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user: 2. SMR的类别 与大型核电站类似，SMR的冷却剂可以是轻水、气体或液态金属，表2给出了基于不同冷却剂类型的SMR类别，表3给出了SMR冷却剂重要物性参数 [ 1 ] [ 2 ]，其中： 1) 高温气冷堆(HTGR)出口温度很高(750℃~950℃)，用氦气作冷却剂，石墨作为堆芯材料，可产生很高的热效率，可利用HTGR高温优势提供高参数的工艺热； 2) 液态金属反应堆的冷却剂工作温度高，但相应的压力较低，因而一次侧可在低压下运行； 3) 钠冷堆的功率密度高，采用快堆技术，金属冷却剂传热系数很高，堆芯最为紧凑； 4) PWR和BWR采用廉价轻水作为冷却剂和慢化剂，采用水作为冷却剂的SMR可充分利用现有LWR的技术。 SMR中有一种一体化反应堆技术，将核蒸汽供应系统大部分的设备部件均布置在反应堆压力容器的内部，这种技术具有独特的优势和发展潜力，被业内公认具有高安全性，当前的BWR核电站或BWR小型堆全部采用了一体化反应堆技术，先进PWR小型堆也普遍多采用一体化反应堆技术。这种技术早在德国核商船奥托–哈恩(Otto-Hahn)中已经成功应用并验证了其技术可行性。 气体冷却剂可供选择的主要有氦气和二氧化碳。液态金属冷却剂可供选择的是钠、铅、铅–铋。 反应堆所用冷却剂的选择是基于它们对反应堆的适用性，包括：中子核反应的相容性、传热特性、辐照特性、配套标准、运行可靠性、安全性、公共健康、安全保护等，最后才是经济竞争力。 Table 2 Category of SMRs (based on coolant 冷却剂 PWR 轻水 BWR 轻水 HTGR 氦气 HTGR 氦气 SFR 钠 LFR 铅 LFR 铅–铋 功率(MWt/MWe) 530/180 750/250 250/100 625/283 840/311 700/300 280/101.5 功率密度(kWt/L) 69 39.5 3.2 6.8 215 116 160 比功率(kWt/kg HM) 26.8 11.6 89.7 120 83.6 14.5 30.8 燃料形状 棒 棒 球床 棱柱石墨块 棒 棒 棒 燃料/包壳材料 UO 2 /Zr 4 UO 2 /Zr UO 2 /TRISO UCO/TRISO (U + Pu)/SS (U + Pu)N/SS UO 2 主系统进/出口温度(℃) 295/319 190/285 250/750 325/750 360C/499C 420/540 340/490 主系统运行压力(MPa) 14.2 6.9 7.0 6.0 0.1 0.1 0.1 二回路运行压力(MPa) 5.7 NA 13.3 16.7 14.7 18 6.7 热效率(%) 34 33.3 42 45 37 43 36.3 表2. SMRs类别(根据冷却剂分类) Table 3 Important physical parameters of coolan 冷却剂 水 PWR 水 BWR 氦气 钠 铅 铅–铋 (0.445Pb， 0.555Bi) 原子重量 18 18 4 23 207 208 1 atm融点(℃) 0 0 NA 98 327 124 1 atm沸点(℃) 100 100 −267 892 1737 1670 密度，r (kg/m 3 ) 704.9 754.7 3.54 880 10536 10180 比热容，cp (J/kg∙K) 5739 5235 5191 1272 147 146 热容，rcp (MJ/m 3 ∙K) 4.05 3.95 0.018 1.07 1.55 1.49 热导率，k (W/m∙K) 0.543 0.585 0.31 66 15 15 传热系数(×10 −4 )，h(W/m 2 ∙K) 3.80 1.90 0.65 18.1 2.81 2.75 动力粘度(×10 4 )，μ(kg/m∙s) 0.846 0.945 4.0 2.6 20 15 运动粘度(×10 7 )，ν = μ/r(m 2 /s) 1.20 1.26 1.13 2.95 1.91 1.47 热膨胀系数(×10 5 )，a(1/℃) 326 250 – 29 11 13 普朗特数，Pr 0.89 0.85 0.66 0.005 0.020 0.015 表3. 冷却剂重要物性参数 2.1. SMR功用 商业SMR的主要任务是发电，对于那些被设计成可部署到偏远地区的SMR核电机组，无论是放置在陆地上还是放在船舶上，都兼具淡水生产、供热或是热电联产功能。在水冷SMR中，俄罗斯的压水堆和沸水堆主要功能是热电联供；但俄罗斯的核动力破冰船中，KLT-40s反应堆或者RITM-200反应堆的主要用途是推进动力，同时兼具全船电力供应。 由于气冷反应堆可以提供很高的冷却剂温度(750℃甚至更高)，因而可以被应用于高温行业领域，如页岩油回收、高温热化学循环制氢等多种工业过程。 电解水制氢需要的温度范围为500℃~550℃，可以采用钠或铅冷却反应堆，也可以采用气冷反应堆。由于目前全世界对电解水的兴趣不断下降，SMR是否被用于电解水制氢有待进一步研究。 2.2. SMR运行可靠性 为满足运行的成熟安全可靠性，推荐SMR采用当前成熟的工程技术，如LWR技术路线，采用轻水作为冷却剂和慢化剂，使用在冷却剂温度和压力下运行的常规成熟系统和部件，运行参数的选择应在重要运行经验的参数范围内。水冷反应堆技术成熟，其设计和运行经验可以追溯到核能发电起步和大规模推进时代，在水冷SMR实现运行可靠性方面，需要注意的是采用一体化反应堆技术的设计方案，因为一体化反应堆将所有的NSSS系统部件和管道全部集中在单个压力容器内，尽管奥托–哈恩核商船成功在商业上运行了9年，但由于一体化反应堆的主要系统部件监测、维护和维修方面的可接近性有限，反而会降低运行可靠性，需要更多的运行经验积累。 钠冷堆的运行经验极为有限。目前，可供参考的钠冷堆运行经验主要有 [ 2 ]：1) 美国实验增殖反应堆EBR-II；2) 英国敦雷快堆DFR运行经验；3) 俄罗斯的BOR-60和BN-600快堆运行经验；4) 法国凤凰快堆经验。日本Monju快堆的运行经验有限，主要是由于钠泄漏事件事故教训。 铅–铋冷却的俄罗斯潜艇堆运行可靠，但却在1968发生重大事故，因此需要注意冷却剂的化学控制和冷冻预防，并严格控制冷却剂中氧的含量以防止氧化铅渣的形成。 氦气冷却反应堆，例如德国的实验反应堆AVR和THTR，以及美国的商业化圣维伦堡核电站，也有相关运行经验记录。 综上分析，可以得出结论，根据运行经验，水冷SMR在保证运行安全可靠性方面比其他类型的冷却剂具有显著的优势。在积累足够的示范电厂运行经验之前，非水冷反应堆的运行可靠性具有较大的不确定性风险。 生物后果源于 210 Bi的衰变，产生 210 Po。然后钋与铅进行反应结合成PbPo(s)。如果水进入主系统渗透屏障，同时蒸汽发生器管道泄漏，水将与PbPo(s)反应生成H 2 Po(g)，H 2 Po(g)会引起生物吸入问题(挥发性α气溶胶)。因此，铅铋冷却SVBR-100反应堆的设计人员必须足够重视俄罗斯的铅–铋堆潜艇运行经验，必须采取足够强的辐射安全保护措施。对于水冷反应堆，水化学措施通常包括硼、锂以硼酸和氢氧化锂形式进行腐蚀控制，尽管一些SMR，例如mPower反应堆设计已经消除了可溶性硼用于反应性控制的措施。中子活化 6 Li和 10 B会产生 3 T氚，尽管氚量很小，但如果摄入，就会造成很严重的生物危害。 职业接触危险的铅会导致放射性风险。偶然吸入氦气或BWR容器中使用的惰性氮气会造成窒息危险。更重要的是，锆包层化学反应和钠化学氧化反应存在潜在能量释放安全问题。 在所有的冷却剂中，氦气是惰性气体，其腐蚀电位最小，活化程度也最小。经验表明，与轻水反应堆相比，氦气在冷却剂中的活性非常低。铅或铅–铋对金属包层的侵蚀迫使铅或铅–铋冷却堆芯设计中冷却剂速度需要限制在3 m/s，而堆芯热工却要求提供足够大的冷却剂流量，以限制堆芯冷却剂的过高温升。因此，铅或铅–铋堆芯的燃料排列应采用大间距方形排列。然而，最近开发的复合材料可能会减轻这种尺寸限制。 液态金属冷却剂反应堆系统运行前提要求在钠、铅或铅–铋反应堆的管道和部件周围安装加热器，以防止在功率运行期间或衰变热运行期间热量不足以维持冷却剂温度时，导致冷却剂冻结。与钠(98℃)和铅–铋(125℃)的温度值相比，铅(327℃)的高冻结温度使铅在这方面作为反应堆冷却剂明显不利。然而，在这些高冻结温度下，铅和铅–铋共晶将在环境空气中凝固，这为密封一回路冷却剂边界的小泄漏提供了一种方法。另一方面，这些液态金属冷却剂的高沸点和伴随而来的低蒸汽压力允许反应堆在大气压下运行，而无需采用额外措施来维持高压。在低压下操作可以减少压力容器和其他主要压力边界部件的壁厚。然而，对于重铅冷却剂，必须仔细评估这些容器的尺寸，以满足抗震设计标准要求。 2.3. SMR经济性 大型水冷堆核电站的经济性是人们从多年的建设和运行经验中获取的。根据20世纪末反应堆示范装置的部署情况，钠冷堆的经济成本为水冷堆的110%~125%。与水冷堆经验相比，气冷堆的经验不足以对资本成本进行可比预测。因此，虽然普遍认为单个SMR机组的成本将远远低于采用相同冷却剂的大型核电机组成本，但与大型核电机组相比，SMR的整个资本成本可能更大。这里只能在大型核电机组经验的基础上，对采用各种冷却剂的SMR的成本进行比较。 衡量堆型机组经济性的指标是堆芯功率密度和比功率。堆芯的功率密度(kW/L)反映了堆芯容积功率水平，一般用于确定在预期的额定功率下所需的压力容器尺寸指标，除非反应堆容器的尺寸由堆芯功率密度以外的其他因素所决定。例如，SPRISM钠冷快堆反应堆压力容器的尺寸除了考虑功率密度外，还需要考虑外部衰变热相关系统和设备配套设施；BWR使用安全壳内抑压池进行压力抑制，BWR容器比PWR容器小得多。因此，功率密度是资本成本的相对指标。比功率(kW/kgIHM)反映了维持机组额定功率所需的初始重金属(IHM)或核燃料质量，比功率是衡量核燃料消耗成本的相对指标。 但是，并非所有的SMR都会采用相同或者相类似的核燃料或材料，表4中列出了不同冷却剂构成的反应堆功率密度值和比功率值相对水平，可进行不同类SMR的经济性对比。从表中数据可知，钠冷堆功率密度和比功率相对较高，可以获得相对较高的经济指标，即便钠冷堆需要相当昂贵的仪器和净化系统设施，同时需要加热装置维持钠处于液态，且核燃料富集度要比水冷堆高得多；氦冷堆的功率密度最低，说明氦冷堆需要设计较大的堆芯体积，这是气冷堆的固有缺陷。 Table 4 Comparison of average power density and specific power of SMR with different coolant PWR BWR 氦气 钠 铅 功率密度(kW/L) 100 51 6 280 110 比功率(kW/kgIHM) 38 27 100 60 45 表4. 采用不同冷却剂的SMR平均功率密度和比功率比较 此外，在进行全面的成本经济性分析和评价时，不仅仅要考虑上述因素，还应全面考虑：反应堆系统和设备的成本、所有的安全系统及安全相关的支持系统和设备的成本、蒸汽动力转换系统及设备的成本、运行操作人员的成本、维修和检查成本、核燃料的成本等，从而可以全面评估各类SMR电站设计的经济竞争力(以发电量的分/千瓦时计)。