3.2 发展阶段——20 世纪90 年代

由于先进小型压水堆在安全性和灵活性上的优势，进入90 年代后，有多个国家和国际组织开展了小型压水堆的研发。这些先进小型压水堆的一般特征是：①电功率输出在300 MW 以下；②主回路一体化结构；③大量采用非能动安全设计；④大部分主回路部件能在工厂同时完成制造和安装，无特殊运输要求。

DOE 在2001 年向美国国会提交了小型模块化反应堆（SMR）报告，总结了90 年代以来各国发展小型模块化反应堆的状况，阐述了这种新型反应堆在安全审核与监管上可能带来的问题和挑战[10]。除此之外，该报告还提交了一份对边远地区（夏威夷和阿拉斯加）建造小型核电厂的可行性分析，比较了小型核电厂千瓦时输出成本和当地其他电力提供方式的市场价格，结论认为50MW 级小型核电厂在以上地区有一定的竞争力，建议国会继续保持对先进小型反应堆，特别是对小型压水堆研究项目的支持。

3.3 成熟阶段——21 世纪

进入21 世纪后，美国凭借在AP600 和AP1000 研发和安全评审过程中积累的经验，特别是针对AP600 的一系列综合测试结果和分析，对非能动安全系统的瞬态特性和设计原则有了很深刻的认识。多种先进小型压水堆方案开始从概念阶段走向全面工程设计和安全评估阶段。表1 列出了DOE 支持的国际革新安全反应堆（IRIS）项目和2011 年竞标DOE 先进小型压水堆计划的两种设计和一些技术指标。这3 种先进小型压水堆都采用了一体化压水堆方案，模块化设计，单堆热输出功率135~1000 MW。

3.3.1 IRIS

IRIS 项目从1999 年开始，是由美国西屋公司设计，多国参与的先进压水堆研究项目。它是最早进入全面工程设计和安全评估的先进小型压水堆设计，之后其他的先进小型压水堆方案大多都参考了IRIS 设计原则和安全评估方法。IRIS 的一些设计方案基本成为了现有先进小型压水堆的设计标准。

IRIS 的主要设计理念是：在反应堆运行上采用现有成熟技术（普通5% UO2 燃料、标准17×17燃料组件、传统控制棒驱动机构等），在安全设计上大量采用非能动设计。IRIS 大规模使用了“设计安全”的概念，通过设计优化从根本上消除或尽可能降低对反应堆安全构成威胁的事故工况。

由于使用了主回路一体化设计，排除了设计基准事件中最严重的大破口事故。在小破口事故的应对策略上，AP600 和AP1000 主要依靠自动卸压系统（ADS）泄压和DVI 注水，通过传质交换达到堆芯冷却。这种“失水-注水”的策略与第二代压水堆没有本质区别，只不过在“注水”上采用了非能动原理；而IRIS 抛弃了“失水-注水”的被动策略，采用了“减小失水”的设计安全原则。IRIS 依靠加大压力容器储水量和使用蒸汽发生器参与自然循环来减少主回路冷却剂损失以防止堆芯裸露。

在安全壳冷却上，IRIS 采用了多种方式实现安全壳压力控制和最终热阱。IRIS 采用了类似沸水堆的紧凑型压力壳和安全壳自动泄压系统（PPS）。IRIS 的球状压力壳的耐压能力是大型压水堆干式压力壳的3 倍以上，而PPS 可以在破口事故初期大大降低安全壳的峰值压力。由于蒸汽发生器是非能动堆芯冷却系统的一部分，蒸汽发生器热阱——换料水箱布置在安全壳外，因此在长期冷却的过程中可以通过蒸汽发生器把安全壳内能量有效地传到壳外热阱。

核电厂安全的根本目标是减少放射性物质的释放，降低反应堆对公众和工作人员健康的负面影响。反应堆内放射性物质的总量和电厂输出功率基本成正比关系；电厂的输出功率越大，所需中子裂变的数量就越多，产生的放射性物质也就越多。随之而来的安全标准，比如电厂屏蔽的要求，厂区和应急计划区（EPZ）的大小都由放射性物质总量决定。IRIS 较小的输出功率和所采用的“设计安全”大大降低了堆芯融毁几率和放射性物质释放几率，因此IRIS 可以有效地减少电厂对周围环境的影响，减小EPZ，提高核电厂综合安全水平。跟大型压水反应堆相比，IRIS 组件小、管道少、整体结构紧凑，具有先天的抗震优势。而且IRIS 采用了半埋式安全壳，上层建筑矮小，进一步提高了电厂的整体抗撞和抗震性能。

3.3.2 NuScale

NuScale 是由原美国俄勒冈州立大学Reyes 等人在进行DOE多用途小型压水堆（MASLWR）研究项目中提出的一种新型模块化压水堆[11]。该项目2007 年结束后，研究人员获得了风险投资基金的支持，成立了NuScale 公司，继续完成其工程设计和安全分析。

NuScale 最大的特点是全自然循环运行和深度模块化。该设计保留了IRIS 一体化主回路，耐压安全壳和自然循环冷却等特征。NuScale 没有主泵，完全依靠堆芯-蒸汽发生器温度差形成的自然循环作为一回路冷却剂驱动方式。另外，NuScale 的整个耐压金属安全壳都浸没在水中。在发生破口事故时，这些水既可冷却安全壳，又可通过蒸汽发生器作为反应堆热阱。NuScale 最大的革新在于把非能动原理的应用从反应堆安全系统推广到反应堆运行系统，简化了主回路和反应堆应急冷却系统，降低了单堆建造成本。

除此之外，NuScale 的厂房采用了深度模块化设计，每个电厂可容纳6~12 个单堆，很多设备可以在6 机组或12 机组中共享。由于压力容器外径只有2.7 m，长度13.7 m，整个压力容器和堆内组件（包括蒸汽发生器、稳压器、堆芯构件和控制棒机构）都可以在工厂完成制造和组装，并通过灵活的交通运输方式（海运、河运、一般民用公路和铁路）运到电厂，进行下一步的安装和调试。这种深度模块化设计可以大大减少新机组在电厂的安装和调试时间，缩短了电厂建造工期；另一方面，电厂可根据实际需要逐步增加机组数量，甚至可以做到“安装、运行、发电”同步进行。这种模块化建造和运行方式有效地增加电厂规划的灵活性，提高资金的使用效率。

4 结束语

先进小型压水堆是优化核电厂安全性、经济性和灵活性的结果，主要面对非主干网电力系统，可以比较经济和高效地替代中、小型火电机组。现有的几种先进小型压水堆设计方案普遍采用模块化和一体化设计，并大量使用非能动安全系统。这些特点有效地提高了反应堆的安全性和经济性。先进小型压水堆突出的灵活性既可作为现有核电大国电厂分布和更新的有力补充，又对今后以发展中国家为主的国际核能市场提供了新的解决方案。本文讨论了小型压水堆的概念、优势、发展历史及目前状况，重点介绍了目前美国两种主要小型压水堆的设计理念，意在为国内核能行业人士提供及时的核电科技信息，并推动我国在先进小型压水堆科研项目上的进一步探讨。

（本文文字版权属于《核动力工程》）