核能是安全、清潔、低碳、高能量密度的戰(zhàn)略能源。2011年發(fā)生的福島核事故客觀上延緩了各國對發(fā)展核能的預(yù)期，但這種影響在逐漸減弱。

我國發(fā)展核能對于保障能源安全、實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展具有重要作用；對于帶動裝備制造業(yè)走向高端、打造中國經(jīng)濟“升級版”意義重大。

全球范圍內(nèi)的核電建設(shè)正迎來新的高潮，核電“走出去”已成為國家戰(zhàn)略。

讓我們根據(jù)“核能技術(shù)方向研究及發(fā)展路線圖”課題的主要內(nèi)容，來看看我國核能技術(shù)的發(fā)展方向。

鈾礦勘查、采冶開發(fā)需要加強。根據(jù)我國新一輪鈾礦資源潛力評價的結(jié)果，在不考慮引入MOX燃料元件、發(fā)展快堆技術(shù)的前提下，國內(nèi)天然鈾只能滿足近1×108 kW壓水堆核電站全壽命周期(60年)運行需求。我國鈾資源勘查程度低，考慮到從地質(zhì)勘查到獲得天然鈾，再通過鈾的轉(zhuǎn)化、鈾同位素分離和制造出核燃料元件入堆，至少需要15年以上，必須從現(xiàn)在開始加強地質(zhì)勘查和采冶開發(fā)，以保證我國核電的可持續(xù)發(fā)展。

核燃料組件制造產(chǎn)能不足。我國目前的燃料組件產(chǎn)能為1400 tU/a。按照每個壓水堆約需30 tU測算，到2020年，總的燃料元件需求約1800 tU/a，供需缺口達到400 tU/a。

第三代先進壓水堆的安全性和經(jīng)濟性需要優(yōu)化平衡。目前國內(nèi)外在建的三代壓水堆如AP1000、EPR都有不同程度的延期，造成首堆經(jīng)濟性較差，從而引發(fā)公眾質(zhì)疑核電經(jīng)濟性逐步變差。這是關(guān)系第三代核電規(guī)模化推廣的重大問題，亟待開展系統(tǒng)性的研究工作。

在核能規(guī)模化發(fā)展階段，核設(shè)施運行與維修技術(shù)需要升級。當存在大量高齡機組時，必須全面升級運行維修技術(shù)，實現(xiàn)從“低端手工式”到“高端智能式”作業(yè)的轉(zhuǎn)變;核電設(shè)備的可靠性、老化管理技術(shù)及應(yīng)急響應(yīng)技術(shù)都需要盡快完善和提高。

核電軟件能力建設(shè)急需加強。近幾年，我國核電軟件自主化開發(fā)取得關(guān)鍵突破，結(jié)束了我國核電沒有自主設(shè)計軟件的歷史。美國和歐盟正在開發(fā)“數(shù)值反應(yīng)堆技術(shù)”，旨在以高性能計算技術(shù)為基礎(chǔ)，利用多物理、多尺度耦合技術(shù)建立一個具有預(yù)測反應(yīng)堆性能的虛擬仿真環(huán)境。國內(nèi)應(yīng)該聯(lián)合優(yōu)勢力量，爭取在新一輪的核能軟件研發(fā)領(lǐng)域趕上歐美發(fā)達國家的步伐。

急需開展后處理能力建設(shè)，并配套發(fā)展離堆儲存技術(shù)，解決目前的核電乏燃料后處理和堆內(nèi)儲存矛盾。高水平放射性廢物處置工作需要盡快展開。

裂變?nèi)剂系脑鲋场ｋm然短期內(nèi)不存在鈾資源制約問題，但我國核電長期規(guī)模化發(fā)展仍面臨燃料供應(yīng)不足的風險。快堆理論上可以將鈾資源利用率提高到60%以上，有望成為一種千年能源。鈉冷金屬燃料快堆增殖比高，配合先進干法后處理和元件快速制造技術(shù)可以實現(xiàn)較短的燃料倍增時間，有利于核能快速擴大規(guī)模，應(yīng)該及早開展相關(guān)的基礎(chǔ)研究。

超鈾元素分離與嬗變。超鈾元素含有寶貴的核燃料，也是乏燃料長期放射性的主要來源，它的處理是影響公眾核電接受度的重要問題。分離和嬗變是處理超鈾元素的有效途徑，需要發(fā)展先進的分離技術(shù)、廢物整備技術(shù)、含MA元件/靶件制備技術(shù)，加快研發(fā)關(guān)鍵設(shè)備與材料。超鈾元素的嬗變需要開發(fā)專用嬗變快堆或者ADS系統(tǒng)。

先進核能的多用途利用。除了發(fā)電，核能在供熱(城市區(qū)域供熱、工業(yè)工藝供熱、海水淡化)和核動力領(lǐng)域都很有發(fā)展?jié)摿Αｉ_發(fā)模塊化壓水堆、超高溫氣冷堆、鉛冷快堆等小型化多用途堆型，可以作為核能發(fā)展的重要補充。

第四代堆堆型的定位和取舍。第四代堆堆型眾多，且處于不同的發(fā)展階段，一個國家沒有必要、也沒有能力全面發(fā)展。因此，應(yīng)該加強核能戰(zhàn)略研究，明確各種堆型的獨特優(yōu)勢、技術(shù)成熟度和發(fā)展的空間。

實現(xiàn)受控聚變主要有磁約束和慣性約束兩種途徑，二者均處于不同探索階段，距離聚變能源的要求還比較遠。磁約束聚變界正在聯(lián)合建造國際熱核聚變實驗堆(ITER)，將在ITER上研究穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體各類物理與技術(shù)問題，驗證開發(fā)利用聚變能源的科學可行性和工程可行性。Z箍縮慣性約束聚變首先需要解決點火問題。

實現(xiàn)大量聚變反應(yīng)所需的關(guān)鍵技術(shù)，對磁約束聚變而言是加熱、約束(實現(xiàn)聚變)和維持(長時間或平均長時間的聚變反應(yīng));對慣性約束而言則是壓縮、點火和高重復(fù)頻率點火。未來的磁約束聚變裝置必須以長脈沖或者連續(xù)方式運行，以便獲得可實用的聚變能量并穩(wěn)定輸出;慣性約束聚變要能獲得大量聚變能量必須實現(xiàn)以高重復(fù)頻率點火方式運行，具有相當大的挑戰(zhàn)。

聚變能源在商業(yè)應(yīng)用前還需研制能耐高能中子輻照的材料，建立能夠?qū)崿F(xiàn)氚自持的燃料循環(huán)等諸多工程技術(shù)挑戰(zhàn)。發(fā)展聚變裂變混合堆有可能促進聚變能提前應(yīng)用，其在未來能源中的競爭力應(yīng)該和第四代堆及純聚變堆比較。

壓水堆是2030年前我國核電發(fā)展的主力。總體發(fā)展方向是圍繞核能利用的長期安全穩(wěn)定及效能最大化。安全性仍然是核電發(fā)展的前提，實現(xiàn)安全性與經(jīng)濟性的優(yōu)化平衡是第三代核電發(fā)展面臨的現(xiàn)實挑戰(zhàn)。壓水堆乏燃料的干式儲存、運輸、后處理、高水平放射性廢物處置需要統(tǒng)籌考慮和合理布局。

快堆及第四代堆是核能下一步的發(fā)展方向。預(yù)計2030年前后將有部分成熟第四代堆推向市場，之后逐漸擴大規(guī)模。鈉冷快堆是目前第四代堆中技術(shù)成熟度最高、最接近商用的堆型，也是世界主要核大國繼壓水堆之后的重點發(fā)展方向。鈉冷快堆首先需要通過示范堆證明其安全性和經(jīng)濟性。快堆配套的燃料循環(huán)是關(guān)系快堆規(guī)模化發(fā)展的關(guān)鍵，涉及壓水堆乏燃料后處理、快堆燃料元件生產(chǎn)、快堆乏燃料后處理等環(huán)節(jié)。如果非常規(guī)鈾開發(fā)取得突破，如海水提鈾技術(shù)，那么快堆能源供應(yīng)的需求會弱化，嬗變超鈾元素和長壽命裂變產(chǎn)物的需求會強化。即使快堆的定位從增殖轉(zhuǎn)向嬗變，發(fā)展規(guī)模相應(yīng)減少，但快堆及其燃料循環(huán)發(fā)展還是必需的。

考慮到快堆燃料循環(huán)的建立需要數(shù)十年的時間，應(yīng)該及早開展相關(guān)研究工作，加強技術(shù)儲備。我國的高溫氣冷堆技術(shù)世界領(lǐng)先，在此基礎(chǔ)上發(fā)展超高溫氣冷堆，將是核能多用途利用的重要方式之一。其他第四代堆技術(shù)尚處于研發(fā)階段，在某些技術(shù)上具有一定的優(yōu)勢，但也存在著需要克服的工程難題，應(yīng)該首先加強共性基礎(chǔ)問題研究。

聚變能是未來理想的戰(zhàn)略能源之一。在磁約束聚變領(lǐng)域，托卡馬克的研究目前處于領(lǐng)先地位。我國正式參加了ITER項目的建設(shè)和研究；同時正在自主設(shè)計、研發(fā)中國聚變工程試驗堆(CFETR)。在慣性約束領(lǐng)域，Z箍縮作為能源更具有潛力，我國提出的Z箍縮驅(qū)動的聚變–裂變混合堆更有可能發(fā)展成具有競爭力的未來能源。實現(xiàn)聚變能的應(yīng)用尚未發(fā)現(xiàn)任何捷徑，但需要繼續(xù)關(guān)注國際聚變能研究的新思想、新技術(shù)和新途徑。

我國核電發(fā)展具有后發(fā)優(yōu)勢，在運機組安全水平和運行業(yè)績均居國際前列。以“華龍一號”和CAP1400為代表的自主先進第三代壓水堆系列機型，可實現(xiàn)從設(shè)計上實際消除大規(guī)模放射性物質(zhì)釋放，是未來核電規(guī)模化發(fā)展的主力機型。鈾資源供應(yīng)不會對我國核電發(fā)展形成根本制約。

核能發(fā)展仍面臨可持續(xù)性(提高鈾資源利用率，實現(xiàn)放射性廢物最小化)、安全與可靠性、經(jīng)濟性、防擴散與實體保護等方面的挑戰(zhàn)。國際上正在開發(fā)以快堆為代表的第四代核能系統(tǒng)，期待能更好地解決這些問題。

文章來源：中國能源研究會     作者：杜祥琬，葉奇蓁，徐銤，萬元熙，彭先覺，蘇罡，楊勇，高翔，師學明