小型模块化核反应堆

1 3秒看懂

小型模块化核反应堆（SMR）是通过工厂预制、模块化组装的小型核裂变反应堆，单堆电功率通常不超过300兆瓦，可多模块并联运行。它把大型核电站的投资、选址、建造周期门槛大幅降低，为AI数据中心、工业脱碳等场景提供可快速部署、24小时稳定的零碳基荷电力。

2 3分钟产业解释

传统大型核电站单机容量常超过1000兆瓦，建造周期8—12年，初始投资动辄百亿美元，对电网、水源、地质要求极其严苛，且无法灵活匹配分散式电力需求。SMR正是在这一背景下被重新推向产业前沿：它将反应堆、蒸汽发生器、稳压器等关键设备高度集成在一个压力容器内，在工厂完成制造和测试，再以模块形式运输至现场拼装，工期可压缩到3—5年。单堆功率从几兆瓦到300兆瓦不等，多模块并列可形成数十万千瓦级的发电站，且换料周期长、无需频繁停堆，非常适合需要连续供电的用户。

推动SMR加速商业化的最大驱动力来自以生成式AI为代表的高密度算力基础设施。一座10万颗GPU的超大规模智算中心年耗电量可达10—15亿千瓦时，且要求电力供应全年8760小时不间断、碳排放受严格约束。光伏、风电虽成本下降，但无法单独提供稳定基荷；天然气发电面临碳价和ESG压力；大型核电建设又过于缓慢。SMR恰好填补了“零碳可调度基荷”的缺口，科技巨头已纷纷签署购电协议或直接投资反应堆开发商。据国际原子能机构（IAEA）2023年数据，全球超过80种SMR设计方案正在推进，其中3座已并网或处于调试阶段，多座在建或进入许可审查，主要分布在美国、中国、俄罗斯、阿根廷、韩国等地。美国能源部（DOE）通过“先进反应堆示范计划”（ARDP）在2020—2023年间投入数十亿美元扶持多种设计，目标在2028—2030年实现首座商用SMR投产。中国“玲龙一号”（ACP100）则是全球首个通过IAEA安全审查的陆上商用模块化小堆，2024年完成压力容器安装，预计2026年投运。SMR不再是一个遥远的核能概念，而是已经进入工程验证和首批订单交付的关键阶段。

3 技术原理

SMR的底层物理仍是可控核裂变：中子轰击铀-235等易裂变核素，原子核分裂释放能量和更多中子，维持链式反应。与传统大堆的核心区别在于设计理念——从“现场建造规模经济”转向“工厂预制规模经济”与“被动安全简化”。

• 模块化预制与一体化集成：多数SMR将反应堆堆芯、蒸汽发生器、稳压器全部封装在同一个压力容器内（一体化压水堆），减少大型管道连接，从根本上消除大破口失水事故（LOCA）的风险。设备模块在受控工厂环境中制造组装，品控一致性优于现场施工，也大幅压缩建造工期。
• 非能动安全系统：深度依赖重力、自然循环、热传导、蓄热等物理原理实现事故停堆和余热导出。例如，在丧失所有电源的极端工况下，堆芯余热可通过自然对流由安全壳内的空冷或水冷系统散出，无需柴油发电机或人员干预。部分设计（如高温气冷堆）使用耐高温的TRISO燃料颗粒，即使在1600摄氏度以上仍能保持完整性，从燃料层面防止堆芯熔毁和放射性大规模释放。
• 低功率密度与多模块协调：单个SMR堆芯热功率通常在100—1000兆瓦热（MWth），电功率30—300兆瓦电（MWe）。多台模块可共用控制室、冷却塔、应急电源等公用设施，逐步分期建设、逐步并网，缓解融资压力。控制系统需协调多机组间的负荷分配，但相关技术已在核潜艇多反应堆平台上积累丰富经验。
• 先进堆型与循环：除最成熟的一体化压水堆（iPWR）外，还包括液态金属冷却快堆（钠、铅铋）、高温气冷堆（氦气冷却、石墨慢化）、熔盐堆（液态燃料流动、在线后处理）、热管堆（碱金属热管用于空间或偏远电源）。这些先进设计追求更高出口温度（≥700℃）以提升发电效率或直接提供工业热，并试图实现闭式燃料循环、降低长寿命废物。

4 关键参数

以下为典型SMR设计的参数范围，基于IAEA的ARIS数据库及主流开发商公开数据（截至2024年）：

典型案例参数：

• NuScale VOYGR-6：6模块，合计462 MWe，每模块77 MWe，自然循环压水堆，设计寿命60年，目标建设时间36个月（来源：NuScale 2022年投资者演示）。
• 中核“玲龙一号”ACP100：单模块125 MWe，一体化压水堆，换料周期24个月，首堆于海南昌江建设，2024年反应堆压力容器安装，计划2026年底投产（来源：中国核能行业协会、新华社）。
• TerraPower Natrium：345 MWe钠冷快堆，配套1 GWh熔盐储能，可利用储能灵活输出500 MWe，目标2028年投运首堆（来源：TerraPower 2024年环境报告及DOE合作声明）。
• Xe-100（X-energy）：每个模块约80 MWe，高温气冷堆（氦气冷却，石墨慢化），采用TRISO燃料，出口温度750°C，可组合320 MWe电厂，计划与Amazon合作（来源：X-energy 2024年亚马逊合作公告）。

5 技术路线

目前全球有竞争力的SMR技术路线可大致分为五类，每类反映不同的冷却剂、中子能谱和用途偏好。

5.1 轻水型一体化压水堆（iPWR）

原理：普通水作为冷却剂和慢化剂，反应堆一回路、蒸汽发生器、稳压器全集成在压力容器内。 优点：技术成熟，继承大量第二代/第三代压水堆经验与供应链，监管审批路径清晰。 代表：

• NuScale VOYGR（美国）：自然循环、无需主泵、非能动安全，已获美国核管会（NRC）标准设计批准（2023年）。
• 中核“玲龙一号”（ACP100）：全球首个陆上商用一体化小堆，通过IAEA安全审查（2016年），海南昌江在建。
• 国电投“国和一号”降功率版？ 公开资料未见明确SMR型号，但中国另有多家企业（中广核、华能）开发小型压水堆。
• 西屋AP300：基于AP1000技术缩减，300 MWe，2023年启动NRC预申请审查（来源：西屋电气）。

5.2 液态金属冷却快堆（LMFR）

原理：钠、铅铋等液态金属做冷却剂，中子能量高，可实现快中子增殖、嬗变长寿命核素，通常配合HALEU或钚燃料。 优点：常压运行、热效率高，可闭式燃料循环，部分设计整合大规模储热，实现灵活调峰。 代表：

• TerraPower Natrium（美国）：钠冷快堆+熔盐储能，获得DOE 20亿美元投入，2024年非核部分破土动工，目标2028年商运。
• Oklo “Aurora”（美国）：可部署的1.5—15 MWe钠冷“微堆”，计划不换料运行20年，首个项目已与Equinix等数据中心签署购电协议。
• 中国示范快堆：虽然不属于SMR范畴，但小型铅铋快堆“青云系列”处于研发阶段（中国科学院），公开资料未显示已进入工程。

5.3 高温气冷堆（HTGR）

原理：氦气做冷却剂，石墨做慢化剂，采用TRISO包覆燃料颗粒，出口温度可达750℃—950℃。 优点：极端高温下燃料完整性强，除发电外可提供工业热用于制氢、化工，非能动余热冷却极强。 代表：

• X-energy Xe-100（美国）：每个模块80 MWe，氦气出口温度750℃，2023年完成DOE资助的基础设计，2024年获Amazon投资并签署电力采购协议。
• 中国石岛湾HTR-PM：双模块高温气冷堆，合计210 MWe，2021年并网发电，2023年满功率运行，可视为示范SMR（来源：中核集团、中国能源报）。
• 英国Ultra Safe Nuclear（USNC）MMR：热功率15 MWth，用于替代柴油、工业供热，在加拿大和英国推进许可。

5.4 熔盐堆（MSR）

原理：液态燃料（铀、钍的氟化物盐）在中低温低压下循环，充当燃料和冷却剂，具有在线添加燃料、连续去除裂变产物的潜力。 优点：化学惰性、负温度系数大，不会发生堆芯熔毁，高出口温度可用于制氢。 代表：

• Kairos Power KP-FHR（美国）：氟盐冷却高温堆，使用TRISO颗粒，热功率140 MWth，2024年获得美国NRC建造许可（用于首个非核试验堆Hermes），并与谷歌签署约500 MW购电协议（来源：Kairos Power、谷歌新闻）。
• Terrestrial Energy IMSR（加拿大）：一体化熔盐堆，发电195 MWe或提供工业热，正在加拿大核安全委员会审评。
• 上海应用物理研究所TMSR-LF1：中国小型钍基熔盐实验堆已获运行许可，2023年达到临界（来源：中国科学院），后续商用设计尚未公布。

5.5 热管堆及其他微堆

原理：利用碱金属热管从堆芯传导热量到热电转换装置（如斯特林发动机、热光伏），无流体循环，高度紧凑。 优点：无冷却泵、无活动部件，适合偏远地区、太空应用。 代表：

• Oklo Aurora（也可归为快堆/热管相关，但实际为钠冷小型快堆设计）。
• 西屋eVinci微反应堆：热管冷却，5 MWe，可车载移动，计划2027年示范。

每种路线均面临各自的工程挑战（高温材料、腐蚀、液态金属化学控制等），但多元竞争正加速关键技术的供应链成熟。

6 上游

SMR的上游产业链涵盖核燃料供应、特殊材料、大型零组件制造及专用模块设施。

6.1 核燃料

• 铀资源与转化浓缩：铀开采（Cameco、Kazatomprom、中核集团等），U3O8粉末→UF6转化→离心机浓缩。对于多数轻水型SMR，现有富集度<5%的U-235供应充足，但先进设计普遍依赖高丰度低浓缩铀（HALEU，富集度5%—19.75%）。美国2022年《通胀削减法案》拨款7亿美元支持HALEU国内供应链，Centrus Energy在俄亥俄州的首座HALEU示范设施于2023年产出首批HALEU（来源：Centrus公告，DOE）。预计到2030年，美国HALEU年产能需达到数十吨规模才能支撑首批SMR机组首炉装料，欧洲和中国正同步扩产。
• 燃料元件制造：轻水堆SMR使用成熟的UO₂芯块与锆合金包壳；TRISO燃料颗粒（直径约1mm的核芯外包裹多层碳化物涂层）在X-energy、BWXT等技术授权下量产。X-energy在美国田纳西州建立TRISO燃料商业工厂，于2023年完成工艺验证（来源：X-energy）。中国在包头建成HTR燃料元件生产线支持石岛湾。钠冷快堆HALEU金属燃料和熔盐堆液体燃料制造技术仍处试验规模，公开资料未见大规模产能。

6.2 关键设备与材料

• 反应堆压力容器：大锻件、整体封头制造要求极高，全球供应商有限，日本制钢所（JSW）、中国一重、二重、韩国斗山重工是主要厂商。SMR压力容器较主大堆更小，部分设计可使用更薄壁厚或新合金。
• 控制棒驱动机构、堆内构件：BWXT、法玛通、西屋等传统核电装备商具备SMR供应能力。
• 蒸汽发生器与换热器：一体化SMR将微通道或螺旋管式蒸汽发生器集成在容器内，制造精度高，须在工厂精密焊接，供应商包括Holtec（其SMR-300设计自产）、韩国斗山等。
• 仪控与数字化系统：SMR强调高度自动化和远程监控，供应商如艾默生、施耐德、中广核数科等开发专用平台。
• 模块化工厂建造设施：SMR模块须在专用工厂内全检出厂，目前仅少数企业具备产能计划：NuScale正在拓展供应链合作，预计部分模块由美国、韩国工厂制造；西屋AP300模块可能依托现有核岛设备厂；中国“玲龙一号”关键模块由中核装备制造基地完成。

6.3 核级焊材、特种金属

镍基合金（Inconel 617、哈氏合金等）用于高温气冷堆和熔盐堆结构件；钠冷快堆需耐高温不锈钢（316H等），相关金属由美国ATI、VDM、中国抚顺特钢等供应，但长期高温辐照数据仍在积累中，供应商认证周期较长。

7 下游

SMR下游需求集中在需要高可靠性、零碳电力的场景，其中AI数据中心、工业脱碳和微电网是三大支柱。

7.1 AI与超大规模数据中心

训练一个万亿参数大模型可能消耗数十亿千瓦时电力，ChatGPT级别的实时推理也需要持续、高密度的算力集群。科技巨头已将SMR视为实现“全天候无碳能源”（24/7 CFE）目标的战略选择：

• 亚马逊（Amazon）：2024年10月与X-energy签署合作协议，主导一轮5亿美元融资，计划在2030年代初部署Xe-100高温气冷堆，总装机容量约320 MWe，直接为亚马逊云服务（AWS）数据中心供电（来源：Amazon、X-energy新闻稿）。同时与Dominion Energy探索在弗吉尼亚州部署SMR（公开资料未见承诺）。
• 谷歌（Google）：2024年10月宣布与Kairos Power签订约500 MW的电力采购协议（PPA），首座KP-FHR熔盐堆计划在2030年前投入运营，后续将扩展至多个设施（来源：Google博客）。
• 微软（Microsoft）：虽未直接投资SMR，但2024年与Constellation Energy签署协议，重启三哩岛1号机组（传统大堆）为数据中心供电，同时公司设定了采购SMR电力的目标，并将Oklo纳入候选框架（来源：微软可持续发展报告）。
• Equinix、Compass等数据中心运营商：与Oklo签署了意向书或PPA，优先获取“微堆”电力。
• 标准电力公司（Standard Power）：2023年与NuScale签署协议意向，计划在俄亥俄州和宾夕法尼亚州部署多个VOYGR电厂专供数据中心集群（来源：NuScale投资者公告），但后续可行性研究进展未披露。

7.2 工业脱碳与制氢

高温气冷堆和熔盐堆出口温度可达700—950℃，可直接提供蒸汽裂解、合成氨、炼钢、水泥等过程热。SMR与固体氧化物电解槽耦合有望实现无碳氢大规模生产。日本IHI、美国Dow化工等正评估SMR向炼油厂化工厂供应工艺热；英国正在推动HTGR示范项目用于工业脱碳（来源：英国商业能源和工业战略部“先进核能计划”）。

7.3 偏远地区、微电网与海洋平台

远离主电网的矿山、岛屿、军事基地，以及石油钻井平台，可由车运的微反应堆（1—10 MWe）或小型多模块SMR提供十年以上不换料的独立电源。加拿大北极地区多个社区正评估微堆。俄罗斯“罗蒙诺索夫院士号”海上浮动核电站（KLT-40S，2×35 MWe）自2019年商运，为楚科奇地区供热供电，提供了SMR作为移动电源的成功先例（来源：Rosatom）。

7.4 替代燃煤与多能互补

多国计划用SMR直接取代即将退役的燃煤电厂，利用现有电网和冷却水设施。SMR与光伏、风电、储能配合，可形成完全零碳的混合能源微网，平衡可再生能源波动，降低系统成本。

8 受益公司

本部分仅做产业关联描述，不构成任何投资建议。以下按产业链环节列举代表性主体。

8.1 SMR技术开发商

• NuScale Power (美股:SMR)：第一家获得美国NRC标准设计批准(2023年1月)的SMR公司，VOYGR压水堆。2023年营收约2,300万美元（来源：NuScale 2023年10-K），但受首个商用项目（CFPP）在2023年底取消影响，股价大幅波动，公司转向海外市场和标准化部署，与罗马尼亚RoPower Nuclear签订前端工程设计协议（2024年）。
• TerraPower：私人公司，微软创始人比尔·盖茨联合创立，Natrium钠冷快堆，2024年非核部分破土动工（怀俄明州Kemmerer），DOE承诺分担约20亿美元成本。未上市，无财务数据。
• X-energy：美国私人公司，Xe-100高温气冷堆，2023年获得DOE约12亿美元ARDP资助，2024年获得亚马逊并定增融资。未上市。
• Kairos Power：美国私人公司，KP-FHR氟盐冷却高温堆，2023年首个非核试验堆Hermes获NRC建造许可，2024年与谷歌达成购电协议。未上市。
• Oklo：2024年通过与AltC Acquisition Corp合并上市（纽约证券交易所:OKLO）。Aurora微堆，已与Equinix等签订PPA，首项目目标2027年于爱达荷国家实验室投运（来源：Oklo投资者关系）。
• **中核集团/中国核工业集团：拥有“玲龙一号”ACP100，间接控制多家上市公司。中国核能电力、中国核电（601985.SH）为运营平台，中核国际提供燃料。ACP100首堆2026年投运，国内示范意义显著，海外寻求出口。
• 国家电投、中广核、西屋电气、Holtec International等也披露了各自SMR设计。西屋AP300预计2027年取得设计认证。

8.2 核燃料循环企业

• 铀矿商: Cameco（加拿大）、Kazatomprom（哈萨克斯坦）、中广核矿业等，将受益于SMR新建项目长期铀需求增长，但全球铀价自2023年起已大幅上升。
• HALEU供应商：Centrus Energy（美国）是现阶段除俄罗斯Tenex外唯一具备HALEU生产能力的西方企业，2023年产出首批示范量（来源：Centrus）。欧洲Urenco和美国后续产能扩张项目受到政府补贴。
• 燃料元件制造商：BWXT、法玛通、西屋、X-energy、中核北方核燃料元件公司等。

8.3 EPC与关键设备

三菱重工、斗山能源（韩国）、法玛通、日立、以及中国核电工程公司等传统核电建设商开始承接SMR模块组装和安装。部分压力容器/锻件供应商如前所述。

8.4 AI与数据中心终端用户

亚马逊、谷歌、微软、Meta均公开承诺支持核能，并投资SMR新创公司或签订PPA，其云平台与数据中心业务是SMR需求最确定的方向。信息基础设施REITs Equinix，以及私人数据中心开发商Align、QTS等也参与早期协议。

9 市场规模

由于SMR尚未进入大规模商业部署，市场规模预测差异极大，以下引用多家权威机构数据，标明年份、口径和来源。

• 装机容量潜力：国际原子能机构（IAEA）在2023年版《小型模块化反应堆技术发展进展》报告中指出，低情景下到2050年全球SMR装机容量不足10 GWe，高情景下达120 GWe以上。世界核协会（WNA）在2024年初的《SMR市场追踪》中预测，积极部署场景下，2030年代末SMR总装机容量可达35—50 GWe（来源：WNA 2024年2月报告）。
• 产业价值：美国能源部先进核能研究计划（ARDP）在2020—2023年累计承诺资金约32亿美元，以撬动私人资本。据BloombergNEF在2024年6月分析，若SMR度电成本降至60—80美元/MWh以下（当前多数设计目标），到2040年全球SMR投资总额可能超过1万亿美元，其中超过一半为电力项目投资，其余为供应链和燃料设施（来源：BNEF《核能革新》报告）。另一家咨询公司Wood Mackenzie在2024年3月预计，2035年前全球SMR设备与服务市场规模可达300—400亿美元（来源：WoodMac分析），但承认时间表高度不确定。
• 协议容量：2023—2024年，仅科技公司与SMR开发商签署的规划购电容量就超过1.5 GWe（Google约0.5 GW, Amazon相关约0.3 GW，其他意向），对应投资约150—300亿美元。这些数字表现了需求侧拉动。
• 军民用特殊市场：美国国防部在2022年授予微堆可行性合同，计划在2027年前于军事基地示范，潜在容量数百兆瓦，预算未公开。

总体来看，SMR市场正从“技术可行性”迈向“工程经济性验证”，一旦首堆在2027—2030年间按预算和工期成功投运，市场预期将加速兑现。在此之前，所有数字均为预测，存在较大不确定性。

10 玩家对比

下表汇总了全球主要SMR开发商的核心参数与进度（数据截至2025年4月，来源为公司公告及监管文件）：