先進(jìn)核能技術(shù)發(fā)展與展望

榮 健，劉 展,2

(1.國(guó)家能源局 中國(guó)核電發(fā)展中心，北京 100045；2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233)

目前，全球約440個(gè)核反應(yīng)堆供應(yīng)超過(guò)10%以上的電力(根據(jù)2019年國(guó)際能源署(IEA)電力數(shù)據(jù)提供約2 600 TW·h電力)，以平均超75%的高容量系數(shù)運(yùn)行，是全球第2大低碳電力能源。核能是高能量密度的國(guó)家戰(zhàn)略能源，同時(shí)又是唯一清潔、低碳、安全、高效的基荷能源。

2011年發(fā)生的福島核事故客觀上延緩了各國(guó)對(duì)核能發(fā)展的預(yù)期和各國(guó)對(duì)核能的規(guī)劃，更重要的是，國(guó)際社會(huì)對(duì)核能的安全性提出了新的、更高的要求；核能最嚴(yán)格的法規(guī)和監(jiān)管體系、縱深防御的預(yù)防與緩解理念及其他能源的競(jìng)爭(zhēng)正嚴(yán)重挑戰(zhàn)著核能的經(jīng)濟(jì)性。與此同時(shí)，核燃料的供應(yīng)、核廢物的處理和處置、防止核擴(kuò)散等方面的問(wèn)題對(duì)核能的可持續(xù)發(fā)展提出新的挑戰(zhàn)。世界核能界正探索和開(kāi)發(fā)新一代先進(jìn)核能技術(shù)，以期解決當(dāng)前核能發(fā)展中的安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等相關(guān)問(wèn)題。本文將圍繞國(guó)外先進(jìn)核能技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)、國(guó)內(nèi)先進(jìn)核能技術(shù)的現(xiàn)狀及方向和先進(jìn)核能技術(shù)的未來(lái)展望等3方面進(jìn)行研究分析。

1 國(guó)外先進(jìn)核能技術(shù)發(fā)展

1.1 國(guó)際核能組織

本世紀(jì)初，在美國(guó)能源部倡議下，由9個(gè)國(guó)家的高級(jí)政府代表討論第4代核能系統(tǒng)發(fā)展中的國(guó)際合作，即第4代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇(GIF)，截止目前，共20余個(gè)核能國(guó)家參與此論壇。GIF旨在尋求技術(shù)創(chuàng)新和先進(jìn)的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，并尋求新的市場(chǎng)機(jī)會(huì)(供熱、混合能源系統(tǒng)、可調(diào)度能源等)來(lái)降低成本，提升經(jīng)濟(jì)性，提高設(shè)計(jì)靈活性和熱效率，減少放射性廢物的體積和毒性，滿足第4代核能系統(tǒng)的可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性和防擴(kuò)散及實(shí)物保護(hù)的目標(biāo)。GIF推選了6種候選4代堆堆型，分別是超臨界水冷堆、超高溫氣冷堆、鈉冷快堆、鉛冷快堆、氣冷快堆和熔鹽堆[1-4]，表1列出了6種候選4代堆的特征[3]。目前高溫氣冷堆、鈉冷快堆和鉛冷快堆相對(duì)推動(dòng)較快，預(yù)計(jì)2030年開(kāi)始商業(yè)化部署。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)設(shè)立了專門的工作組以促進(jìn)快堆、創(chuàng)新反應(yīng)堆及燃料循環(huán)、小堆的技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用部署。在IAEA合作框架下，各成員國(guó)參與了快堆項(xiàng)目的相關(guān)工作，包括快堆設(shè)計(jì)、快堆結(jié)構(gòu)材料、液態(tài)金屬快堆安全性、模擬仿真等內(nèi)容；同時(shí)在陸基及海基水堆、快堆、熔鹽堆、高溫氣冷堆等小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)方面開(kāi)展了大量的堆型研發(fā)和應(yīng)用探索[5-7]。

經(jīng)濟(jì)合作組織核能署(OECD/NEA)啟動(dòng)核能創(chuàng)新2050(NI2050)，加強(qiáng)創(chuàng)新核技術(shù)的研究，集成其他工業(yè)已開(kāi)發(fā)和使用的先進(jìn)技術(shù)。NI2050涵蓋廣泛的技術(shù)領(lǐng)域，包括反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行、燃料和燃料循環(huán)技術(shù)、廢物管理和退役及非電應(yīng)用。NI2050制定了10年行動(dòng)計(jì)劃，關(guān)注延壽管理和長(zhǎng)期運(yùn)行、嚴(yán)重事故機(jī)理和管理、退役技術(shù)、先進(jìn)燃料和材料、先進(jìn)燃料循環(huán)、先進(jìn)制造和建造、核能供暖和熱電聯(lián)產(chǎn)、混合能源系統(tǒng)、廢物管理和處置等[8]。

表1 6種候選4代堆的特征Table 1 Characteristics of six candidate generation-Ⅳ reactors

IEA、國(guó)際核能合作框架(IFNEC)等多邊組織在積極探索和鼓勵(lì)先進(jìn)核能技術(shù)發(fā)展。IEA發(fā)布，若不采取行動(dòng)，到2040年全球核電產(chǎn)能下降幅度可達(dá)三分之二，在可再生能源尚未發(fā)展成熟之時(shí)，實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》所要求的二氧化碳減排速度挑戰(zhàn)巨大，這就需要大幅提高能源效率、可再生能源投資及增加核電。IEA支持新建核電站并鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)先進(jìn)核能技術(shù)[9]。IFNEC政府間多邊組織，通過(guò)安全、高效、可靠的方式擴(kuò)大和平利用核能，確保核不擴(kuò)散和核安保。IFNEC常設(shè)工作組推動(dòng)先進(jìn)核能和SMR的發(fā)展，并積極推動(dòng)核能發(fā)展和部署的研討會(huì)。清潔能源部長(zhǎng)級(jí)會(huì)議提出的美好未來(lái)倡議旨在通過(guò)創(chuàng)新、先進(jìn)的能源系統(tǒng)和應(yīng)用來(lái)改善電力集成系統(tǒng)，促進(jìn)可靠的清潔能源供應(yīng)[10]。

1.2 主要核能國(guó)家

2019年，美國(guó)總統(tǒng)簽署使美國(guó)核能法規(guī)現(xiàn)代化并支持下一代先進(jìn)反應(yīng)堆的法案《核能創(chuàng)新和現(xiàn)代化法案》(NEIMA)，包括《核能創(chuàng)新能力法案》(NEICA)、《核能領(lǐng)導(dǎo)法案》(NELA)等，其中NEICA支持先進(jìn)反應(yīng)堆的部署，開(kāi)發(fā)基于快中子的研究堆以測(cè)試先進(jìn)反應(yīng)堆的燃料和材料；NELA旨在推進(jìn)先進(jìn)核反應(yīng)堆技術(shù)的研發(fā)，鞏固美國(guó)在民用核能領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)地位[11-12]。美國(guó)能源部核能辦公室總體可概況為現(xiàn)有堆優(yōu)化、小型堆微堆示范、高通量多用途堆落地及先進(jìn)堆研發(fā)等的發(fā)展規(guī)劃，同時(shí)啟動(dòng)由愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室牽頭的國(guó)際反應(yīng)堆創(chuàng)新中心(NRIC)，旨在支持測(cè)試和驗(yàn)證反應(yīng)堆概念并評(píng)估反應(yīng)堆性能，實(shí)施創(chuàng)新反應(yīng)堆概念的建設(shè)和運(yùn)行[13]。

俄羅斯聯(lián)邦政府頒布《俄聯(lián)邦“核工業(yè)綜合體”發(fā)展國(guó)家綱要》，旨在通過(guò)安全發(fā)展核能，在遵守核不擴(kuò)散的前提下，鞏固俄羅斯在國(guó)際核技術(shù)和服務(wù)市場(chǎng)上的領(lǐng)先地位，包括加強(qiáng)核能技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展新一代核能技術(shù)[14]。俄羅斯正致力打造以壓水堆、快堆、浮動(dòng)堆和空間核動(dòng)力為代表的反應(yīng)堆技術(shù)，成為支撐本國(guó)核能發(fā)展的重要源動(dòng)力。與此同時(shí)，俄羅斯國(guó)家原子能集團(tuán)公司(ROSATOM)將第4代核能系統(tǒng)研發(fā)國(guó)際合作框架協(xié)議有效期延長(zhǎng)10年，加強(qiáng)先進(jìn)核能系統(tǒng)的國(guó)際合作開(kāi)發(fā)[15]。

歐洲原子能共同體(EURATOM)設(shè)立歐洲可持續(xù)核工業(yè)倡議，將工業(yè)界和研究伙伴聚集起來(lái)，共同研發(fā)第4代快堆技術(shù)，屬于歐盟戰(zhàn)略能源技術(shù)計(jì)劃的組成部分。EURATOM可持續(xù)發(fā)展核能的長(zhǎng)期目標(biāo)是至2050年完成可持續(xù)發(fā)展的第4代核裂變反應(yīng)堆的示范驗(yàn)證，并拓展核能(除發(fā)電外)技術(shù)的廣泛應(yīng)用[16]。

日本內(nèi)閣2018年批準(zhǔn)的日本能源戰(zhàn)略計(jì)劃，至2030年核能占比達(dá)到約20%，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)快堆和高溫氣冷堆來(lái)推動(dòng)未來(lái)核能研發(fā)，高溫氣冷堆還可生產(chǎn)用于燃料電池車輛和煉鋼的氫氣，降低溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)能源戰(zhàn)略目標(biāo)[17]。韓國(guó)積極開(kāi)展鈉冷快堆、高溫氣冷堆和全自然循環(huán)鉛基微小堆等方面的研究，此外，目前在合作部署一體化小型壓水堆SMART[18]。

近5～10年內(nèi)，具備大規(guī)模商業(yè)示范的先進(jìn)核能技術(shù)主要是小型模塊化壓水堆，表2列出了國(guó)外主要國(guó)家的先進(jìn)小型模塊化壓水堆。

表2 國(guó)外主要國(guó)家先進(jìn)小型模塊化壓水堆Table 2 Advanced small modular PWRs in major foreign countries

綜上，為積極應(yīng)對(duì)全球氣候變化，實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》所要求的二氧化碳減排目標(biāo)，各國(guó)際組織和核能大國(guó)均在探索拓展核能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)部署安全可靠的先進(jìn)模塊化小堆示范應(yīng)用，積極開(kāi)展第4代核能系統(tǒng)的研發(fā)和國(guó)際核能合作。

2 國(guó)內(nèi)先進(jìn)核能技術(shù)發(fā)展

能源主管部門出臺(tái)的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》[19]明確提出推動(dòng)能源技術(shù)革命，搶占科技發(fā)展制高點(diǎn)。我國(guó)將繼續(xù)深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，完善核能領(lǐng)域科技研發(fā)體系，支持小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)、高溫氣冷堆、鈉冷快堆、核能制氫等領(lǐng)域的科研和示范工作，助推清潔低碳能源供應(yīng)。

我國(guó)的陸地和海域自然生態(tài)環(huán)境多種多樣，多用途SMR具有較為廣泛的應(yīng)用前景。過(guò)去10年里，在一體化小型堆核電機(jī)組、熱點(diǎn)聯(lián)產(chǎn)、城市供暖、海水淡化等領(lǐng)域加大了研發(fā)力度，推進(jìn)核能綜合利用、智慧核能等方面的應(yīng)用。目前ACP100、CAP200、和美系列一體化多用途供熱堆、ACPR50S均在積極部署工程示范項(xiàng)目的前期工作，滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。表3列出了國(guó)內(nèi)各研發(fā)單位積極部署的主要先進(jìn)小型模塊化反應(yīng)堆[6,20]。

表3 國(guó)內(nèi)主要先進(jìn)小型模塊化反應(yīng)堆Table 3 Main advanced small modular reactors in China

近年來(lái)，我國(guó)高度重視和積極投入先進(jìn)核能系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)和示范工作。在能源政策的頂層規(guī)劃下，我國(guó)在第4代核能系統(tǒng)(快堆、高溫氣冷堆等)和先進(jìn)小型堆等方面取得了顯著成果。200 MWe具有固有安全特征的高溫氣冷堆示范工程正在建設(shè)。同時(shí)，圍繞高溫氣冷堆未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，積極參與國(guó)際合作[21]。我國(guó)的實(shí)驗(yàn)快堆已成功并網(wǎng)發(fā)電；基于鈉冷實(shí)驗(yàn)快堆，600 MWe的示范快堆工程(CFER-600)正在建設(shè)，最終發(fā)展商用快堆，實(shí)現(xiàn)快堆的商業(yè)推廣[21]。我國(guó)啟動(dòng)戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)——未來(lái)先進(jìn)核裂變能ADS嬗變系統(tǒng)，推動(dòng)國(guó)際核裂變能的創(chuàng)新發(fā)展，計(jì)劃到2030年左右實(shí)現(xiàn)工業(yè)示范的加速器驅(qū)動(dòng)核廢料嬗變系統(tǒng)[22]。此外，針對(duì)第4代核能系統(tǒng)候選堆型中鉛基堆和熔鹽堆等先進(jìn)核能技術(shù)，我國(guó)也在積極推進(jìn)，開(kāi)展技術(shù)研發(fā)攻關(guān)。

綜上，我國(guó)在能源政策和能源技術(shù)革命的頂層指導(dǎo)下，推動(dòng)先進(jìn)核能領(lǐng)域的科技創(chuàng)新，積極部署一體化多用途先進(jìn)小型堆的示范前期工作，按序推進(jìn)高溫氣冷堆和快堆的建設(shè)，積極開(kāi)展先進(jìn)核能系統(tǒng)的技術(shù)科研，促進(jìn)核能可持續(xù)發(fā)展。

3 先進(jìn)核能技術(shù)未來(lái)展望

目前，全球能源正處于向清潔低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要時(shí)期。先進(jìn)核能技術(shù)為核能低碳拓寬了綜合應(yīng)用場(chǎng)景，且提升了核能的安全性和可持續(xù)發(fā)展要求。圖1為世界先進(jìn)核能技術(shù)的發(fā)展路線。結(jié)合先進(jìn)核能技術(shù)的發(fā)展情況和應(yīng)用需求，對(duì)未來(lái)先進(jìn)核能技術(shù)的趨勢(shì)提出3點(diǎn)建議。

1) 重點(diǎn)推動(dòng)液態(tài)金屬快堆發(fā)展，加強(qiáng)釷基熔鹽堆的技術(shù)研究，提升燃料可持續(xù)性。液態(tài)金屬快堆具有低壓、快譜特點(diǎn)，可滿足安全性及可持續(xù)性要求；從國(guó)際4代堆發(fā)展歷程來(lái)看，鈉冷和鉛冷快堆有較好的技術(shù)基礎(chǔ)，可根據(jù)需求選擇不同的發(fā)展路線。此外，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，有必要基于釷基熔鹽堆開(kāi)展技術(shù)研究，更大程度實(shí)現(xiàn)燃料的可持續(xù)性。

2) 重點(diǎn)著眼先進(jìn)小堆的綜合應(yīng)用和創(chuàng)新應(yīng)用，構(gòu)建高效低碳靈活的智慧能源系統(tǒng)。先進(jìn)小堆有高安全性、功率小、多用途、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，將成為未來(lái)核能應(yīng)用的新趨勢(shì)。結(jié)合用戶需求和特殊用途，先進(jìn)核能將實(shí)現(xiàn)運(yùn)行靈活(具備負(fù)荷跟蹤能力)、部署靈活(具備不同功率組合及更寬的廠址適應(yīng)性)和產(chǎn)品靈活(具備供熱、制氫、制淡、海洋開(kāi)發(fā)等能力)的功能，成為可調(diào)度的綜合能源。先進(jìn)核能與儲(chǔ)能系統(tǒng)或可再生能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成低碳協(xié)同混合系統(tǒng)，可滿足不同需求，提高電網(wǎng)的靈活性和可靠性，解決可再生能源間隙性和為核能熱量創(chuàng)造更多的使用機(jī)會(huì)，構(gòu)建起綜合創(chuàng)新的低碳協(xié)同智慧能源系統(tǒng)。

圖1 世界先進(jìn)核能技術(shù)的發(fā)展路線Fig.1 Development roadmap for advanced nuclear technology in world

3) 重點(diǎn)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和共性技術(shù)研發(fā)。先進(jìn)核能系統(tǒng)的研發(fā)關(guān)鍵要解決技術(shù)的可行性，過(guò)程中要不斷加強(qiáng)基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究和共性技術(shù)的研發(fā)。(1) 先進(jìn)核能具更高的運(yùn)行溫度、特殊的冷卻劑和長(zhǎng)壽期不換料等技術(shù)特征，將對(duì)燃料和材料性能提出更高的要求，應(yīng)加大對(duì)燃料和特殊材料的研發(fā)力度；(2) 先進(jìn)核能采用不同的冷卻劑、材料和堆型，應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)領(lǐng)域研究，推動(dòng)先進(jìn)核能分析模型的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)分析體系的升級(jí)；(3) 加強(qiáng)閉式燃料循環(huán)的技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)核能長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展；(4) 加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全監(jiān)管等方面的研究，推動(dòng)先進(jìn)核能特有的標(biāo)準(zhǔn)體系和監(jiān)管體系建設(shè)。

在新的世界發(fā)展格局下，應(yīng)加強(qiáng)和深化國(guó)際核能合作，促進(jìn)先進(jìn)核能系統(tǒng)的全面創(chuàng)新應(yīng)用，共同應(yīng)對(duì)氣候變化。

4 結(jié)論

本文總結(jié)梳理了國(guó)外先進(jìn)核能技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃和具體技術(shù)路線，介紹了國(guó)內(nèi)先進(jìn)核能技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)，指出未來(lái)先進(jìn)核能技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)、重點(diǎn)技術(shù)方向和發(fā)展路徑。在國(guó)際社會(huì)日益受到碳排放約束的未來(lái)，清潔低碳高效核能的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。隨著先進(jìn)核能系統(tǒng)的革新設(shè)計(jì)和新一代先進(jìn)核能技術(shù)的深入研發(fā)及綜合應(yīng)用，保證核能系統(tǒng)安全性的提升和經(jīng)濟(jì)性具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，未來(lái)先進(jìn)核能技術(shù)將有較大的發(fā)展空間，將更接近用戶、更安全、低碳綠色、且提供多種核能拓展用途。