美国科技巨头也入局…抢占第四代SMR先机竞争[C-Tech Now]

by Kang Heejong

Published 06 Jan.2025 09:37(KST)

Updated 06 Jan.2025 10:25(KST)

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经验丰富的韩国核电站有望承揽新订单

News Scale Power公司小型模块化反应堆（SMR）发电站鸟瞰图。News Scale Power公司提供

在Donald Trump第二届政府即将上台之际，小型模块化反应堆（SMR）备受关注。恰逢谷歌、亚马逊等美国大型科技企业也为获取人工智能（AI）数据中心所需电力，相继开始抢先布局SMR。以大型核电站丰富的建设经验为基础，业界对韩国企业有望承接SMR项目的期待也在高涨。

什么是SMR？——更安全、用途更广

SMR（Small Modular Reactor，小型模块化反应堆）是指与大型核电站相比输出功率较低的中小型、模块化反应堆。功率在1000兆瓦（MW）以上的归类为大型核电站，300MW级以下则归类为SMR。与大型核电站相比，SMR设计更为简化，并可在工厂预制后运至现场安装，因此在建设工期和成本方面具有节约优势。建设一座大型核电站需要10年以上时间，而SMR有望在3年内完成建设。由于体积小，较大型核电站更加安全，除发电用途外，还被寄予厚望，可广泛用于供热、海水淡化、制氢等多个领域。

当中子撞击核燃料铀235时，会发生核裂变并释放出巨大的能量。核电站正是利用这一能量产生蒸汽，推动汽轮机发电的原理来生产电力。

包括韩国在内，国际上广泛采用的压水堆（PWR·Pressurized Water Reactor）型核电站，是使用水（轻水）来冷却反应堆。为提高水的沸点而对其加压，因此称为压水堆型核电站。压水堆型核电站的发生核聚变的堆芯、调节核电站功率的控制棒、稳压器、蒸汽发生器、冷却泵、冷却管道等设备全部集中在一个安全壳建筑内。如果再加上位于安全壳外部的汽轮机和发电机，其规模极为庞大。

SMR则是将大型核电站安全壳内的这些设备集中装入一个密闭的容器（安全壳容器）中，以缩小规模，并在工厂以模块形式制造完成。SMR与大型核电站在构成上的最大差异体现在冷却系统。

大型核电站为冷却升温的反应堆而使用冷却水，一旦因自然灾害导致冷却系统出现问题，就可能引发事故。2011年发生的日本福岛核电站事故中，反应堆被淹导致停电，冷却泵停止运转，堆芯温度急剧升高，这成为事故的直接原因。

相比之下，压水堆型SMR采用利用自然对流现象冷却反应堆的被动安全系统（Passive safety system），以提高安全性。由于可以减少冷却系统所需的部件和设备，也更有利于缩小整体规模。目前被认为在商业化方面走在最前列的美国NuScale Power的77MW级SMR，高度为23米，直径4.6米，重量700吨。

SMR由于较传统大型核电站体积更小且更安全，可以建在靠近用电需求地的位置。此时，可以利用核裂变产生的巨大热能，用于区域供暖、工业流程以及海水淡化。如果再利用SMR产生的电能进行制氢，有望大幅降低氢气价格，加快向氢能社会的转型。

大科技公司争相投资第四代SMR

根据国际原子能机构（IAEA）数据，截至2022年，全球共有80余种SMR正在研发之中。NuScale基于现有第三代压水堆型核电站技术设计SMR，因此得以加快研发进度。压水堆型技术目前已十分成熟，占全球反应堆的90%。NuScale的SMR于2020年在美国首次完成美国核管理委员会（NRC）的设计认证审查。韩国作为国家课题正在开发的创新型小型模块化反应堆（iSMR）同样采用压水堆型技术。

近期，以第四代核电为基础的SMR备受瞩目。包括韩国、美国、加拿大、法国、英国、中国、日本在内的14个国家的核电专家组成了第四代核能系统国际论坛（GIF·the Generation Ⅳ International Forum），并选定了比现有核电在安全性和经济性方面更为优越的未来型反应堆。

这些反应堆包括气冷快堆（GFR·Gas-Cooled Fast Reactor）、超高温气冷堆（VHTR·Very High Temperature Reactor）、熔盐反应堆（MSR·Molten Salt Reactor）、铅冷快堆（LFR·Lead-Cooled Fast Reactor）、钠冷快堆（SFR·Sodium-Cooled Fast Reactor）、超临界压水堆（SCWR·Super Critical Water Cooled Reactor）等。这些核电技术解决了长期被视为核电扩张障碍的安全性和核废料处理问题，从而显著提升了公众接受度。

目前美国大型科技企业正在投资，或签订为AI数据中心提供电力的合同的，多是以第四代反应堆为基础的SMR。预计第四代SMR将在满足AI数据中心电力需求急剧增长的2030年前后开始正式商业化。

美国核电企业TerraPower于2024年6月在怀俄明州举行SMR示范电站开工仪式。TerraPower提供

由Bill Gates投资而广为人知的美国TerraPower公司，采用的是钠冷快堆方式。在韩国，SK和HD现代对TerraPower进行了投资。TerraPower于去年6月在怀俄明州开工建设一座采用钠冷快堆的345MW级“Natrium”反应堆。作为TerraPower投资方之一的HD现代，将负责该项目圆筒形反应堆容器的制造。斗山能源参与供应主要设备。人工智能（AI）企业OpenAI创始人Sam Altman投资的Oklo公司也在推进基于钠冷快堆SMR的“Aurora”项目。

钠冷快堆是指使用液态钠作为反应堆冷却剂的快中子反应堆（快堆）。由于钠的沸点高达883℃，无需像压水堆那样通过维持高压来人为提高沸点。所谓快堆，是指利用快中子进行核裂变反应的反应堆。

在压水堆中，为提高核裂变反应概率，会使用水作为慢化剂（在反应堆核裂变过程中，将产生的快中子减速为热中子，使核裂变更易发生的物质）。相反，在快堆中则直接利用高速中子，生成易发生核裂变的钚239。快堆还有一个优点，即可以利用自然界中占比达99%的天然铀238。

谷歌在去年10月签订购电协议的美国核电初创公司Kairos Power，正在开发熔盐反应堆。Kairos Power在美国田纳西州橡树岭投资1亿美元，建设以2027年投运为目标的示范反应堆“Hermes 2”。为谷歌供电的反应堆预计将在2030年至2035年前后投入运行。

熔盐反应堆是使用氟或氯化合物的熔盐（molten salt，将固态盐加热熔化的物质）作为冷却剂的反应堆。将核燃料溶解在熔盐中，作为反应堆的燃料和冷却剂共同使用。与燃料混合的熔盐在工业应用中具有400～500℃的熔点和1400℃的沸点，一旦泄漏至外部会立即固化，从源头上防止放射性物质泄漏。通过将核燃料与冷却剂一体化，还可以缩小安全壳容器的尺寸。

亚马逊去年10月宣布投资的X-energy正在开发高温气冷堆（HTGR·High Temperature Gas-Cooled Reactor）方式的SMR。X-energy的项目总装机容量为320MW，由4座80MW反应堆构成。亚马逊计划到2039年购买X-energy超过5吉瓦（5GW）的SMR电力。韩国方面，斗山能源、DL E&C、韩国电力KPS等企业参与了X-energy的SMR项目。

将氦气作为冷却剂、石墨作为慢化剂的反应堆统称为高温气冷堆。根据反应堆温度的不同，又分为超高温气冷堆（VHTR·Very High Temperature Reactor）和HTGR，但基本原理相同。氦气是惰性气体，在化学性质上非常稳定，不会腐蚀反应堆，同时外泄放射性物质的风险也较低。

高温气冷堆使用的核燃料是一种名为TRISO（Tri-Structural ISOtropic coated fuel，三结构各向同性包覆燃料）的物质。TRISO是将直径0.5毫米的球形核燃料颗粒，包覆热解碳、碳化硅等陶瓷材料，制成直径1毫米的球形颗粒。将TRISO装入石墨块中制成粉笔状，或制成鹅卵石（Pebble）形态后装入反应堆。基于TRISO的核燃料在结构上几乎不存在核裂变产物外泄的可能性，安全性极高。高温气冷堆温度可高达950℃，因此其热能还可用于多种工业流程。

美国加速第四代核电……预算被削减的韩国国会

由于SMR被普遍认为将改变未来核电市场的范式，各国政府正积极推动下一代SMR的开发。美国、法国、英国、加拿大、日本、俄罗斯、中国、阿根廷等核电强国，都在积极推进SMR的研发和商业化。

尤其是美国能源部通过先进反应堆示范计划（ARDP），支持SMR企业在2030年之前完成其提出的设计概念的示范验证，或帮助其提前解决设计和运行方面预期会遇到的难题。美国能源部在2020年将TerraPower和X-energy选为ARDP初期支持对象，并宣布分别提供8000万美元的资金支持。Kairos Power也入选ARDP，在7年内获得3.03亿美元的支持。

中国清华大学在2000年完成10MW级卵石床高温气冷试验堆建设并开展示范试验，在此基础上于2021年在威海市建设了高温气冷堆示范电站HTR-PM。日本原子能研究开发机构（JAEA）则利用高温气冷堆试验堆HTTR开展制氢示范研究。

韩国目前集中力量研发钠冷快堆和高温气冷堆。钠冷快堆是作为乏燃料处理技术的一环进行研究的。这是因为钠冷快堆可以将乏燃料中所含的高毒性长寿命核素钚239作为核燃料使用，并转化为寿命较短且稳定的核素。韩国原子能研究院还为迎接氢能经济时代，开展利用高温气冷堆进行核能制氢技术的研发。

然而，与海外已经从示范阶段迈向商业反应堆建设相比，韩国国内开发进度相当缓慢。科学技术信息通信部在去年6月的国家科学技术顾问会议上审议通过了“为获取下一代核能的技术开发及示范推进方案”。根据政府路线图，钠冷快堆将从2025年起开展设计和厂址勘查，高温气冷堆则从2024年起进行设计和厂址勘查，计划于2036年开始试运转。为此，韩国还决定引入仿照美国ARDP的韩国型下一代反应堆技术开发及示范计划（K-ARDP）。

科学技术信息通信部在去年7月宣布，政府与民间将在4年内共同投入455亿韩元，启动公私合营的下一代反应堆开发项目。该项目由韩国原子能研究院与POSCO E&C、大宇建设、Smart Power、SK Eco Plant、乐天化学等企业共同推进，计划在2027年前完成韩国自主高温气冷堆的基本设计及综合厂址设计。