小型模組化核反應堆

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小型模組化核反應堆（SMR）是通過工廠預製、模組化組裝的小型核裂變反應堆，單堆電功率通常不超過300兆瓦，可多模組並聯執行。它把大型核電站的投資、選址、建造週期門檻大幅降低，為AI資料中心、工業脫碳等場景提供可快速部署、24小時穩定的零碳基荷電力。

2 3分鐘產業解釋

傳統大型核電站單機容量常超過1000兆瓦，建造週期8—12年，初始投資動輒百億美元，對電網、水源、地質要求極其嚴苛，且無法靈活匹配分散式電力需求。SMR正是在這一背景下被重新推向產業前沿：它將反應堆、蒸汽發生器、穩壓器等關鍵裝置高度整合在一個壓力容器內，在工廠完成製造和測試，再以模組形式運輸至現場拼裝，工期可壓縮到3—5年。單堆功率從幾兆瓦到300兆瓦不等，多模組並列可形成數十萬千瓦級的發電站，且換料週期長、無需頻繁停堆，非常適合需要連續供電的使用者。

推動SMR加速商業化的最大驅動力來自以生成式AI為代表的高密度算力基礎設施。一座10萬顆GPU的超大規模智算中心年耗電量可達10—15億千瓦時，且要求電力供應全年8760小時不間斷、碳排放受嚴格約束。光伏、風電雖成本下降，但無法單獨提供穩定基荷；天然氣發電面臨碳價和ESG壓力；大型核電建設又過於緩慢。SMR恰好填補了“零碳可排程基荷”的缺口，科技巨頭已紛紛簽署購電協議或直接投資反應堆開發商。據國際原子能機構（IAEA）2023年資料，全球超過80種SMR設計方案正在推進，其中3座已併網或處於除錯階段，多座在建或進入許可審查，主要分佈在美國、中國、俄羅斯、阿根廷、韓國等地。美國能源部（DOE）通過“先進反應堆示範計劃”（ARDP）在2020—2023年間投入數十億美元扶持多種設計，目標在2028—2030年實現首座商用SMR投產。中國“玲龍一號”（ACP100）則是全球首個通過IAEA安全審查的陸上商用模組化小堆，2024年完成壓力容器安裝，預計2026年投運。SMR不再是一個遙遠的核能概念，而是已經進入工程驗證和首批訂單交付的關鍵階段。

3 技術原理

SMR的底層物理仍是可控核裂變：中子轟擊鈾-235等易裂變核素，原子核分裂釋放能量和更多中子，維持鏈式反應。與傳統大堆的核心區別在於設計理念——從“現場建造規模經濟”轉向“工廠預製規模經濟”與“被動安全簡化”。

• 模組化預製與一體化整合：多數SMR將反應堆堆芯、蒸汽發生器、穩壓器全部封裝在同一個壓力容器內（一體化壓水堆），減少大型管道連線，從根本上消除大破口失水事故（LOCA）的風險。裝置模組在受控工廠環境中製造組裝，品控一致性優於現場施工，也大幅壓縮建造工期。
• 非能動安全系統：深度依賴重力、自然迴圈、熱傳導、蓄熱等物理原理實現事故停堆和餘熱匯出。例如，在喪失所有電源的極端工況下，堆芯餘熱可通過自然對流由安全殼內的空冷或水冷系統散出，無需柴油發電機或人員干預。部分設計（如高溫氣冷堆）使用耐高溫的TRISO燃料顆粒，即使在1600攝氏度以上仍能保持完整性，從燃料層面防止堆芯熔燬和放射性大規模釋放。
• 低功率密度與多模組協調：單個SMR堆芯熱功率通常在100—1000兆瓦熱（MWth），電功率30—300兆瓦電（MWe）。多臺模組可共用控制室、冷卻塔、應急電源等公用設施，逐步分期建設、逐步併網，緩解融資壓力。控制系統需協調多機組間的負荷分配，但相關技術已在核潛艇多反應堆平台上積累豐富經驗。
• 先進堆型與迴圈：除最成熟的一體化壓水堆（iPWR）外，還包括液態金屬冷卻快堆（鈉、鉛鉍）、高溫氣冷堆（氦氣冷卻、石墨慢化）、熔鹽堆（液態燃料流動、線上後處理）、熱管堆（鹼金屬熱管用於空間或偏遠電源）。這些先進設計追求更高出口溫度（≥700℃）以提升發電效率或直接提供工業熱，並試圖實現閉式燃料迴圈、降低長壽命廢物。

4 關鍵引數

以下為典型SMR設計的引數範圍，基於IAEA的ARIS資料庫及主流開發商公開資料（截至2024年）：

引數	典型範圍/數值	來源備註
單模組電功率	5—300 MWe，主流設計集中在50—150 MWe	IAEA ARIS，NuScale VOYGR每模組77 MWe，玲龍一號約125 MWe
熱功率	15—1000 MWth	根據電效率轉換，一般電效率30—40%
設計壽命	40—60年	各公司最終安全分析報告，如NuScale、X-energy
換料週期	24個月—72個月，部分設計目標10年以上（如Oklo）	壓水堆SMR通常24個月；Natrium設計約18—24個月；Oklo“Aurora”快堆目標20年不換料（來源：Oklo公司介紹）
建設週期（從澆灌第一罐混凝土到商運）	36—60個月	NuScale VOYGR目標36個月（首堆可能更長），ACP100預期60個月（來源：中核集團）
可用率目標	>95%	一般核電機組設計可用率，SMR同目標
核燃料富集度	傳統輕水堆SMR：<5% U-235；部分先進設計：HALEU（5—19.75%）	TRISO燃料常用8—15%；Natrium使用HALEU（金屬燃料），熔鹽堆可能使用高濃度低濃縮鈾
非能動安全系統能力	72小時以上無需人工干預、無需外部電力	NuScale設計72小時以上，TerraPower Natrium設計依靠自然迴圈空氣冷卻
冷卻水需求	顯著低於大型壓水堆，部分設計可採用空冷或乾式冷卻塔	炎熱內陸地區適應性提升

典型案例引數：

• NuScale VOYGR-6：6模組，合計462 MWe，每模組77 MWe，自然迴圈壓水堆，設計壽命60年，目標建設時間36個月（來源：NuScale 2022年投資者演示）。
• 中核“玲龍一號”ACP100：單模組125 MWe，一體化壓水堆，換料週期24個月，首堆於海南昌江建設，2024年反應堆壓力容器安裝，計劃2026年底投產（來源：中國核能行業協會、新華社）。
• TerraPower Natrium：345 MWe鈉冷快堆，配套1 GWh熔鹽儲能，可利用儲能靈活輸出500 MWe，目標2028年投運首堆（來源：TerraPower 2024年環境報告及DOE合作宣告）。
• Xe-100（X-energy）：每個模組約80 MWe，高溫氣冷堆（氦氣冷卻，石墨慢化），採用TRISO燃料，出口溫度750°C，可組合320 MWe電廠，計劃與Amazon合作（來源：X-energy 2024年亞馬遜合作公告）。

5 技術路線

目前全球有競爭力的SMR技術路線可大致分為五類，每類反映不同的冷卻劑、中子能譜和用途偏好。

5.1 輕水型一體化壓水堆（iPWR）

原理：普通水作為冷卻劑和慢化劑，反應堆一回路、蒸汽發生器、穩壓器全整合在壓力容器內。 優點：技術成熟，繼承大量第二代/第三代壓水堆經驗與供應鏈，監管審批路徑清晰。 代表：

• NuScale VOYGR（美國）：自然迴圈、無需主泵、非能動安全，已獲美國核管會（NRC）標準設計批准（2023年）。
• 中核“玲龍一號”（ACP100）：全球首個陸上商用一體化小堆，通過IAEA安全審查（2016年），海南昌江在建。
• 國電投“國和一號”降功率版？ 公開資料未見明確SMR型號，但中國另有多家企業（中廣核、華能）開發小型壓水堆。
• 西屋AP300：基於AP1000技術縮減，300 MWe，2023年啟動NRC預申請審查（來源：西屋電氣）。

5.2 液態金屬冷卻快堆（LMFR）

原理：鈉、鉛鉍等液態金屬做冷卻劑，中子能量高，可實現快中子增殖、嬗變長壽命核素，通常配合HALEU或鈽燃料。 優點：常壓執行、熱效率高，可閉式燃料迴圈，部分設計整合大規模儲熱，實現靈活調峰。 代表：

• TerraPower Natrium（美國）：鈉冷快堆+熔鹽儲能，獲得DOE 20億美元投入，2024年非核部分破土動工，目標2028年商運。
• Oklo “Aurora”（美國）：可部署的1.5—15 MWe鈉冷“微堆”，計劃不換料執行20年，首個專案已與Equinix等資料中心簽署購電協議。
• 中國示範快堆：雖然不屬於SMR範疇，但小型鉛鉍快堆“青雲端系列”處於研發階段（中國科學院），公開資料未顯示已進入工程。

5.3 高溫氣冷堆（HTGR）

原理：氦氣做冷卻劑，石墨做慢化劑，採用TRISO包覆燃料顆粒，出口溫度可達750℃—950℃。 優點：極端高溫下燃料完整性強，除發電外可提供工業熱用於制氫、化工，非能動餘熱冷卻極強。 代表：

• X-energy Xe-100（美國）：每個模組80 MWe，氦氣出口溫度750℃，2023年完成DOE資助的基礎設計，2024年獲Amazon投資並簽署電力採購協議。
• 中國石島灣HTR-PM：雙模組高溫氣冷堆，合計210 MWe，2021年併網發電，2023年滿功率執行，可視為示範SMR（來源：中核集團、中國能源報）。
• 英國Ultra Safe Nuclear（USNC）MMR：熱功率15 MWth，用於替代柴油、工業供熱，在加拿大和英國推進許可。

5.4 熔鹽堆（MSR）

原理：液態燃料（鈾、釷的氟化物鹽）在中低溫低壓下迴圈，充當燃料和冷卻劑，具有線上新增燃料、連續去除裂變產物的潛力。 優點：化學惰性、負溫度係數大，不會發生堆芯熔燬，高出口溫度可用於制氫。 代表：

• Kairos Power KP-FHR（美國）：氟鹽冷卻高溫堆，使用TRISO顆粒，熱功率140 MWth，2024年獲得美國NRC建造許可（用於首個非核試驗堆Hermes），並與Google簽署約500 MW購電協議（來源：Kairos Power、Google新聞）。
• Terrestrial Energy IMSR（加拿大）：一體化熔鹽堆，發電195 MWe或提供工業熱，正在加拿大核安全委員會審評。
• 上海應用物理研究所TMSR-LF1：中國小型釷基熔鹽實驗堆已獲執行許可，2023年達到臨界（來源：中國科學院），後續商用設計尚未公佈。

5.5 熱管堆及其他微堆

原理：利用鹼金屬熱管從堆芯傳導熱量到熱電轉換裝置（如斯特林發動機、熱光伏），無流體迴圈，高度緊湊。 優點：無冷卻泵、無活動部件，適合偏遠地區、太空應用。 代表：

• Oklo Aurora（也可歸為快堆/熱管相關，但實際為鈉冷小型快堆設計）。
• 西屋eVinci微反應堆：熱管冷卻，5 MWe，可車載移動，計劃2027年示範。

每種路線均面臨各自的工程挑戰（高溫材料、腐蝕、液態金屬化學控制等），但多元競爭正加速關鍵技術的供應鏈成熟。

6 上游

SMR的上游產業鏈涵蓋核燃料供應、特殊材料、大型零元件製造及專用模組設施。

6.1 核燃料

• 鈾資源與轉化濃縮：鈾開採（Cameco、Kazatomprom、中核集團等），U3O8粉末→UF6轉化→離心機濃縮。對於多數輕水型SMR，現有富集度<5%的U-235供應充足，但先進設計普遍依賴高丰度低濃縮鈾（HALEU，富集度5%—19.75%）。美國2022年《通脹削減法案》撥款7億美元支援HALEU國內供應鏈，Centrus Energy在俄亥俄州的首座HALEU示範設施於2023年產出首批HALEU（來源：Centrus公告，DOE）。預計到2030年，美國HALEU年產能需達到數十噸規模才能支撐首批SMR機組首爐裝料，歐洲和中國正同步擴產。
• 燃料元件製造：輕水堆SMR使用成熟的UO₂芯塊與鋯合金包殼；TRISO燃料顆粒（直徑約1mm的核芯外包裹多層碳化物塗層）在X-energy、BWXT等技術授權下量產。X-energy在美國田納西州建立TRISO燃料商業工廠，於2023年完成工藝驗證（來源：X-energy）。中國在包頭建成HTR燃料元件生產線支援石島灣。鈉冷快堆HALEU金屬燃料和熔鹽堆液體燃料製造技術仍處試驗規模，公開資料未見大規模產能。

6.2 關鍵裝置與材料

• 反應堆壓力容器：大鍛件、整體封頭製造要求極高，全球供應商有限，日本製鋼所（JSW）、中國一重、二重、韓國斗山重工是主要廠商。SMR壓力容器較主大堆更小，部分設計可使用更薄壁厚或新合金。
• 控制棒驅動機構、堆內構件：BWXT、法瑪通、西屋等傳統核電裝備商具備SMR供應能力。
• 蒸汽發生器與換熱器：一體化SMR將微通道或螺旋管式蒸汽發生器整合在容器內，製造精度高，須在工廠精密焊接，供應商包括Holtec（其SMR-300設計自產）、韓國斗山等。
• 儀控與數字化系統：SMR強調高度自動化和遠端監控，供應商如艾默生、施耐德、中廣核數科等開發專用平台。
• 模組化工廠建造設施：SMR模組須在專用工廠內全檢出廠，目前僅少數企業具備產能計劃：NuScale正在拓展供應鏈合作，預計部分模組由美國、韓國工廠製造；西屋AP300模組可能依託現有核島裝置廠；中國“玲龍一號”關鍵模組由中核裝備製造基地完成。

6.3 核級焊材、特種金屬

鎳基合金（Inconel 617、哈氏合金等）用於高溫氣冷堆和熔鹽堆結構件；鈉冷快堆需耐高溫不鏽鋼（316H等），相關金屬由美國ATI、VDM、中國撫順特鋼等供應，但長期高溫輻照資料仍在積累中，供應商認證週期較長。

7 下游

SMR下游需求集中在需要高可靠性、零碳電力的場景，其中AI資料中心、工業脫碳和微電網是三大支柱。

7.1 AI與超大規模資料中心

訓練一個萬億引數大型模型可能消耗數十億千瓦時電力，ChatGPT級別的即時推論也需要持續、高密度的算力叢集。科技巨頭已將SMR視為實現“全天候無碳能源”（24/7 CFE）目標的戰略選擇：

• 亞馬遜（Amazon）：2024年10月與X-energy簽署合作協議，主導一輪5億美元融資，計劃在2030年代初部署Xe-100高溫氣冷堆，總裝機容量約320 MWe，直接為亞馬遜雲端服務（AWS）資料中心供電（來源：Amazon、X-energy新聞稿）。同時與Dominion Energy探索在維吉尼亞州部署SMR（公開資料未見承諾）。
• Google（Google）：2024年10月宣佈與Kairos Power簽訂約500 MW的電力採購協議（PPA），首座KP-FHR熔鹽堆計劃在2030年前投入運營，後續將擴充套件至多個設施（來源：Google部落格）。
• 微軟（Microsoft）：雖未直接投資SMR，但2024年與Constellation Energy簽署協議，重啟三哩島1號機組（傳統大堆）為資料中心供電，同時公司設定了採購SMR電力的目標，並將Oklo納入候選架構（來源：微軟可持續發展報告）。
• Equinix、Compass等資料中心運營商：與Oklo簽署了意向書或PPA，優先獲取“微堆”電力。
• 標準電力公司（Standard Power）：2023年與NuScale簽署協議意向，計劃在俄亥俄州和賓夕法尼亞州部署多個VOYGR電廠專供資料中心叢集（來源：NuScale投資者公告），但後續可行性研究進展未揭露。

7.2 工業脫碳與制氫

高溫氣冷堆和熔鹽堆出口溫度可達700—950℃，可直接提供蒸汽裂解、合成氨、煉鋼、水泥等過程熱。SMR與固體氧化物電解槽耦合有望實現無碳氫大規模生產。日本IHI、美國Dow化工等正評估SMR向煉油廠化工廠供應工藝熱；英國正在推動HTGR示範專案用於工業脫碳（來源：英國商業能源和工業戰略部“先進核能計劃”）。

7.3 偏遠地區、微電網與海洋平台

遠離主電網的礦山、島嶼、軍事基地，以及石油鑽井平台，可由車運的微反應堆（1—10 MWe）或小型多模組SMR提供十年以上不換料的獨立電源。加拿大北極地區多個社群正評估微堆。俄羅斯“羅蒙諾索夫院士號”海上浮動核電站（KLT-40S，2×35 MWe）自2019年商運，為楚科奇地區供熱供電，提供了SMR作為移動電源的成功先例（來源：Rosatom）。

7.4 替代燃煤與多能互補

多國計劃用SMR直接取代即將退役的燃煤電廠，利用現有電網和冷卻水設施。SMR與光伏、風電、儲能配合，可形成完全零碳的混合能源微網，平衡可再生能源波動，降低系統成本。

8 受益公司

本部分僅做產業關聯描述，不構成任何投資建議。以下按產業鏈環節列舉代表性主體。

8.1 SMR技術開發商

• NuScale Power (美股:SMR)：第一家獲得美國NRC標準設計批准(2023年1月)的SMR公司，VOYGR壓水堆。2023年營收約2,300萬美元（來源：NuScale 2023年10-K），但受首個商用專案（CFPP）在2023年底取消影響，股價大幅波動，公司轉向海外市場和標準化部署，與羅馬尼亞RoPower Nuclear簽訂前端工程設計協議（2024年）。
• TerraPower：私人公司，微軟創始人比爾·蓋茨聯合創立，Natrium鈉冷快堆，2024年非核部分破土動工（懷俄明州Kemmerer），DOE承諾分擔約20億美元成本。未上市，無財務資料。
• X-energy：美國私人公司，Xe-100高溫氣冷堆，2023年獲得DOE約12億美元ARDP資助，2024年獲得亞馬遜並定增融資。未上市。
• Kairos Power：美國私人公司，KP-FHR氟鹽冷卻高溫堆，2023年首個非核試驗堆Hermes獲NRC建造許可，2024年與Google達成購電協議。未上市。
• Oklo：2024年通過與AltC Acquisition Corp合併上市（紐約證券交易所:OKLO）。Aurora微堆，已與Equinix等簽訂PPA，首專案目標2027年於愛達荷國家實驗室投運（來源：Oklo投資者關係）。
• **中核集團/中國核工業集團：擁有“玲龍一號”ACP100，間接控制多家上市公司。中國核能電力、中國核電（601985.SH）為運營平台，中核國際提供燃料。ACP100首堆2026年投運，國內示範意義顯著，海外尋求出口。
• 國家電投、中廣核、西屋電氣、Holtec International等也揭露了各自SMR設計。西屋AP300預計2027年取得設計認證。

8.2 核燃料迴圈企業

• 鈾礦商: Cameco（加拿大）、Kazatomprom（哈薩克）、中廣核礦業等，將受益於SMR新建專案長期鈾需求增長，但全球鈾價自2023年起已大幅上升。
• HALEU供應商：Centrus Energy（美國）是現階段除俄羅斯Tenex外唯一具備HALEU生產能力的西方企業，2023年產出首批示範量（來源：Centrus）。歐洲Urenco和美國後續產能擴張專案受到政府補貼。
• 燃料元件製造商：BWXT、法瑪通、西屋、X-energy、中核北方核燃料元件公司等。

8.3 EPC與關鍵裝置

三菱重工、斗山能源（韓國）、法瑪通、日立、以及中國核電工程公司等傳統核電建設商開始承接SMR模組組裝和安裝。部分壓力容器/鍛件供應商如前所述。

8.4 AI與資料中心終端使用者

亞馬遜、Google、微軟、Meta均公開承諾支援核能，並投資SMR新創公司或簽訂PPA，其雲端平台與資料中心業務是SMR需求最確定的方向。資訊基礎設施REITs Equinix，以及私人資料中心開發商Align、QTS等也參與早期協議。

9 市場規模

由於SMR尚未進入大規模商業部署，市場規模預測差異極大，以下引用多家權威機構資料，標明年份、口徑和來源。

• 裝機容量潛力：國際原子能機構（IAEA）在2023年版《小型模組化反應堆技術發展進展》報告中指出，低情景下到2050年全球SMR裝機容量不足10 GWe，高情景下達120 GWe以上。世界核協會（WNA）在2024年初的《SMR市場追蹤》中預測，積極部署場景下，2030年代末SMR總裝機容量可達35—50 GWe（來源：WNA 2024年2月報告）。
• 產業價值：美國能源部先進核能研究計劃（ARDP）在2020—2023年累計承諾資金約32億美元，以撬動私人資本。據BloombergNEF在2024年6月分析，若SMR度電成本降至60—80美元/MWh以下（當前多數設計目標），到2040年全球SMR投資總額可能超過1萬億美元，其中超過一半為電力專案投資，其餘為供應鏈和燃料設施（來源：BNEF《核能革新》報告）。另一家諮詢公司Wood Mackenzie在2024年3月預計，2035年前全球SMR裝置與服務市場規模可達300—400億美元（來源：WoodMac分析），但承認時間表高度不確定。
• 協議容量：2023—2024年，僅科技公司與SMR開發商簽署的規劃購電容量就超過1.5 GWe（Google約0.5 GW, Amazon相關約0.3 GW，其他意向），對應投資約150—300億美元。這些數字表現了需求側拉動。
• 軍民用特殊市場：美國國防部在2022年授予微堆可行性合同，計劃在2027年前於軍事基地示範，潛在容量數百兆瓦，預算未公開。

總體來看，SMR市場正從“技術可行性”邁向“工程經濟性驗證”，一旦首堆在2027—2030年間按預算和工期成功投運，市場預期將加速兌現。在此之前，所有數字均為預測，存在較大不確定性。

10 玩家對比

下表彙總了全球主要SMR開發商的核心引數與進度（資料截至2025年4月，來源為公司公告及監管檔案）：

開發商 / 設計	技術路線	單模組電功率(MWe)	關鍵特徵	審批/工程狀態	目標首次商運	簽約/意向電力使用者
NuScale Power (VOYGR)	一體化壓水堆，自然迴圈	77 (可組成6或12模組)	非能動安全，72小時免操作；已獲NRC設計批准	CFPP專案取消；與羅馬尼亞RoPower簽署前端設計協議	2029-2030（羅馬尼亞首堆）	Standard Power(意向)，未實現有約束力的PPA
TerraPower (Natrium)	鈉冷快堆+熔鹽儲能	基準345 MWe，儲能可短時輸出