SMR概念、原理、構成及產業鏈梳理

SMR 是模塊化、更小、更便于部署的核反應堆。

SMR（Small Modular Reactor， 小型模塊化反應堆）是核能技術的一種新型發展，SMR 是核電站的一種類型，但與傳統 的核電站有明顯的不同。SMR 是一種小型、模塊化的核反應堆，其設計目的是提供較小 規模的電力輸出，并且在建造時采用模塊化組件，便于工廠化生產和運輸，通常 SMR 的 輸出功率相比傳統的大型核反應堆更小。在 AIDC 出現之前 SMR 常應用于遠離電網的偏 遠地區、小島嶼、軍事基地，或者作為工業用電的補充來源。

SMR 的原理——與大型核反應堆基本相同，還是通過核裂變反應產生熱能形成蒸汽，進 而驅動發電機發電。（1）核裂變反應：與傳統核電站一樣，SMR 的核心是核反應堆，通 過核裂變反應產生熱量，反應堆中的鈾-235 等可裂變材料（如鈾或钚）吸收中子后發生 裂變，裂變過程會釋放出大量的熱能和中子；（2）熱交換和蒸汽產生：反應堆中的裂變 反應產生的熱量可以用來加熱冷卻劑，冷卻劑在核反應堆內流動，將熱量帶走，并傳遞 到蒸汽發生器或直接通過熱交換器將熱量傳遞給水，形成蒸汽；（3）蒸汽驅動發電機： 產生的蒸汽被導入渦輪機，通過渦輪機的轉動來驅動發電機，發電機再將機械能轉換為 電能，供給電網或用戶；（4）冷卻系統和安全機制：SMR 通常采用天然循環冷卻系統或 被動安全系統，利用自然的物理過程（如熱對流）來保持反應堆冷卻，從而減少對外部 電力和設備的依賴，這些系統可在出現故障時自動關閉反應堆并降溫。

SMR 的構成——通常包括多個模塊，采用標準化的組件，可以快速組裝和部署。（1）反 應堆核心：包含核燃料、發生核裂變、產生大量熱能；（2）冷卻系統：通過循環冷卻劑 將熱量從反應堆核心帶走，冷卻劑可以是液態金屬（如鈉）、氣體（如二氧化碳或氦氣）、 或者水，一些 SMR 設計采用自然對流或被動安全系統，不依賴外部動力來保持冷卻，增 強了系統的安全性；（3）蒸汽發生器：將熱交換后的冷卻劑傳遞給水，從而產生蒸汽， 蒸汽導入渦輪機，驅動發電；（4）渦輪機和發電機：將機械能轉換為電能；（5）控制系 統：SMR 采用數字化控制系統，部分還引入 AI 技術；（6）安全系統：采用被動安全系 統，即在無外部電源或操作員干預的情況下，系統能夠自動冷卻反應堆，常見的設計包 括自然對流冷卻、蓄熱裝置等，這些設計能在出現緊急情況時，通過物理原理（如熱對 流或重力）維持反應堆的安全；（7）核廢料處理系統：存儲或處理核廢料和放射性物質。

目前小型模塊化反應堆 SMR 主要有幾種不同的技術路線，最主流的是輕水反應堆 （LWR-SMR），因為技術基礎成熟，容易獲得監管批準。截至 2021 年，全球各國提出 70 多種不同的 SMR 核電方案，包括壓水堆方案、氦氣冷堆方案（HTGR）、高溫氣冷實 踐堆方案、鈉冷快中子堆方案（SFR），這些方案中約有一半是輕水堆反應，是從第二代 核電技術演變而來，技術承接性較高，能快速商業化。但是由于 2011 年福島核電站問 題，關于核電的科技樹選擇變得更為復雜，對輕水堆的安全擔憂更加突出，更安全的非 輕水堆方案受到青睞，高溫氣冷堆方案也逐步流行： 輕水反應堆（LWR-SMR）：基于成熟的輕水冷卻技術，如 NuScale 的設計，最主流 且靠近商業化； 高溫氣冷反應堆（HTGR）：使用惰性氣體（如氦氣）冷卻，適用于高溫工藝熱需求， 如國內的華能高溫氣冷堆； 液態金屬冷卻反應堆（如鈉冷堆）：如 TerraPower 開發的 Natrium 反應堆，具有高 效散熱能力； 熔鹽反應堆（MSR）：使用高溫熔巖作為冷卻劑，靈活性高但技術尚未成熟； 快中子反應堆（FNR）：利用快中子高效率裂變燃料，如俄羅斯 BREST 堆型。

SMR 核電產業鏈涵蓋了從上游燃料鈾礦、中游研發建造、下游運營與廢料處理的各個環節。 相對而言，上游設計與制造對專業性和技術壁壘有較高門檻，因此上游廠商議價權較高，下 游運維環節由于運營周期長且穩定，能夠帶來長期的現金流，也是利潤較厚的環節，中游項 目建設環節利潤空間受制于施工成本、項目周期和工程風險等因素，利潤率相對不如上游或 下游穩定。

【上游：原材料與加工】 上游產業鏈主要涉及核能開發所需的基本原材料、關鍵設備和核燃料的供應，主要包含鈾礦 開采與鈾濃縮。（1）鈾礦開采和鈾加工。鈾礦開采：全球的鈾供應市場高度集中，美國的鈾礦主要依賴進口，全球鈾礦主要由哈薩克 斯坦、加拿大和澳大利亞三國主導。 主要鈾礦開采國家及在當地進行開采的典型公司：哈薩克斯坦 Kazatomprom、加拿大Cameco 和 Orano（前 Areva，法國公司但在全球開采鈾礦）和 Denison Mines、澳大利亞 BHP（必和 必拓）和 Rio Tinto（力拓集團）、俄羅斯 Rosatom 等。此外，美國本土也有部分鈾礦公司， 如 Energy Fuels（NYSE：UUUU）、Uranium Energy（NYSE：UEC）等。

鈾加工：鈾濃縮技術對安全性、成本和技術要求非常高，因此主要由幾家跨國公司主導。天 然鈾主要由鈾-235 和鈾-238 組成，當中子與鈾-235 碰撞時，會通過裂變反應釋放出巨大的 能量，而鈾-238 的裂變性比鈾-235 小，天然鈾中僅含有約 0.7%的鈾-235，因此需要同位素 分離（鈾濃縮）將其含量提高到 3%至 5%，以用作輕水反應堆的燃料。濃縮方法包括氣體擴 散法、激光濃縮法和離心法。 *離心法原理：將氣態鈾化合物六氟化鈾送入離心機快速旋轉的轉子中，分離出 U-235 和 U238，較重的同位素 U-238 被向外推，而較輕的同位素 U-235 則聚集在轉子中心。U-235 濃 度較高的氣體被抽出并送入另一臺離心機，重復此過程數次可產生 U-235 含量更高的鈾。 主要鈾濃縮公司：Centrus Energy（NYSE：LEU，美國，主導全球市場）、Orano（法國，同 時布局開采與加工）、Rosatom（俄羅斯）、Urenco（歐洲）。

（2）核燃料組件制造。SMR 反應堆使用的燃料包括鈾燃料棒、燃料元件和控制棒等，組件必須符合特定的標準以 確保反應堆的安全和高效運行。 參與者：如 Westinghouse、Orano 等，提供核燃料組件和技術支持。

（3）反應堆組件制造。反應堆組件是 SMR 的重要組成部分，包括反應堆壓力容器、冷卻系統、控制系統、堆芯和其 他相關設施，這些組件需要高度的耐輻射性、抗高溫性能以及可靠性。由于 SMR 的模塊化設 計，反應堆組件通常在工廠進行大規模制造，再運輸到現場進行快速組裝，減少了現場建設 時間。 參與者：如 NuScale Power、Rolls-Royce 等。

【中游：設計、研發與建造】（1）SMR 設計與研發。設計與研發：設計公司負責 SMR 反應堆的技術開發、設計標準化工作，SMR 的研發通常包 括核反應堆的結構設計、冷卻系統設計、控制系統的集成等，設計研發公司與政府部門、監 管機構緊密合作，確保設計符合核安全標準。 參與者：SMR 設計與研發公司如 NuScale Power、OKLO、TerraPower、Rolls-Royce 等；政 府機構如美國能源部（DOE），提供資金支持并對 SMR 的設計進行監管與驗證。

（2）反應堆建造與安裝。SMR 的模塊化設計允許大部分組件在工廠預制，然后運輸到現場進行快速安裝。建造階段 相較于傳統核電站更為簡便，因為 SMR 的規模較小、模塊化程度高，可以在不需要大規模建 設的情況下投入運行，比如建造公司負責將 SMR 反應堆的各個模塊組裝成一個完整的核電 站，完成現場安裝，工廠預制的組件將大大縮短現場建設周期。 參與者：建設公司如 Bechtel、Fluor 等，負責 SMR 電站的建設與組裝。

【下游：運營、銷售與廢料處理】

（1）SMR 核電站運營。運營商負責電站的長期管理、維護、監控反應堆運行，并確保反應堆處于安全狀態。SMR 核 電站其運營管理的復雜度較傳統核電站更低，此外運營商還負責 SMR 系統的定期維護，包括 燃料更換、設備檢查和技術升級等。 參與者：如美國電力公司（AEP）、英國電力公司（EDF）、Southern Company、Exelon Corporation、Duke Energy （NYSE：DUK）、Entergy Corporation（NYSE：ETR）、PSEG（Public Service Enterprise Group, NYSE：PEG）、Dominion Energy 等，部分運營商可能會購買 SMR 電站并進行運營；管理與監控公司會提供智能監控、數據分析與系統優化的服務。

（2）電力銷售與電網連接。SMR 電站生產的電力通過電力購買協議（PPA）出售給電網公司或工業用戶。SMR 適用于 小型電網，尤其適合遠程地區、偏遠城市或工業項目等特定市場。 *電力購買協議（PPA）：運營商與電力購買方（如電網公司、大型工業用戶、政府等）簽訂 長期合同，確保穩定的現金流和盈利模式。 參與者：電力購買方如地方電網公司、大型工業企業、政府機構等。

（3）廢料及核電退役處理。SMR 反應堆在生命周期結束后需要廢料管理，核廢料的長期存儲和處理是核電行業的重要環 節，廢料管理公司負責廢料的安全處理、運輸與存儲，確保符合核安全標準。 參與者：廢料處理公司如 Waste Control Specialists，專門從事核廢料的處置。