源领域众多挑战的潜在解决方案，结合了轻水堆提供可靠、绿色基础负荷电力的能力，并由于其尺寸和模块化特性而具有更短的部署时间表和更低的初期成本。这种方法旨在标准化部署并大规模制造组件，以简化施工并加快速度。IAEA《2024年小型模块化反应堆目录》中列出的68种小型模块化反应堆设计表明了其浓厚的兴趣。而，尽管模块化可以降低成本，更广泛的供应链、工程、采购和施工（EPC）流程也必须与这些效率保持一致。同时，LNPP从中受益于规模经济，一旦投入运营，它们就更具成本效益。尽管小型模块化反应堆（SMR）具有潜力，但在西方国家却还没有成功的部署案例，尽管中国的反应堆和俄罗斯的已经开始发电。一些前景乐观的项目遭遇了挫折，例如2023年11月NuScale的伊达荷瀑布反应堆因需求不足和成本超支而取消。然而，近来行业在项目和技术提供商方面都看到了投资浪潮，尤其是寻求基础负荷绿色能源的数据中心运营商和具有前瞻性的公用事业公司的投资。 4然 尽管小型模块化反应堆（SMRs）具有潜力，但在西方国家还没有成功的部署希望确保未来能源安全的政府正在推进鼓励小型模块化反应堆的策略、立法和支持，但西方需要进行一次成功的首次示范项目部署。这将证明该技术的可行性，并为实现一系列更便宜、更快的后续示范项目（NOAK）部署提供关键的经验教训，从而实现小型模块化反应堆的承诺。在西方实现一次成功的 FOAK 部署需要克服在安全关键行业中实施创新新技术所固有的风险和不确定性。 - -解决技术成熟度 评估相对于其他成本-生成方法-创建工业化供应链-吸引投资者-更新和协调法规 驱动消费者和公用事业部门的采用尽管这些障碍很显著，ADL分析表明它们可以克服，从而提供广泛、清洁且持续的电力，支撑经济体电气化，并为全球各国提供能源安全。本报告详细阐述了商业化SMR技术需要行业解决的一系列挑战，包括： 5 同上。2. 了解技术格局目前尚无单一的占主导地位的SMR设计，Gen III/III+和Gen IV计划均正朝着在西方国家部署的FOAK里程碑迈进，但已出现领跑者。本章介绍了这些情况，并概述了所有主要技术及其当前成熟度和可行性。设计多样性与创新虽然根据国际原子能机构（IAEA）的数据，活动SMR设计的数量从2022年的83个下降到2024年的68个，但括大量在关键技术领域差异显著的选择。本报告分析了当前全球处于不同发展阶段和部署阶段的68种活性SMR设计。大约三分之二（32%）源自轻水慢化反应堆、压水堆（PWR）和沸水堆（BWR），这些都是熟悉的大型反应堆设计（第三代/三代+），确保技术连续性并利用成熟的方法。相比之下，其余的68%基于实验性的第四代反应堆设计，这些设计结合了创新方法来提高安全性、改善燃料效率并最大限度地减少废物产生。这些先进设计还探索了替代冷却剂，如熔盐和气体，并旨在扩展核能的可行应用范围，包括氢生产和工业热。 SMR技术的分类-三代/三代+设计—一种采用轻水作为冷却剂的现有大型核电设计的适应性设计。存在两种轻水慢化技术：压水堆和水冷堆。这些设计为市场提供了熟悉且易于理解的技术。在进行不同SMR设计的成熟度评估之前，我们需要对不同的分类做出重要区分，因为这将显著影响它们的许可性和监管准备情况。虽然SMR设计在反应堆类型、慢化剂材料、冷却剂类型、核心形状和燃料相（见图2）等一系列不同参数上有所差异，但我们主要根据冷却剂类型和反应堆类型对它们进行广泛分类：我们的分析基于IAEA《2024年小型模块化反应堆目录》中列出的小型模块化反应堆设计。虽然大多数小型模块化反应堆设计正在美国、俄罗斯和中国开发，但该领域吸引了来自大量国家甚至那些拥有有限或无核经验的公司，例如阿根廷和波兰（见图1）。越来越多的国家正在考虑部署其他国家开发的小型模块化反应堆设计。-IV世设计—采用不同冷却源的新设计，例如氦气、熔盐或熔融金属（例如钠和铅）。这些是未经测试的新颖技术，缺乏运行经验。技术成熟度评估 5技术格局仍包 250-30030-470来源：亚瑟·D·李特尔，国际原子能机构图2. 按类型划分的SMR设计图1 各国最先进SMR的状态荷兰天际线英国罗尔斯-罗伊斯SMR弹性反应堆SSR-W加拿大ARC-100IMSR400SSR-W蓝色药丸恒星仪瑞士阿根廷CAREM美國VOYGRBWRX-300SMR-300AP300KP-FHR (赫耳墨斯)PWR-20Holos-QuadHolos-MonoXe-100极光EM2钠FMRThorConPylon D1eVinci来源：亚瑟·D·李特尔，国际原子能机构水冷反应堆PWR加压水反应堆BWR煮沸水反应堆运行设计就绪60-80+岁60+岁预期容量（兆瓦）水水水水燃料5%>铀5%>铀长达6年最长7年加油频率已选制造商项目图1. 各国最先进SMR项目的状态第四代核反应堆承诺创新燃料来源：亚瑟·D·李特尔，国际原子能机构版主，以及能够使它们在更高温度下运行而不需要显著加压的容器冷却方法。如果实现，这将大大提高安全性，并能够实现新的工业应用，超越低碳发电，例如为区域供暖提供动力，并促进绿色钢铁和氨的生产。6 haleu允许更长的运行周期、更小的反应堆和减少废物产生。7 mox燃料是铀和天然或贫化铀的混合物，其行为与标准leu燃料相似。通过向燃料混合物中添加铀，mox回收“用过的铀”，减少了对新鲜供应的需求。8 triso颗粒燃料由一个铀、碳和氧燃料核心组成，它可以承受极端温度，提高了安全性，同时延长了运