综述：分析小型模块化反应堆（SMR）产生的放射性废物的来源

《Progress in Nuclear Energy》：Analyzing the sources of radioactive waste from Small Modular Reactors (SMR)

小型模块化反应堆（SMR）与大型轻水堆（LWR）的废物产生和后端处理挑战对比研究表明，SMR可能因更高的中子泄漏和冷却剂活性产物而增加总废物量达2-30倍/兆瓦时，需以存储相关指标（如衰变热、裂变产物形态）而非总质量评估。

　　

穆姆塔兹·汗（Mumtaz Khan）、胡鹏华（Hu Penghua）、牛杰（Jie Niu）、徐乐昌（Xu Lechang）、王亚兰（Wang Yalan）、塔卡尔·M·阿尔胡扎伊米（Thaqal M. Alhuzaymi）

中国核工业集团公司北京化工冶金研究院，北京，101149，中国

摘要

本文批判性地比较了主要小型模块化反应堆（SMR）家族（如iPWR（例如NuScale）、CANDU类、HTGR（Xe-100）、SFR（例如ARC/钠基）和MSR（例如IMSR）的废物产生情况及后端处理挑战，并使用与储存库相关的指标（1/10/100年时的包级衰变热、可移动裂变产物库存/形态、裂变物质含量/临界性裕度以及二次废物体积）与大型压水反应堆（PWR）进行了对比。定量分析表明，由于中子泄漏和反应性冷却剂的差异，几种SMR概念的总体废物管理需求可能比吉瓦级LWR高出2至30倍。一个典型的iPWR每单位电力产生的放射性废物（SNF）量大约是大型PWR的1.7倍，此外还有来自紧凑型一体式容器的活化金属ILW。相比之下，Xe-100的反应度非常高，产生的SNF质量减少了约75%，100年衰变热减少了35-50%，但代价是SNF的几何体积增加了约10-12倍，主要原因是GTCC石墨的体积较大。SFR可能降低每单位电力的SNF质量，但会产生富含超铀元素（TRU）的钠基燃料，通常需要热处理，并产生特殊的钠清除残留物。CANDU类SMR减少了长寿命TRU的库存，但增加了燃料包的数量（反应度较低），并且需要一级氚系统。MSR/IMSR将高放射性废物（HLW）转移到含燃料的盐和废气介质中，因此盐基废物形式的鉴定（例如玻璃结合陶瓷）变得至关重要。我们综合了特定设计的废物产生因素，指出了数据缺口（例如从FOAK到NOAK的转换、每单位电力的基准数据），并提出了研究方向：（i）减少泄漏/活化；（ii）石墨和氚的质量平衡管理；（iii）钠的中和及ER盐废物形式；（iv）特定盐的固定化途径。总体而言，证据表明应基于与储存库相关的指标来评估SMR，而不是仅考虑总体质量。

引言

全球能源结构发生了变化：化石燃料的比例从1979年的约87%下降到2023年的约81%，而核能在此期间有所增长，尽管其占初级能源的比例仍仅为约4%。（图1）（能源研究所，2025年）。自20世纪90年代以来，核能在美国电力供应中一直占比约20%，是重要的清洁能源来源。法国、俄罗斯、巴基斯坦、中国和印度的核能市场正在扩大，这些国家核能在总能源中的比例分别为70%、20%、7.5%、5%和3.5%。值得注意的是，中国在全球核能建设中处于领先地位，预计到2026年总装机容量将达到70吉瓦，超过法国（Khan等人，2024年；Shehzad等人，2019a年；Shetty）（见表10）。

向净零排放未来的过渡预计将带来重大的经济和环境影响。2015年由196个国家签署的《巴黎协定》为国际合作提供了框架，旨在将全球变暖限制在工业化前水平以上2摄氏度以内。为了实现中期气候目标，预计核能的比例将增加，特别是随着小型模块化反应堆（SMR）的部署（国际原子能机构，2024a年）。虽然人们对SMR技术和经济性给予了很多关注，但关于这些反应堆产生的放射性废物的信息仍然有限（国际原子能机构，2023a年；Krall，2022年）。因此，了解新反应堆设计的废物管理策略十分必要。

国际原子能机构（IAEA）将SMR定义为电输出功率小于300兆瓦的反应堆，设计上易于安装且大规模建设要求较低。它们的模块化和分隔设计提供了更大的灵活性，适用于各种地点和应用场景（Hussein，2020年）。

截至2023年5月，全球有416座核反应堆在运行，安装容量为376.261吉瓦，23座反应堆已暂停运行，62座反应堆正在建设中，容量为65.040吉瓦，还有109座正在规划中（机构，2023年）。此外，还有220座研究反应堆在运行，其中9座正在建设中，14座正在规划中。一座典型的1000兆瓦核电站包含约100公吨的反应堆燃料组件，每年更换三分之一，产生25-30公吨的乏核燃料（国际原子能机构，2019a年）。全球高放射性废物（HLW）的年增长量约为12,000吨重金属（t HM），截至2013年，全球储存的HLW总量估计为250,000吨（Ceyhan和Lee，2016年）。

SMR于21世纪初引入，采用了被动安全系统、高效的燃料循环和先进材料。它们具有回收放射性废物的潜力，提高了燃料利用率，同时减少了废物产生量。除了发电外，SMR还可以用于供暖和海水淡化。其主要优势包括增强的安全措施、防扩散措施、渐进式的功率增加以及较低的建造成本。然而，它们的单位发电成本可能高于大型反应堆（Bays等人，2021年；国际原子能机构，2022a年）。

根据冷却机制，SMR分为四种类型：水冷、气冷、液态金属冷和熔盐反应堆。快中子反应堆使用气体或熔盐作为冷却剂。尽管SMR的资本成本较低，但其发电成本可能相对较高。与核技术相关的挑战包括扩散风险、安全问题、环境保护以及从铀矿开采到乏燃料处置的废物管理（国际原子能机构，2019b年）。

目前全球有多种SMR设计正在开发中（表1），提供了不同的功率等级和技术途径。中国的ACP100（100兆瓦）由中核集团和国电联合开发，是一种压水反应堆（PWR），注重被动安全特性（Qu，2023年）。阿根廷的CAREM（27兆瓦）由CNEA和INVAP联合开发，是一种紧凑型一体式PWR（iPWR），强调模块化建造（Magan等人，2009年）。俄罗斯的KLT-40S（35兆瓦）和RITM-200（50兆瓦）由OKBM开发，是为浮动电站和偏远地区设计的海洋反应堆（世界核协会，2025a年）。美国的NuScale（60兆瓦）由NuScale Power和Fluor联合开发，是一种高度模块化的设计，采用自然循环冷却（NuScale Power LLC，2012年）。韩国的SMART（100兆瓦）由KAERI开发，是一种具有海水淡化功能的完全集成系统（韩国原子能研究院，2024年；世界核新闻）。美国的SMR-160（160兆瓦）由Holtec开发，是一种具有长期燃料可持续性的被动安全反应堆（美国核管理委员会，SMR-160；Singh和国际团队，2010年）。GE-Hitachi的BWRX-300（300兆瓦）是美国和日本的合作项目，是一种简化版的沸水反应堆（BWR），比传统BWR更具成本优势（美国核管理委员会，Geh BWRX-300；Vernova Hitachi，2025年）。最后，俄罗斯的VK-300（250兆瓦）由NIKIET开发，设计用于高效运行，并具有先进的安全机制（Collins等人，2021a）。这些SMR展示了多样的反应堆技术，强调安全性、可扩展性和废物最小化，使其成为未来核能部署的有力竞争者（表1）（Wang等人，2024年）。然而，这些反应堆均未在本文中详细讨论，只有少数具体类型被提及。

尽管SMR被广泛宣传为比当今大型反应堆“更清洁”或“产生更少废物”的替代方案，但目前仍缺乏针对具体反应堆类型的统一、定量的废物产生比较，以及这些废物最终需要存储在储存库中的类型和数量。大多数已发表的研究要么定性地讨论SMR废物，要么仅关注单一技术，而没有根据电力输出进行标准化，也没有将核心物理特性与后端负担联系起来。这给监管机构、储存库设计者和政策制定者带来了挑战，他们需要在没有明确长期废物责任的情况下做出技术选择。本文的目的是批判性地评估不同SMR设计相关的放射性废物管理挑战，并根据公开文献中的技术信息，将这些挑战与传统大型轻水反应堆（cLWR）进行比较。本文旨在综合有关废物产生率、放射毒性和处置特性的技术数据，确定影响废物特征的关键因素——涵盖整个核燃料循环。通过这样做，它为研究人员、政策制定者和行业利益相关者提供了统一的参考，以指导废物管理策略和反应堆技术选择。

方法论

本综述旨在针对先进小型模块化反应堆（SMR）概念与传统大型轻水反应堆（cLWR/PWR）的放射性废物进行特定于反应堆和储存库的相关比较。首先，我们确定了技术范围，仅包括技术成熟度足够高且后端信息公开可用的SMR类别。具体来说，我们选择了（i）一体式压水反应堆（iPWR/NuScale型），（ii）CANDU类/PHWR衍生的SMR

传统LWR废物

像法国这样的国家大约回收了95-96%的乏LWR燃料质量（主要是铀和钚），但其中只有一部分以MOX燃料或再处理铀的形式重新使用，其余部分成为高放射性废物。裂变产物涵盖了几乎整个周期表中的元素，从锌到镧系元素。虽然大多数这些同位素是非放射性的或半衰期很短。某些裂变产物——如⁹⁰Sr、¹³⁷Cs、⁹⁹Tc、⁹³Zr、¹³⁵Cs、¹⁰⁷Pd、¹²⁶Sn、⁷⁹Se和¹²⁹

SMR废物特征

工厂制造是大多数SMR价值主张的基础，而较短的生产周期、可重复的质量以及卡车/铁路物流是其优势。MIT的120兆瓦鹅卵石床反应堆是一个典型的例子——一个可运输的模块（约2.4米×18.3米×3.7米；<90.7吨），建立在钢制空间框架上，集成了歧管和管道，同时将涡轮机械分开以便维护。该反应堆由27个子模块组成，展示了可扩展的部署方式（表3）（Kadak和Berte，2004年）。

SMR与PWR废物

放射性废物处理起来很麻烦，因为需要在提取有价值裂变材料的同时将可育同位素转化为裂变同位素，燃烧锕系元素，只留下裂变产物。这种方法减少了废物体积、放射毒性和半衰期（Review等人，2023年）。先进的SMR本身不会燃烧废物，而是需要额外的回收设施来提取有价值的同位素。在这个过程中，快中子将可育同位素燃烧成裂变同位素。

熔盐反应堆

熔盐反应堆将裂变和可育核素直接溶解在卤化盐（氟化物或氯化物）中，因此主要的废物流是已含有大部分裂变产物、超铀元素和活化产物的使用燃料盐（表8）。这种液体库存改变了后端处理需求。操作人员必须对盐（及其废气和化学控制残留物）进行处理并使其固化成耐用的废物形式。目前的共识是，没有单一的方法可以

废物最小化和处理技术

SMR的封闭燃料循环旨在从乏燃料中回收钚/铀（以及可能的超铀元素），以提高燃料利用率，降低包级热量，并减少长期锕系元素的库存——当分离和回收效率在多次循环中保持较高时，这些好处是实际的（国际原子能机构，2019b；Review等人，2023年）；最近的评估也得出了相同的结论，但强调性能受工艺限制，而非自动实现（Group和On，1998年）。实际上，分离次要锕系元素

研究方向

为了使SMR废物的比较具有可比性和决策价值，未来的工作应超越单纯的“质量”指标，而是基于与储存库相关的输出进行标准化——如1/10/100年时的包级衰变热、关键裂变产物的形态和迁移性（例如¹²⁹I、⁹⁹Tc、⁷⁹Se）（Kim等人，2024年）、储存和运输所需的裂变物质含量/临界性裕度，以及国际原子能机构安全案例指南要求的量化二次废物体积（Duro等人，2014年）。

结论

本综述表明，根据与储存库相关的指标而非总体质量来判断，不同SMR家族的废物结果与市场宣传有很大差异。独立评估表明，几种SMR概念的总体废物管理需求可能比吉瓦级LWR高出2至30倍，主要是由于较高的中子泄漏和由冷却剂/燃料化学性质引起的二次废物。在水冷SMR中，一个典型的iPWR每单位电力产生的放射性废物量大约是大型PWR的1.7倍

CRediT作者贡献声明

穆姆塔兹·汗（Mumtaz Khan）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、监督、调查、正式分析、数据管理、概念化。胡鹏华（Hu Penghua）：撰写——审稿与编辑、资金获取。牛杰（Jie Niu）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、资金获取。徐乐昌（Xu Lechang）：撰写——审稿与编辑、资金获取。王亚兰（Wang Yalan）：可视化、验证。塔卡尔·M·阿尔胡扎伊米（Thaqal M. Alhuzaymi）：正式分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有财务或其他利益冲突。

致谢

作者感谢中国核矿业科学技术公司对这项工作的财务支持。