译者序

随着经济与社会的不断发展与进步，人类对清洁能源和灵活发电的需求急速增长，小型模块化反应堆（SMR）凭借前期投资小、建造周期短、布置灵活等特点，受到的关注日益增加。SMR 具有设计简化、安全性高、换料周期长和抗核扩散能力强等优点，为满足偏远地区、深海深空、岛礁开发等用电需求，提供了灵活的解决方案。因此，SMR 技术的发展是当前的研究热点之一。

原著者根据其 30 余年的科研、教学经验撰写本书，内容涵盖核工业的发展历程及路线图，新型 SMR 的详细组成、实现方式、制造材料及相关配套技术、可持续性及核安全与抗核扩散等。本书旨在帮助读者更好地掌握 SMR 设计的理论体系，并为其提供重要的设计参考。

本书共分 8 章，第 1 章主要介绍核能的基本概念及原理；第 2 章论述了核能的历史发展情况，并总结了核能作为可再生能源的重要性；第 3 章介绍了小型模块化先进核技术的研究现状及发展路线图；第 4 章针对 SMR 所采用的创新性联合能量循环，介绍了实现该循环所需的组件以及材料方面的挑战；第 5 章阐述现有可持续能源的局限以及 SMR 作为下一代可持续能源的重要性；第 6 章介绍了第四代核反应堆的安全和抗核扩散的必要性和措施，以及 SMR 在该方面的优势；第 7 章分析了电力市场、能源供需现状，强调核能是未来可持续能源的重要选项。第 8 章介绍了与新型 SMR 相关的配套技术。

本书由乔守旭组织翻译并统稿，第 1~4 章由乔守旭翻译，第 5、6 章由赵富龙翻译，第 7 章由温济铭翻译，第 8 章由姚文卿翻译。感谢国防工业出版社装备科技译著出版基金对本书出版给予的大力支持！

原著部分内容前后重复等原因，经 Springer 出版社许可，对重复部分进行了整理、合并或删减。由于重复内容较多且较为分散，部分零散内容的删减在正文相应位置不再做特殊标注；涉及整节内容删减的，在正文相应位置做了说明。

由于译者水平有限，经验不足，书中难免存在疏漏和不妥之处，恳请广大读者和专家批评指正！

译 者

2025 年 7 月

目录

第 1 章 核电工业简介

1.1 裂变能量产生

1.2 第一链式反应

1.3 核临界的概念

1.4 裂变反应堆的基本原理

1.5 反应堆基础

1.6 热中子反应堆

1.7 核电厂及其分类

1.8 反应堆类型及其分类

1.8.1 轻水反应堆

1.8.2 石墨慢化反应堆

1.8.3 重水反应堆

1.9 基于冷却剂材料的分类

1.9.1 压水反应堆

1.9.2 沸水反应堆

1.9.3 气冷反应堆

1.10 基于核反应类型的分类

1.10.1 快中子反应堆

1.10.2 热中子反应堆

1.10.3 液态金属快中子增殖反应堆

1.11 核裂变发电

1.12 第四代核能系统

1.13 核能技术现状和预期发展

1.14 下一代核电站

1.15 第四代核反应堆系统

1.15.1 超高温反应堆

1.15.2 熔盐反应堆

1.15.3 钠冷快堆

1.15.4 超临界水冷反应堆

1.15.5 气冷快堆

1.15.6 铅冷快堆

1.16 第四代发电核动力反应堆

1.17 第四代核能系统的目标

1.18 考虑未来核电角色的重要性

1.19 第四代反应堆路线图项目

1.20 核反应堆许可策略

1.21 核电市场、行业现状和潜力

1.22 核能技术壁垒

1.23 核能需求

1.24 与其他部门的协同作用

参考文献

第 2 章 核反应堆结构发展历程

2.1 概述

2.2 首次自持链式裂变反应

2.3 核能扩张和平用途的停滞

2.4 政府和核能

2.5 推进核能

2.6 小型模块化反应堆

2.7 小型模块化反应堆：安全、整体安全和成本问题

2.7.1 熔盐反应堆的安全概念

2.7.2 核能规模化与先进化的经济性

2.7.3 小型模块化反应堆是否更安全

2.7.4 收缩疏散区域

2.7.5 核电厂安全结论

2.8 发展核电站的原因

2.8.1 联合循环的方法

2.8.2 我们为什么仍然需要核电

2.8.3 核能是否为可再生能源

2.8.4 核能作为可再生能源的讨论

2.8.5 反对核能作为可再生能源的讨论

2.8.6 总结

参考文献

第 3 章 核能研究与发展路线图

3.1 概述

3.2 美国先进核技术发展的机遇

3.3 小型模块化反应堆的优点

3.4 核动力堆冷却水需求

3.5 开式布雷顿燃气动力循环

3.5.1 核电系统计算程序开发

3.6 核反应堆空气 - 布雷顿联合循环建模

3.7 总结

参考文献

第 4 章 小型模块化反应堆联合循环电力转换系统

4.1 概述

4.2 发电核反应堆

4.3 核电厂系统的未来

4.4 第四代发电核动力反应堆

4.5 第四代核能技术路线图

4.6 电力转换研究和技术选择评估

4.6.1 换热器组件

4.6.2 涡轮机械

4.6.3 第四代核反应堆系统先进计算材料科学

4.6.4 第四代核反应堆系统材料分类

4.6.5 第四代材料的挑战

4.7 第四代材料的基本问题

4.8 联合循环功率转换系统驱动下的新型第四代核反应堆系统

4.8.1 布雷顿循环建模

4.8.2 朗肯循环建模

4.8.3 联合布雷顿 - 朗肯循环

4.8.4 研究结果

4.9 开式布雷顿空气动力循环

4.9.1 开式布雷顿气体动力循环概述

4.9.2 系统描述

4.9.3 解决问题的性质

4.10 初步结论

4.11 适用于小型模块化液态金属快中子反应堆的联合循环电力转换系统

4.11.1 空气 - 布雷顿循环利弊

4.11.2 给水加热器

4.11.3 结果

4.12 采用联合循环电力转换系统方法的原因

4.12.1 典型循环

4.12.2 典型方法

4.13 创新研究方法的动机

4.14 廉价石油的终结和核电的未来

4.15 未来能源讨论

4.16 当今世界的核电和变革的时机

4.17 现有反应堆的性能改进

4.18 其他核反应堆

参考文献

第 5 章 小型模块化反应堆，下一个大型可再生能源

5.1 概述

5.2 可再生能源的限制和小型模块化反应堆

5.3 小型模块化反应堆驱动的可再生和可持续能源

5.4 小型模块化反应堆驱动的氢能可再生能源

5.4.1 可再生能源的氢能

5.5 核电的未来

5.6 主要结论

参考文献

第 6 章 第四代核反应堆的安全和抗核扩散

6.1 概述

6.2 安全性和可靠性目标

6.3 小型模块化反应堆的潜在优势

6.4 第四代国际论坛焦点

6.5 相关的进行中的核能项目

6.6 总结

参考文献

第 7 章 电力生产和可再生能源及经济学

7.1 概述

7.2 美国电力生产现状

7.3 能源供应、需求和市场

7.4 市场容量

7.5 可再生和非可再生能源

7.6 可再生能源的角色

7.7 常见问题

参考文献

第 8 章 储能技术及其在可再生一体化中的作用

8.1 概述

8.2 电网

8.3 发电

8.4 输配电

8.5 负载管理

8.6 存储技术的类型

8.6.1 动能储能系统或飞轮概念

8.6.2 超导磁能储存

8.6.3 电池

8.6.4 未来电池

8.7 电池启发的碳固定策略

8.8 唾液供电电池

8.9 总结

参考文献

前言

在过去 30 年里，全球电力行业的增长格局主要由基于燃气轮机联合循环的天然气发电场主导。简单的布雷顿循环燃气轮机广泛用于联合循环电厂。这种联合循环电厂以空气 - 布雷顿循环作为顶循环，蒸汽 - 朗肯循环作为底循环，是第四代（GEN-Ⅳ）核电系统的典型代表。空气 - 布雷顿循环与蒸汽 - 朗肯循环分别属于开式和闭式循环。天然气驱动发电厂的空气 - 布雷顿循环必须是一个开式循环，空气从周围环境中吸入，并与燃烧产物一起被排放到环境中。该技术被认为是一种创新方法，以小型模块化反应堆（SMR）的形式推荐给了第四代核能系统国际论坛（GIF）。在联合循环中，来自空气 - 布雷顿循环的废热在被排放到周围环境之前通过余热锅炉（HRSG）进行部分回收。余热锅炉的用途与传统蒸汽 - 朗肯循环锅炉的相同。

在 2007 年，燃气轮机联合循环发电厂的总容量为 800GW，占全球装机容量的 20%，远远超过了核电站的装机容量，尽管在 20 世纪 90 年代末它们的装机容量还不到全球装机容量的 5%。其迅猛的发展主要归因于三大优势：天然气丰富且便宜，联合循环电厂的效率在所有热电厂中最高，其余热冷却水在所有热电厂中最少。

一套典型的燃气轮机设备通常由压缩机、燃烧室、汽轮机和发电机组成。在联合循环电厂中，汽轮机的排气经过余热锅炉排放到周围环境中。余热锅炉与典型闭式循环蒸汽发电厂锅炉的功能类似，后者包含蒸汽轮机、冷凝器、水泵、锅炉和发电机。在联合循环电厂中，燃气轮机和蒸汽轮机可以在同一轴上，不需要设置另一台发电机。也可以采用双轴、双发电机的配置，成本稍高，但其运行的灵活性更好。除了蒸汽回路的闭式循环外，还需要一个开式循环水系统将凝汽器中的废热带走。对于联合循环而言，该循环水系统每兆瓦带走的废热量显著减少，因为开式布雷顿循环直接将废热排放到空气中。

本书从实验研究和技术角度详细讨论了第四代核电系统的独特性和优势；同时，针对 “我们为何需要核电作为可再生能源来源” 这一论点，以及效率、成本效益和安全相关议题进行了深入论述。书中亦介绍了不同类型的第四代 SMR，并给出了以各 SMR 为代表的新一代核电站的通用配置和规范。

本书亦展望了一幅宏伟的未来图景：在全球，几乎每个国家都部署了经济性优良且高度安全的第四代核反应堆电厂，例如，能够利用钍、铀和乏燃料中锕系元素的熔盐反应堆，在杜绝严重事故的前提下，高效地发电、制氢和淡化海水。

在海水淡化等应用领域，SMR 也被认为是核电厂（NPP）一种可行的能源方案，其优势主要体现在：

（1）SMR 具有较低的投资成本；

（2）几乎所有的 SMR 概念设计都显示出更高的可用率（>90%）；

（3）由于具备固有安全特性，大多数 SMR 极具部署在靠近人口中心区域的潜力，从而降低输送成本。

本书还特别从 SMR 产生核能的角度进行讨论，深入探讨了 “我们为什么需要小型模块化反应堆” 这一议题。此外，书中还详述了 SMR 的独特性，并提出了将其作为第四代核电技术体系一部分加以实施的创新方法。

巴赫曼？佐里

2018 年于美国新墨西哥州阿尔伯克基