全球能源格局正经历深刻变革，以应对气候变化和数据中心日益增长的能源需求。在此背景下，我们在上一篇文章中介绍了核能的发展历程，而未来的核能正迈向创新核能技术——小型模块化反应堆（Small Modular Reactor, SMR）。本篇文章将会详细介绍 SMR 的技术细节、运行优势、经济前景、以及其面临的潜在挑战。

小型模块化反应堆概述与核心理念

小型模块化反应堆（SMR）正日益受到政策制定者和行业参与者的广泛认可，被视为一项极具前景的核能技术 。SMR 不仅能有效补充风能和太阳能等间歇性可再生能源的波动性，还能深入传统大型核电难以触及的领域，如偏远地区供电、数据中心供电、以及工业用热、海水淡化和制氢等非发电应用 。这种多功能性和部署灵活性，使其成为未来综合能源系统中的关键组成部分，而非仅仅是大型核电的替代品。这表明 SMR 的价值主张远超单一的电力生产，具有更强的系统集成效益和市场拓展潜力。

SMR 的定义与关键特征

SMR 通常定义为电功率输出在 10 兆瓦电（MWe）至 300 兆瓦电（MWe）之间的核反应堆，部分概念甚至小至 1-10 MWe 。其名称”小型模块化反应堆（small modualr reactor）”中的三个词语精确概括了其核心特征：

• “小型” (Small)： 指其功率输出和物理尺寸均小于传统的吉瓦级核反应堆 。这种小型化设计使其能够适应更广泛的选址需求，包括工业区或现有基础设施受限的区域 。
• “模块化” (Modular)： SMR 设计强调模块化制造、工厂预制、可运输性及可扩展部署。这意味着反应堆组件可在工厂内批量生产，然后运输到现场进行快速组装，而非传统大型核电站的现场定制化建造模式 。
• “反应堆” (Reactor)： SMR 利用核裂变反应产生热量，可直接用于工业过程，或转化为电力 。

传统大型核电站的经济性主要依赖于“规模经济”（Economies of Scale），即单机容量越大，单位发电成本越低。然而，SMR 的设计理念明确指出其旨在通过“系列化经济”（Economies of Series）来降低成本 。

这意味着通过标准化设计、工厂批量生产和模块化组装，可以实现生产线的效率提升和学习曲线效应，从而降低单个模块的制造成本和建设周期。这种经济模式的根本性转变，不仅影响了成本结构，也改变了核电项目的融资模式和风险分布。工厂化生产降低了现场施工风险和工期不确定性，使得投资回报更可预测，从而可能吸引更广泛的投资者。这是 SMR 在经济上区别于传统核电的根本性优势。

SMR 的安全性

SMR 的设计哲学深受三哩岛（1979 年）和福岛第一核电站（2011 年）事故的经验教训影响 。从传统反应堆的“固有安全”（Inherently Safe）概念演变为更广泛的“非能动安全”（Passively Safe）设计，旨在通过物理定律（如重力、自然循环、热膨胀）而非外部电源或操作员干预来确保事故情况下的安全停堆和余热排出 。

许多 SMR 设计采用一体化设计（integral designs），将反应堆堆芯、蒸汽发生器和冷却剂泵等主要部件集成在一个压力容器内，减少了外部管道和连接，从而降低了事故发生的可能性并增强了系统的鲁棒性 。而其小堆芯存量的设计特点使其可以使用被动冷却方法，无需外部冷源（如冷却塔或海水），使其反应堆因外部冷源失效而融毁的可能大幅减少。比如，福岛第一核电站依赖泵入海水从而冷却其反应堆，但在地震和海啸的冲击下，其电动水泵和备用柴油水泵均失效，因此引发了 1-3 号机堆芯融毁，而采用被动冷却的 SMR 在这种情况下则很难出现融毁的情况。同时，小堆芯存量有助于大幅减小应急规划区（emergency planning zones）的范围，可以增加选址灵活性和公众接受度 。

SMR 强调固有安全和非能动安全，这不仅是技术上的进步，更是为了提高公众对核能的信任度。历史上的核事故严重损害了公众信心。SMR 通过被动冷却将安全特性融入设计本身，减少对人为干预和外部系统的依赖 。安全性的提升不再仅仅是合规要求，它成为 SMR 商业成功和大规模部署的先决条件。通过降低事故概率和减轻事故后果，SMR 降低了潜在的经济损失和声誉风险，从而使其成为更具吸引力的投资选项。

模块化制造与系列化经济效益

SMR 的设计允许在工厂进行大规模预制和模块化生产，这与传统核电站的现场定制化建造形成鲜明对比 。这种生产模式有望通过“系列化经济”效应显著降低单位成本，缩短建设周期，并减少项目风险和资本支出 。例如，GE Hitachi 的 BWRX-300 设计目标是将其每兆瓦资本成本比传统反应堆降低 60% 。模块化还带来了运输和组装的便利性，以及按需逐步增加容量的灵活性，这在电网容量规划和投资方面提供了更大的弹性 。

SMR 在绝对资本支出（CAPEX）上低于大型核电站，但每兆瓦的 CAPEX 可能高于大型核电站（例如，300 MWe 的 SMR 在绝对资本支出上比大型核电站低 52%，但在每兆瓦资本支出上高 62%） 。这看似矛盾，但关键在于 SMR 的成本优势并非来自单体规模，而是来自“系列化生产”带来的学习曲线效应和生产效率提升。随着生产数量的增加，单位成本将随时间推移而降低 。这表明 SMR 的经济竞争力将随着其大规模部署而逐步显现。早期项目可能成本较高，但随着供应链的成熟和生产技术的优化，长期来看其成本优势将愈发明显。这要求政府和行业在初期提供支持，以培育市场和供应链。

SMR 技术细节与反应堆类型

SMR 概念涵盖了广泛的技术方法和不同的成熟度水平 。主要包括基于现有技术的改进型和基于第四代反应堆概念的先进设计 。这种技术多样性使得 SMR 能够适应不同的应用场景和市场需求。例如，高温气冷堆因其高温特性更适合工业供热和制氢，而水冷堆则更接近传统技术，在电力生产方面具有更快的部署潜力 。这种多样性也带来了监管和标准化上的挑战，因为每种技术路线都有其独特的安全特性和运行参数，需要定制化的评估和许可框架。然而，从市场角度看，这种多样性是 SMR 适应未来复杂能源系统需求的关键优势。

主要反应堆技术路线

SMR 设计采用多种冷却剂和燃料类型，以适应不同的应用场景和性能要求。

水冷堆 (Water-cooled Reactors)：

技术描述： 水冷堆 SMR 是目前技术最成熟的 SMR 概念。它们通常基于传统的压水堆（PWR）或沸水堆（BWR）技术，但进行了显著的简化和安全增强。许多水冷 SMR 采用一体化压水堆 (iPWR - Integral Pressurized Water Reactor) 设计，将反应堆堆芯、蒸汽发生器和冷却剂泵等主要部件集成在一个压力容器内 。它们利用轻水作为冷却剂和慢化剂，燃料通常为低浓铀。  

核心安全特性： 水冷 SMR 强调非能动安全特性，通过重力、自然循环和热膨胀等物理定律来确保事故情况下的安全停堆和余热排出，无需外部电源或操作员干预。例如，NuScale VOYGR 设计将反应堆模块浸没在一个大型水池中，该水池在事故发生时可作为最终热沉，提供无限期的余热排出能力。GE Hitachi 的 BWRX-300 也采用自然循环和非能动冷却，可在无外部电源或操作员干预的情况下安全运行七天 。  

优势：

• 技术成熟度高： 基于现有成熟的轻水堆技术，降低了研发和许可风险。
• 增强的安全性： 小堆芯、大水量存量和低功率密度使其能够受益于更强的非能动安全特性，提供更长的事故应对时间。
• 换料周期长： 通常具有更长的换料周期，有助于降低运营成本 。  

劣势：

• 热效率相对较低： 相比高温反应堆，水冷堆的运行温度相对较低，限制了其热力循环效率（最高约 33.5%） 。  
• 潜在风险： 尽管有安全改进，但作为水冷堆，仍需考虑潜在的辐射泄漏和蒸汽爆炸风险（这是所有压水堆的普遍问题，而非 SMR 特有）。

气冷堆 (Gas-cooled Reactors)：

技术描述： 主要指高温气冷堆 (HTGR - High-Temperature Gas-cooled Reactor)。这类反应堆使用氦气作为冷却剂，石墨作为慢化剂，并采用 TRISO (Tristructural-Isotropic) 包裹燃料颗粒。TRISO 燃料具有多层涂层，能够有效包容裂变产物，即使在极端高温下也能保持完整性。HTGR 的堆芯出口温度非常高，通常在 700°C 到 950°C 之间。

核心安全特性： HTGR 以其固有安全特性而闻名。TRISO 燃料的坚固性、石墨慢化剂的大热惯性以及低功率密度，使得反应堆在失去冷却能力时，余热能够通过自然耗散方式排出，燃料不会熔化，也无需主动安全系统或外部电源来防止严重事故。这大大降低了放射性释放的可能性，甚至可能重新评估场外疏散计划的监管要求。

优势：

• 高热效率： 高出口温度使得 HTGR 能够实现更高的热力循环效率（在 700°C 初始氦气温度下，氦气布雷顿循环与蒸汽朗肯循环的二元循环效率可达 44.3%，在 1000°C 下可达 52.9%） 。  
• 非电力应用潜力： 高温特性使其非常适合工业供热（如石化、化肥生产、油砂开采、煤和生物质液化）和高效制氢等非电力应用，因为大部分能量可以直接来自热能而非电力转换。
• 固有安全性： 燃料不会熔化，无需主动安全系统，降低了事故风险。
• 模块化与可扩展性： 设计模块化，可根据任务需求选择机组尺寸和数量。

劣势：

• 材料挑战： 高温运行对燃料、冷却剂和结构材料的选择提出了更高要求，需要高强度抗蠕变镍基合金、石墨和陶瓷等先进材料，增加了研发难度。
• 经济性待验证： 尽管有潜在优势，但其经济竞争力仍需实际示范来验证。

液态金属堆 (Liquid Metal Reactors)：

技术描述： 主要包括钠冷快堆 (SFR - Sodium-cooled Fast Reactor) 和 铅冷快堆 (LFR - Lead-cooled Fast Reactor)。这些反应堆使用液态钠或液态铅 / 铅铋合金作为冷却剂，并在快中子谱下运行。它们通常具有较高的运行温度（LFR 堆芯出口温度范围 480-540°C），能够实现更高的热力循环效率。燃料通常为铀和钚的混合氧化物燃料（MOX）或氮化物。

核心安全特性： 液态金属冷却剂具有高沸点（铅可达 1743°C），与水和空气的相互作用温和。铅冷却剂在泄漏时会凝固，有助于维持冷却剂液位，提供被动安全特性。快堆设计能够促进燃料在堆芯降解时分散而非压实，从而最大限度地降低再临界风险。

优势：

• 燃料循环闭合： 能够实现燃料循环闭合，燃烧超铀锕系元素，从而提高燃料利用效率，并有助于减少放射性废物的数量和活性。
• 高热效率： 相比传统轻水堆，更高的出口温度允许更高的热效率和更广泛的核热应用范围。
• 冷却剂特性： 铅具有良好的中子学和辐射屏蔽特性，且与水和空气不反应。
• 经济性： 通过简化设计和在常压下运行，有望降低资本和建设成本。

劣势：

• 高熔点： 铅的高熔点（327°C）要求主冷却剂系统必须保持在一定温度以上，以防止冷却剂凝固。
• 不透明性： 铅的不透明性以及高熔点给在役检查、维修和堆内组件监测带来了挑战。
• 腐蚀问题： 高温下铅与结构钢接触时易发生腐蚀，需要仔细选择材料和涂层，并持续控制冷却剂化学性质。

熔盐堆 (MSR - Molten Salt Reactor)：

技术描述： 熔盐堆使用熔融氟化物盐作为主冷却剂，通常在低压下运行。某些设计中，燃料（如低浓铀氟化物）直接溶解在熔盐中，使熔盐同时作为冷却剂和燃料载体。MSR 通常在较高温度下运行（约 700°C，甚至更高），并将热量传递给二级盐回路，再用于蒸汽或工艺热。

核心安全特性： MSR 具有增强的安全性，低操作压力可以降低发生大破口和冷却剂丧失事故的风险。某些设计能提供独特的裂变链反应被动减速能力 。裂变产物溶解在燃料盐中，并可理想地通过在线后处理回路连续移除，从而减少停堆后的衰变热。  

优势：

• 高效率： 高操作温度带来更高的发电效率 。  
• 低压运行： 低操作压力降低了事故风险，增强了安全性。
• 燃料循环灵活性： 能够适应多种核燃料循环（如铀 - 钚循环和钍 - 铀循环），从而延长燃料资源寿命 。  
• 废物“燃烧器”或增殖器： 可以设计为核废物的“燃烧器”（消耗现有核废料）或增殖器（生产新燃料） 。  
• 高燃耗： 裂变产物的持续移除意味着可以实现更高的燃料燃耗。
• 无固体燃料制造 / 处理： 某些设计不需要固体燃料，消除了制造和处置固体燃料的需求。
• 被动冷却： 具有被动冷却能力，无论尺寸大小都能保持高安全性。

劣势：

• 材料腐蚀： 熔盐在高温下对结构材料的腐蚀是一个主要挑战，需要持续的研发来解决材料相关问题 。  
• 放射性冷却剂回路： 放射性主冷却剂回路给裂变产物移除的后处理设施带来了挑战。
• 增殖堆设计复杂： 增殖堆需要更复杂的双流体设计。
• 技术成熟度： 尽管前景广阔，但 MSR 技术仍处于早期开发阶段，需要进一步评估安全特性、开发堆芯设计方法和经济模型 。  

主要 SMR 反应堆技术路线对比：

SMR 优势

SMR 在运行灵活性方面优于大型核电站，其小功率输出意味着 SMR 机组可以支持电力需求不大的小型电网，或通过替换老化的化石燃料电厂来增强大型电网 。甚至可以与科技公司达成协议，专门为为数据中心供电。

运行灵活性与负荷跟踪能力

SMR 能够以负荷跟踪模式运行，响应电网需求变化，这对于整合间歇性可再生能源至关重要 。一些设计甚至能通过非能动控制实现频率调节，而不会超出燃料热力学安全标准 。

与可再生能源的互补性

SMR 可以有效补充风能和太阳能等间歇性可再生能源的波动性，提供稳定的基荷电力和调峰能力，从而构建集成且低碳的能源系统 。通过与可再生能源结合，SMR 有助于提高电网的稳定性和韧性，例如在微电网中提供频率控制 。

分布式部署与选址优势

SMR 的物理尺寸较小，资本投资相对较低，使其能够部署在大型核电站无法选址的地点，例如工业区、偏远地区或现有基础设施受限的区域 。其较低的热输出和较小的源项（source term，指放射性物质的潜在释放量）扩大了选址范围，可以更靠近电力用户或与供热过程共址，并减少对冷却水量的需求 。SMR 甚至可以设计为浮动平台，为孤立岛屿提供能源或海水淡化服务，极大地拓展了其应用场景 。

非电力应用：供热、海水淡化与制氢

SMR 的应用范围远超单一的电力生产，其产生的热量可用于多种非电力应用，包括区域供热、海水淡化和工业制氢 。例如，SMR 用于直接空气碳捕获（DACC）应用时，其可用能源利用率可从 32% 显著提升至 85%，极大提高了热能的利用效率，这对于工业深度脱碳具有重要意义 。

传统核电主要被视为基荷电源。SMR 的尺寸和模块化特性使其能够提供电力以外的多种服务，如工业热、制氢、海水淡化。这种多功能性不仅扩大了 SMR 的市场，也使其能够更好地与可再生能源集成，通过提供辅助服务（如频率控制）来稳定电网 。此外，SMR 在 DACC 应用中的高热能利用率表明其在工业脱碳领域具有巨大潜力 。SMR 的这种多功能性使其能够从“单一产品提供者”转变为“综合能源解决方案提供者”，从而在未来的能源市场中占据更有利的竞争地位，并为实现深度脱碳提供独特的工具。

SMR 的经济性与市场前景

SMR 通过模块化制造和系列化生产，旨在降低建设成本和项目风险 。虽然单个 SMR 模块的每兆瓦资本支出可能高于大型核电站，但其绝对资本支出较低，且随着批量生产，单位成本将随时间降低 。运营方面，SMR 的自动化程度更高，所需人员更少，且换料周期更长，有助于降低运营成本和减少人为错误 。模拟结果表明，SMR 机组在参与批发电力市场时通常能获得正向的财务收益，并有望显著降低终端消费者的电力成本（高达 21%） 。

核能机构（NEA）估计，到 2035 年，全球 SMR 市场可能达到 21 吉瓦 。麦肯锡公司（McKinsey & Company）预测，到 2050 年，SMR 的年建设速度可能达到 50 至 150 吉瓦，这意味着未来三十年内将新增高达 375 吉瓦的装机容量 。

SMR 的市场预测显示出巨大的增长潜力，这主要由全球脱碳目标和 SMR 的独特优势（如灵活性、分布式部署）驱动 。然而，这些预测的实现仍受制于多重因素，包括成功的许可审批、供应链成熟度以及政府支持和国际合作框架的有效性 。这意味着 SMR 的市场前景虽然光明，但其大规模部署并非必然，而是高度依赖于政策、监管和产业生态系统的协同发展。政府在早期阶段的投入（如美国能源部的研发支持）对于降低技术和许可风险至关重要 。

美国 SMR 政策支持

行政命令加速 SMR 部署：2025 年 8 月，特朗普政府发布行政命令，要求在联邦地点加速小型模块化反应堆的部署，旨在推动商业化应用。这些命令特别强调利用联邦设施（如爱达荷国家实验室）进行测试和建设，以减少监管障碍并加快核能项目进展。

NRC 里程碑式许可：2025 年 8 月，美国核监管委员会（NRC）批准了首个 SMR 建设许可，用于田纳西州 Clinch River 的 BWRX-300 反应堆。这是美国核电建设周期的新起点，标志着 SMR 监管框架的成熟和项目从政策到实施的转变。

立法支持：2024 年 7 月，美国参众两院通过《ADVANCE 法案》，为新型核电技术（包括 SMR）的商业化铺平道路。该法案简化了监管流程，鼓励大规模核电项目及 SMR 的开发。

技术与资金支持：美国能源部通过先进核反应堆示范项目（ARDP）为 SMR 提供大量资金支持，NuScale 等公司已取得显著进展，例如其设计认证于 2020 年通过 NRC 审核。此外，2024 年 12 月，美国贸易发展署资助保加利亚进行 SMR 技术预可行性研究，显示美国在国际合作中推广 SMR 技术。

SMR 的潜在挑战

潜在安全问题

小型模块化反应堆（SMR）因其分布式部署和较小的发电规模，在安全方面面临独特的潜在挑战。首先，根据美国法律，核电站必须配备武装保安以应对潜在的恐怖袭击威胁。然而，SMR 的广泛分布特性意味着需要覆盖更多地点，这可能导致保安力量分散或人手不足，特别是在偏远地区或资源有限的情况下，增加了恐怖袭击的风险。

其次，SMR 采用高度集成的模块化设计，虽然提高了效率和建设便捷性，但这种设计也带来了潜在的安全隐患。如果某一关键部件出现故障，可能导致整个系统的安全措施失效，进而引发事故风险。并且由于 SMR 的数量远多于传统大型核电站，整体运行中出现故障的概率也随之增加。

放射性废物管理

放射性废物管理是核能发展面临的长期挑战。SMR 的堆芯较小，通常产生的放射性废物量也较少，且换料周期更长 。然而，部分先进模块化反应堆使用新型燃料，其乏燃料的特性可能“知之甚少甚至完全未知”，这为长期安全管理带来了新的问题 。有研究指出，与大型轻水堆相比，SMR 和先进模块化反应堆可能会增加中低水平废物和乏燃料的体积和复杂性，从而增加退役、储存、包装和处置的负担和成本 。也有研究认为，某些 SMR 类型（如轻水堆、金属燃料钠冷快堆、TRISO 燃料高温气冷堆）的废物管理没有“重大挑战” 。

关于 SMR 废物管理，研究材料呈现出矛盾的信息：一方面，SMR 堆芯小、换料周期长似乎暗示废物量减少；另一方面，有报告指出新型燃料和设计可能增加废物复杂性和成本 。这种矛盾表明，废物管理并非 SMR 的统一特性，而是高度依赖于具体的反应堆设计和所使用的燃料类型。这种设计依赖性意味着在推广 SMR 时，需要对每种具体设计进行独立的、全面的废物特性评估。对于使用新型燃料的 SMR，其乏燃料的长期行为和处置方案仍需大量研究和验证。这可能成为某些 SMR 设计商业化部署的潜在瓶颈，并影响公众接受度。

同时，与传统核电站相比，SMR 的放射性废物管理与运输面临更大的挑战。由于 SMR 数量较多且分布更广，产生的放射性废物可能分布在多个地点，增加了废物收集、运输和安全处置的复杂性。

来自其他新能源的竞争

SMR 在未来能源市场中可能将面临来自其他新能源的激烈竞争，特别是风能和太阳能与电网储能的组合。尽管风能和太阳能发电具有间歇性和不稳定性，但随着电网级储能技术的快速发展及其成本的持续下降，这一缺陷正逐渐被弥补。以锂电池为例，自 2013 年至 2024 年，其价格已下降 86%，尽管近年来降幅有所放缓，但 2023 至 2024 年间仍下跌了近 20%。这种成本趋势使得风能和太阳能与电网储能的组合在经济性上日益具有吸引力。

相比之下，SMR 预计最早于 2030 年才能开始大规模部署，届时其建设和运营成本可能难以与成熟、价格低廉的风能、太阳能 + 储能组合相竞争。此外，风能、太阳能 + 储能组合的部署周期更短、成本下降和技术快速迭代，且无需处理核能涉及的放射性废物管理和严格监管问题。

结论

SMR 作为一种颠覆性的核能技术，在安全、经济、灵活性和多功能性方面展现出较大潜力 。它们有望成为未来低碳能源系统的重要组成部分，支持 AI 数据中心极速增长的电力需求 。尽管仍有潜在的缺陷，SMR 在实现全球脱碳目标、满足激增的电力需要、提升电网韧性以及满足多样化能源需求（如工业供热、制氢）方面仍具有较大的作用 。

在本系列下一章中，我们将探索 SMR 的领先公司和一些参考标的。