SMR概念、原理、构成及产业链梳理

SMR 是模块化、更小、更便于部署的核反应堆。

SMR（Small Modular Reactor， 小型模块化反应堆）是核能技术的一种新型发展，SMR 是核电站的一种类型，但与传统 的核电站有明显的不同。SMR 是一种小型、模块化的核反应堆，其设计目的是提供较小 规模的电力输出，并且在建造时采用模块化组件，便于工厂化生产和运输，通常 SMR 的 输出功率相比传统的大型核反应堆更小。在 AIDC 出现之前 SMR 常应用于远离电网的偏 远地区、小岛屿、军事基地，或者作为工业用电的补充来源。

SMR 的原理——与大型核反应堆基本相同，还是通过核裂变反应产生热能形成蒸汽，进 而驱动发电机发电。（1）核裂变反应：与传统核电站一样，SMR 的核心是核反应堆，通 过核裂变反应产生热量，反应堆中的铀-235 等可裂变材料（如铀或钚）吸收中子后发生 裂变，裂变过程会释放出大量的热能和中子；（2）热交换和蒸汽产生：反应堆中的裂变 反应产生的热量可以用来加热冷却剂，冷却剂在核反应堆内流动，将热量带走，并传递 到蒸汽发生器或直接通过热交换器将热量传递给水，形成蒸汽；（3）蒸汽驱动发电机： 产生的蒸汽被导入涡轮机，通过涡轮机的转动来驱动发电机，发电机再将机械能转换为 电能，供给电网或用户；（4）冷却系统和安全机制：SMR 通常采用天然循环冷却系统或 被动安全系统，利用自然的物理过程（如热对流）来保持反应堆冷却，从而减少对外部 电力和设备的依赖，这些系统可在出现故障时自动关闭反应堆并降温。

SMR 的构成——通常包括多个模块，采用标准化的组件，可以快速组装和部署。（1）反 应堆核心：包含核燃料、发生核裂变、产生大量热能；（2）冷却系统：通过循环冷却剂 将热量从反应堆核心带走，冷却剂可以是液态金属（如钠）、气体（如二氧化碳或氦气）、 或者水，一些 SMR 设计采用自然对流或被动安全系统，不依赖外部动力来保持冷却，增 强了系统的安全性；（3）蒸汽发生器：将热交换后的冷却剂传递给水，从而产生蒸汽， 蒸汽导入涡轮机，驱动发电；（4）涡轮机和发电机：将机械能转换为电能；（5）控制系 统：SMR 采用数字化控制系统，部分还引入 AI 技术；（6）安全系统：采用被动安全系 统，即在无外部电源或操作员干预的情况下，系统能够自动冷却反应堆，常见的设计包 括自然对流冷却、蓄热装置等，这些设计能在出现紧急情况时，通过物理原理（如热对 流或重力）维持反应堆的安全；（7）核废料处理系统：存储或处理核废料和放射性物质。

目前小型模块化反应堆 SMR 主要有几种不同的技术路线，最主流的是轻水反应堆 （LWR-SMR），因为技术基础成熟，容易获得监管批准。截至 2021 年，全球各国提出 70 多种不同的 SMR 核电方案，包括压水堆方案、氦气冷堆方案（HTGR）、高温气冷实 践堆方案、钠冷快中子堆方案（SFR），这些方案中约有一半是轻水堆反应，是从第二代 核电技术演变而来，技术承接性较高，能快速商业化。但是由于 2011 年福岛核电站问 题，关于核电的科技树选择变得更为复杂，对轻水堆的安全担忧更加突出，更安全的非 轻水堆方案受到青睐，高温气冷堆方案也逐步流行： 轻水反应堆（LWR-SMR）：基于成熟的轻水冷却技术，如 NuScale 的设计，最主流 且靠近商业化； 高温气冷反应堆（HTGR）：使用惰性气体（如氦气）冷却，适用于高温工艺热需求， 如国内的华能高温气冷堆； 液态金属冷却反应堆（如钠冷堆）：如 TerraPower 开发的 Natrium 反应堆，具有高 效散热能力； 熔盐反应堆（MSR）：使用高温熔岩作为冷却剂，灵活性高但技术尚未成熟； 快中子反应堆（FNR）：利用快中子高效率裂变燃料，如俄罗斯 BREST 堆型。

SMR 核电产业链涵盖了从上游燃料铀矿、中游研发建造、下游运营与废料处理的各个环节。 相对而言，上游设计与制造对专业性和技术壁垒有较高门槛，因此上游厂商议价权较高，下 游运维环节由于运营周期长且稳定，能够带来长期的现金流，也是利润较厚的环节，中游项 目建设环节利润空间受制于施工成本、项目周期和工程风险等因素，利润率相对不如上游或 下游稳定。

【上游：原材料与加工】 上游产业链主要涉及核能开发所需的基本原材料、关键设备和核燃料的供应，主要包含铀矿 开采与铀浓缩。（1）铀矿开采和铀加工。铀矿开采：全球的铀供应市场高度集中，美国的铀矿主要依赖进口，全球铀矿主要由哈萨克 斯坦、加拿大和澳大利亚三国主导。 主要铀矿开采国家及在当地进行开采的典型公司：哈萨克斯坦 Kazatomprom、加拿大Cameco 和 Orano（前 Areva，法国公司但在全球开采铀矿）和 Denison Mines、澳大利亚 BHP（必和 必拓）和 Rio Tinto（力拓集团）、俄罗斯 Rosatom 等。此外，美国本土也有部分铀矿公司， 如 Energy Fuels（NYSE：UUUU）、Uranium Energy（NYSE：UEC）等。

铀加工：铀浓缩技术对安全性、成本和技术要求非常高，因此主要由几家跨国公司主导。天 然铀主要由铀-235 和铀-238 组成，当中子与铀-235 碰撞时，会通过裂变反应释放出巨大的 能量，而铀-238 的裂变性比铀-235 小，天然铀中仅含有约 0.7%的铀-235，因此需要同位素 分离（铀浓缩）将其含量提高到 3%至 5%，以用作轻水反应堆的燃料。浓缩方法包括气体扩 散法、激光浓缩法和离心法。 *离心法原理：将气态铀化合物六氟化铀送入离心机快速旋转的转子中，分离出 U-235 和 U238，较重的同位素 U-238 被向外推，而较轻的同位素 U-235 则聚集在转子中心。U-235 浓 度较高的气体被抽出并送入另一台离心机，重复此过程数次可产生 U-235 含量更高的铀。 主要铀浓缩公司：Centrus Energy（NYSE：LEU，美国，主导全球市场）、Orano（法国，同 时布局开采与加工）、Rosatom（俄罗斯）、Urenco（欧洲）。

（2）核燃料组件制造。SMR 反应堆使用的燃料包括铀燃料棒、燃料元件和控制棒等，组件必须符合特定的标准以 确保反应堆的安全和高效运行。 参与者：如 Westinghouse、Orano 等，提供核燃料组件和技术支持。

（3）反应堆组件制造。反应堆组件是 SMR 的重要组成部分，包括反应堆压力容器、冷却系统、控制系统、堆芯和其 他相关设施，这些组件需要高度的耐辐射性、抗高温性能以及可靠性。由于 SMR 的模块化设 计，反应堆组件通常在工厂进行大规模制造，再运输到现场进行快速组装，减少了现场建设 时间。 参与者：如 NuScale Power、Rolls-Royce 等。

【中游：设计、研发与建造】（1）SMR 设计与研发。设计与研发：设计公司负责 SMR 反应堆的技术开发、设计标准化工作，SMR 的研发通常包 括核反应堆的结构设计、冷却系统设计、控制系统的集成等，设计研发公司与政府部门、监 管机构紧密合作，确保设计符合核安全标准。 参与者：SMR 设计与研发公司如 NuScale Power、OKLO、TerraPower、Rolls-Royce 等；政 府机构如美国能源部（DOE），提供资金支持并对 SMR 的设计进行监管与验证。

（2）反应堆建造与安装。SMR 的模块化设计允许大部分组件在工厂预制，然后运输到现场进行快速安装。建造阶段 相较于传统核电站更为简便，因为 SMR 的规模较小、模块化程度高，可以在不需要大规模建 设的情况下投入运行，比如建造公司负责将 SMR 反应堆的各个模块组装成一个完整的核电 站，完成现场安装，工厂预制的组件将大大缩短现场建设周期。 参与者：建设公司如 Bechtel、Fluor 等，负责 SMR 电站的建设与组装。

【下游：运营、销售与废料处理】

（1）SMR 核电站运营。运营商负责电站的长期管理、维护、监控反应堆运行，并确保反应堆处于安全状态。SMR 核 电站其运营管理的复杂度较传统核电站更低，此外运营商还负责 SMR 系统的定期维护，包括 燃料更换、设备检查和技术升级等。 参与者：如美国电力公司（AEP）、英国电力公司（EDF）、Southern Company、Exelon Corporation、Duke Energy （NYSE：DUK）、Entergy Corporation（NYSE：ETR）、PSEG（Public Service Enterprise Group, NYSE：PEG）、Dominion Energy 等，部分运营商可能会购买 SMR 电站并进行运营；管理与监控公司会提供智能监控、数据分析与系统优化的服务。

（2）电力销售与电网连接。SMR 电站生产的电力通过电力购买协议（PPA）出售给电网公司或工业用户。SMR 适用于 小型电网，尤其适合远程地区、偏远城市或工业项目等特定市场。 *电力购买协议（PPA）：运营商与电力购买方（如电网公司、大型工业用户、政府等）签订 长期合同，确保稳定的现金流和盈利模式。 参与者：电力购买方如地方电网公司、大型工业企业、政府机构等。

（3）废料及核电退役处理。SMR 反应堆在生命周期结束后需要废料管理，核废料的长期存储和处理是核电行业的重要环 节，废料管理公司负责废料的安全处理、运输与存储，确保符合核安全标准。 参与者：废料处理公司如 Waste Control Specialists，专门从事核废料的处置。