核能是清潔低碳安全高效的能源形式，自20世紀(jì)中葉人類和平利用核能以來，核能在推動全球經(jīng)濟社會發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。近兩年，氣候問題帶來的能源轉(zhuǎn)型思考疊加能源供應(yīng)危機，使全球多國重新審視核能作用，制定了一系列核能發(fā)展戰(zhàn)略，并開展了諸多行動。本文綜合梳理全球主要核能國家發(fā)展策略、技術(shù)創(chuàng)新和綜合利用動向，以期為我國核能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。
核能是一種清潔、低碳、高效、運行穩(wěn)定的能源形式，在保障能源安全、推動能源轉(zhuǎn)型、助力碳達峰碳中和及氣候目標(biāo)實現(xiàn)中發(fā)揮著重要作用。近兩年，新冠疫情及地緣政治沖突帶來的供應(yīng)鏈問題引發(fā)全球能源市場動蕩，世界各國紛紛重新思考能源安全戰(zhàn)略，更加關(guān)注能源的多樣性及自主可控的能源供應(yīng)。對于許多國家而言，發(fā)展核能是保障能源安全的現(xiàn)實選擇。與此同時，為應(yīng)對氣候變化，多國政府近年加大了實現(xiàn)凈零排放的雄心和承諾，世界主要國家在能源清潔低碳發(fā)展方面的目標(biāo)更趨一致。
盡管風(fēng)能和太陽能預(yù)計將引領(lǐng)全球能源部門實現(xiàn)凈零排放，但因其隨機波動性，仍需核能等靈活、可調(diào)度資源作為重要補充。國際能源署(IEA)研究表明，要實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的氣候變化目標(biāo)，到2050年全球核電容量需要翻一番。2023年4月19日更新的國際原子能機構(gòu)(IAEA)動力堆信息系統(tǒng)顯示，當(dāng)前全球共有在運核反應(yīng)堆420座，總裝機容量374827MWe，在建核反應(yīng)堆56座，容量58595MWe。表1 各國核反應(yīng)堆裝機情況(截至2023年3月)
注：統(tǒng)計數(shù)據(jù)未包含我國臺灣地區(qū)
數(shù)據(jù)來源：世界核協(xié)會
在地緣沖突引發(fā)能源供給危機與能源結(jié)構(gòu)加速綠色低碳轉(zhuǎn)型交匯影響下，各國紛紛調(diào)整政策，核能在全球進入新一輪加速發(fā)展期，以先進核能技術(shù)、可控核聚變等為代表的新技術(shù)新方向受到前所未有的廣泛關(guān)注。本文綜合梳理全球主要核能國家近期發(fā)展策略、技術(shù)創(chuàng)新和綜合利用情況，基于此思考我國核能產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，供參考。
一、主要核能國家近期發(fā)展策略
俄羅斯明確了核能作為綠色能源的地位，計劃建造小型核電廠，建立無廢物能源技術(shù)平臺，開拓核技術(shù)市場并研發(fā)新型核燃料;美國確定了保持現(xiàn)有反應(yīng)堆持續(xù)運行、啟動先進反應(yīng)堆部署、開發(fā)先進核燃料循環(huán)系統(tǒng)、保持核能領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)地位等目標(biāo);法國作出為現(xiàn)有核電機組延壽、興建第二代歐洲先進壓水堆、開發(fā)創(chuàng)新型核反應(yīng)堆的部署;日本將重啟核反應(yīng)堆，并以新一代反應(yīng)堆替代決定報廢的反應(yīng)堆。
01
俄羅斯
作為傳統(tǒng)核能大國，俄羅斯始終將核能發(fā)展作為保障能源安全、促進經(jīng)濟發(fā)展和維持國際地位的重要戰(zhàn)略決策，其核能技術(shù)水平也一直走在世界前列。早在1999年，俄聯(lián)邦政府就發(fā)布了《21世紀(jì)上半葉俄羅斯核能發(fā)展戰(zhàn)略》，提出要在新的技術(shù)平臺上進一步發(fā)展快中子反應(yīng)堆。
2009年，俄聯(lián)邦政府批準(zhǔn)通過《俄羅斯2030年能源戰(zhàn)略》，提出2030年前實現(xiàn)如下計劃：核電站的現(xiàn)代化和升級改造;開發(fā)快中子反應(yīng)堆的實驗堆和商業(yè)核電站;建造具有超臨界蒸汽參數(shù)和中子譜可調(diào)的新一代壓水反應(yīng)堆;閉式燃料循環(huán)，包括開發(fā)新技術(shù)、建立新企業(yè);開發(fā)廢物處理創(chuàng)新技術(shù)，實現(xiàn)放射性廢物的輻射當(dāng)量最小化;以國內(nèi)的創(chuàng)新技術(shù)和富有成效的國際合作為基礎(chǔ)，開發(fā)聚變技術(shù)。
2022年烏克蘭危機升級以來，俄羅斯能源發(fā)展面臨著前所未有的困境。為確保國家技術(shù)主權(quán)，俄聯(lián)邦政府調(diào)整了先進技術(shù)研發(fā)和人才培養(yǎng)政策，核能就是政策側(cè)重領(lǐng)域之一。俄羅斯總理米舒斯京2022年2月宣布，俄聯(lián)邦政府將為新核能發(fā)展計劃撥款約1000億盧布(約13億美元)。該計劃包括建造小型核電廠、建立基于閉式燃料循環(huán)技術(shù)的無廢物能源技術(shù)平臺、開拓核技術(shù)市場及研發(fā)新型核燃料。作為計劃的一部分，俄羅斯已于2021年開始建設(shè)快堆及世界首座新一代核燃料生產(chǎn)廠，并完成了陸上小型核電廠投資可行性研究。俄羅斯計劃于2024年開始建造RITM-200小堆，為楚科奇自治區(qū)建造海上小型核動力設(shè)施，并建成首座新一代核燃料生產(chǎn)廠。俄羅斯最新的目標(biāo)是到2030年實現(xiàn)在全球小型核電市場占比達20%，核燃料市場占比達24%。
同年10月，俄羅斯總理米舒斯京批準(zhǔn)了俄羅斯國家綠色項目分類法，該法案規(guī)定了包括核能項目在內(nèi)的不同行業(yè)的合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，并正式承認核能是俄羅斯綠色能源的組成部分，明確了核能作為清潔、低碳能源的地位，這也意味著俄羅斯后續(xù)的創(chuàng)新核能項目將以更加優(yōu)惠的條件獲得更多的綠色融資。
02
美國
美國是世界上最大的核電生產(chǎn)國，核電發(fā)電量占全球核電發(fā)電量的30%以上。但目前幾乎所有的美國核能電力都來自于1967年至1990年間建造的反應(yīng)堆，這主要是因為多年來天然氣發(fā)電被認為在經(jīng)濟上更具吸引力，并且1979年發(fā)生的三哩島事故加劇了公眾對核能安全的擔(dān)憂。
資料來源：世界核協(xié)會
圖1 美國運行和在建反應(yīng)堆分布圖
盡管30多年來美國少有新的核電機組投產(chǎn)，但美國對核電的依賴仍在增強。1980年，美國核電站發(fā)電量為251TWh，占全國發(fā)電量的11%。2019年，美國核電發(fā)電量已增至809TWh，占比上升至近20%。美國核工業(yè)通過改進現(xiàn)有電廠的換料、維護和安全系統(tǒng)，在電廠利用率方面取得了顯著進步。
2021年1月，美國能源部核能辦公室發(fā)布了《戰(zhàn)略遠景》報告，概述了支持美國現(xiàn)有核電機組、示范核能技術(shù)創(chuàng)新和探索新市場機會的戰(zhàn)略，是推進核能科技以滿足美國能源、環(huán)境和經(jīng)濟需求的任務(wù)藍圖。報告確定了五個戰(zhàn)略目標(biāo)：
一是確保美國現(xiàn)有反應(yīng)堆持續(xù)運行。具體目標(biāo)包括降低運營成本、拓展電力以外市場以及為現(xiàn)有電廠的持續(xù)運行提供依據(jù)。績效指標(biāo)包括：到2022年建立一個可擴容氫氣發(fā)電試點工廠，到2025年在商業(yè)反應(yīng)堆中開始使用事故容錯燃料取代現(xiàn)有燃料，到2026年為運行中的電廠成功部署數(shù)字反應(yīng)堆安全系統(tǒng)，到2030年實現(xiàn)事故容錯燃料的廣泛使用。
二是啟動先進反應(yīng)堆的部署。具體目標(biāo)包括減少先進核技術(shù)部署的時間、降低風(fēng)險、開發(fā)可擴展核能市場的反應(yīng)堆型以及支持反應(yīng)堆的多樣性建設(shè)。績效指標(biāo)包括：到2024年演示并測試微堆堆芯，到2025年使商業(yè)微堆演示成為可能，到2027年演示核能與可再生混合能源系統(tǒng)，到2028年展示兩種先進反應(yīng)堆，到2029年運行美國第一個商業(yè)小堆，到2035年至少再演示另外兩種先進反應(yīng)堆的設(shè)計。
三是開發(fā)先進的核燃料循環(huán)系統(tǒng)。具體目標(biāo)是解決核燃料供應(yīng)短缺問題并建立一個綜合廢料管理系統(tǒng)。績效指標(biāo)主要是進行鈾儲備以及先進反應(yīng)堆燃料循環(huán)評估。
四是保持核能領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)地位。具體目標(biāo)是為核部門尋求全球商機，確保擁有世界一流的研發(fā)團隊與能力。重點績效指標(biāo)包括：2021年同五個尋求核能項目的國家建立正式合作，并制定一套體系協(xié)助各國發(fā)展核項目;到2022年加強美在核能多邊組織的參與和領(lǐng)導(dǎo)力;到2026年建造多功能試驗堆;到2030年同NASA合作演示裂變表面動力系統(tǒng)。
五是建立一個高效的組織。具體內(nèi)容是提高核能辦公室效能并有效管理各類項目與投資。
2022年2月，美國政府對2020年10月發(fā)布的《關(guān)鍵和新興技術(shù)國家戰(zhàn)略》進行了更新，增加了包括先進核能技術(shù)在內(nèi)的多項關(guān)鍵技術(shù)，反映了美國在先進核能技術(shù)領(lǐng)域開展技術(shù)開發(fā)研究和爭奪國際人才的意圖。在國家發(fā)展政策方面，美國國會通過了《核能創(chuàng)新能力法》《先進核能技術(shù)發(fā)展法》《能源部創(chuàng)新法》《兩黨核能稅法》。其中，《核能創(chuàng)新能力法》不僅授權(quán)開發(fā)用于測試先進反應(yīng)堆燃料和相關(guān)材料所需的快中子多功能反應(yīng)堆，還授權(quán)建立國家反應(yīng)堆創(chuàng)新中心，以建造實驗反應(yīng)堆并加快美國核管理委員會對先進核能設(shè)計的審批許可。《先進核能技術(shù)發(fā)展法》則指導(dǎo)美國能源部與私營企業(yè)達成協(xié)議，在2028年秋季之前，至少開展4個先進核反應(yīng)堆示范項目。
同月，美國能源部宣布了一項耗資60億美元、旨在提升國內(nèi)在運核電機組盈利性的民用核能信貸計劃，以支持現(xiàn)有核電廠長期運行。隨后，美國能源部又啟動了一項投資95億美元的清潔氫技術(shù)計劃，包括利用核電生產(chǎn)清潔氫。這兩項計劃都是美國《基礎(chǔ)設(shè)施投資和就業(yè)法》的一部分。美國能源部對外宣稱，核電廠對于實現(xiàn)美國的氣候目標(biāo)至關(guān)重要，能源部致力于保持100%的清潔電力供應(yīng)，防止過早關(guān)閉核電廠。
美國2022年通過了《通脹削減法案》，這是美國歷史上最重要的氣候法案，其中包含了關(guān)于核工業(yè)發(fā)展的多項優(yōu)惠政策，主要有：為現(xiàn)有核電機組提供每千瓦時0.015美元的生產(chǎn)稅抵免，以便使現(xiàn)有的發(fā)電機組保持經(jīng)濟競爭力;撥款7億美元，幫助建立先進堆開發(fā)所需的高豐度低濃鈾的自主供應(yīng)鏈;撥款1.5億美元用于改善愛達荷國家實驗室核研究相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。
03
法國
上世紀(jì)70年代，法國因石油危機決定發(fā)展自主能源，核電成為首選。幾十年來，法國一直是世界上核能發(fā)電比例最高的國家，其核電占比曾穩(wěn)定在70%以上。然而過度倚重核電，也讓核能發(fā)展逐漸成為法國政府的負擔(dān)，高昂的運維及新建成本幾乎要拖垮法國國營電力公司EDF。近年來，法國政府逐漸淡化核電，并積極鼓勵發(fā)展可再生能源。
表2 各國核電發(fā)電量占比情況(單位：%)
注：統(tǒng)計數(shù)據(jù)未包含我國臺灣地區(qū)
數(shù)據(jù)來源：世界核協(xié)會
但自2021年以來，歐洲電價、天然氣、汽油等能源價格飛漲，給許多家庭造成沉重負擔(dān)。面對緊迫的能源危機，法國政府開始思考，重啟核能或許是應(yīng)對危機的最佳方式。2022年2月，法國宣布將推行新能源戰(zhàn)略，以提高脫碳電能產(chǎn)量為目標(biāo)，重點發(fā)展可再生能源和核能兩大支柱能源。核能方面，法國將不再關(guān)停核電站，并大力發(fā)展創(chuàng)新型核反應(yīng)堆，這是對此前法國核能政策的戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)向。法國政府提出“重啟民用核能的偉大征程”，為此，作出了如下部署：
一是不再關(guān)閉現(xiàn)有核電站，除非出現(xiàn)安全隱患;提高現(xiàn)有核電站的使用壽命，確保其服務(wù)年限從40年提高到50年。
二是興建第二代歐洲先進壓水堆。此前，法國已經(jīng)開始在芬蘭與本國的弗拉曼維爾建設(shè)歐洲先進壓水堆(EPR)，但出現(xiàn)了工程延期、造價超標(biāo)等問題。隨后，法國吸取此前經(jīng)驗教訓(xùn)，并將新建的核反應(yīng)堆升級為第二代歐洲先進壓水堆(EPR2)。目前，法國已經(jīng)確定第一批EPR2的建設(shè)計劃，即建設(shè)6座EPR2，總造價初步為500億歐元左右，第一座新核反應(yīng)堆將于2028年啟動建設(shè)，2035年投入使用。
三是進一步落實2021年10月提出的《法國2030計劃》，即走“核能—綠氫—可再生能源”三位一體的碳中和能源發(fā)展路線，投資10億歐元開發(fā)顛覆性創(chuàng)新型核反應(yīng)堆。法國將啟動NUWARD項目，開發(fā)小型模塊化核反應(yīng)堆(SMR)，總投資5億歐元;開發(fā)其他創(chuàng)新型核反應(yīng)堆項目，總投資5億歐元。這些創(chuàng)新型核反應(yīng)堆將具有更為清潔、安全、可控的特點，如產(chǎn)生的核廢料更少、核燃料循環(huán)能夠中途關(guān)停等。
04
日本
福島核事故后，日本境內(nèi)所有核電機組均暫停運行，只有通過原子能規(guī)制委安全評價和檢查、確認符合新安全標(biāo)準(zhǔn)后才能恢復(fù)運行，日本同時放棄了對新增和擴建核電廠的具體討論，并將核電機組運行壽期原則上設(shè)定為40年(若獲得原子能規(guī)制委批準(zhǔn)，可以進行一次不超過20年的延壽)。根據(jù)IAEA數(shù)據(jù)，日本目前有33臺可運行核電機組，核電占總發(fā)電量約7.2%。
俄烏沖突爆發(fā)后，由于化石燃料價格飆升，日本能源供應(yīng)面臨極其緊張的局面，重建穩(wěn)定的能源供應(yīng)體系迫在眉睫。2022年3月，日本執(zhí)政黨和部分反對黨均提出加快核電重啟進程，并要求盡快開展國家監(jiān)管機構(gòu)的安全性評估。經(jīng)議會審議后，日本政府委托日經(jīng)新聞開展核能重啟民意調(diào)查，約53%的日本民眾支持重啟核電，該調(diào)查標(biāo)志著福島核事故后核能作用首次受到民眾肯定。
8月，在日本綠色轉(zhuǎn)型執(zhí)行委員會第二次會議上，日本首相提出，為保障能源供應(yīng)安全，未來將在加強現(xiàn)有核電機組利用的同時，重啟核電建設(shè)。具體將采取三項措施：一是就研發(fā)和建設(shè)新一代反應(yīng)堆展開討論并提出具體方案;二是除了確保已重啟的10臺機組正常運行，還將采取一切可能的措施繼續(xù)推進核電重啟，到2023年夏季將核電機組重啟數(shù)量增至17臺;三是在當(dāng)前最長60年的基礎(chǔ)上進一步延長核電機組運行壽期。
12月，日本核管理局批準(zhǔn)了一項新法規(guī)草案，將允許核反應(yīng)堆運行時間超過目前的60年期限。此外日本政府還提出，計劃到2030年重啟27座反應(yīng)堆，將核能在能源結(jié)構(gòu)中的份額提高到22%。
日本內(nèi)閣會議在2023年2月10日通過“以實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型為目標(biāo)的基本方針”，明確了要最大限度利用可再生能源與核能，提出致力于研發(fā)和建設(shè)采用新安全機制的新一代核反應(yīng)堆，但僅限于替代已決定報廢的原有反應(yīng)堆。
二、全球核能技術(shù)創(chuàng)新動向
各國對以超高溫氣冷堆、氣冷快堆、鈉冷快堆、熔鹽堆、超臨界水冷堆和鉛冷快堆為代表的先進核能技術(shù)的關(guān)注持續(xù)升溫;高豐度低濃鈾成為多國開發(fā)和部署先進反應(yīng)堆所需的關(guān)鍵材料;俄羅斯、美國在乏燃料后處理方面均有進展;多國聚焦可控核聚變技術(shù)。
(一)先進核能技術(shù)
據(jù)美國能源部描述，先進核能一般指第四代核反應(yīng)堆，主要包括超高溫氣冷堆、氣冷快堆、鈉冷快堆、熔鹽堆、超臨界水冷堆和鉛冷快堆。由于先進核能具有更佳的安全性能、更高的資源利用效率、更強的經(jīng)濟競爭力和更少的廢棄物管理挑戰(zhàn)等優(yōu)勢，近年來世界各國對先進核能的關(guān)注持續(xù)升溫。
表3 第四代核反應(yīng)堆特征
資料來源：根據(jù)公開資料整理美國阿貢、愛達荷、橡樹嶺3個國家實驗室積極通過自有經(jīng)費持續(xù)推進先進核能基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)，成為美國先進非輕水反應(yīng)堆研究的搖籃。阿貢實驗室一半的先進反應(yīng)堆項目致力于鈉冷快堆及其燃料循環(huán)研究，在美國“核能加速創(chuàng)新門戶計劃”(該計劃由美國能源部核能辦公室設(shè)立，為核能行業(yè)提供必要的技術(shù)、監(jiān)管和財政支持，以推動創(chuàng)新核技術(shù)走向商業(yè)化)的資金支持下，阿貢實驗室在物理、建模、分析、集群計算和編程方面與多家企業(yè)共同開發(fā)包括熔鹽堆在內(nèi)的先進反應(yīng)堆設(shè)計分析研究。橡樹嶺國家實驗室在2018年成立了熔鹽凈化實驗室，通過將含有氟化鋰和氟化鈹?shù)囊簯B(tài)鹽(稱為“FLiBe”)用于熔鹽反應(yīng)堆冷卻的可行性研究，不僅為多家先進反應(yīng)堆技術(shù)公司提供FLiBe熔鹽制造和純化技術(shù)、裝備和腐蝕測試，還在乏燃料處理研究方向設(shè)計并合成了一種選擇性分子捕獲器，可以將镅從镅銪混合物中分離出來，有助于減少并更好地管理乏燃料。
2022年，瑞典公司LeadCold與荷蘭核能公司NGR宣布合作開展小型模塊化鉛冷快堆設(shè)計。其中LeadCold承擔(dān)堆型設(shè)計，安全分析則由兩家公司分別獨立開展。LeadCold打算為反應(yīng)堆建造一個電熱模型，用來驗證NGR提供的先進三維模擬技術(shù)。與此同時，LeadCold還宣布與瑞典皇家技術(shù)研究所合作研發(fā)四代核電所需要的特種鋼鐵材料，著力開發(fā)定制符合鉛冷堆“SEALER”所需的特種鋼鐵材料。
(二)核燃料
隨著核動力技術(shù)不斷發(fā)展，越來越多的核燃料類型相繼出現(xiàn)，而高豐度低濃鈾成為多國開發(fā)和部署先進反應(yīng)堆所需的關(guān)鍵材料。BR2是比利時核研究中心(SCK-CEN)三個研究型反應(yīng)堆之一，自1963年開始運行，其生產(chǎn)的用于醫(yī)療和工業(yè)用途(包括用于癌癥治療和醫(yī)學(xué)成像)的放射性同位素約占全球四分之一。世界上大多數(shù)研究型反應(yīng)堆建于上世紀(jì)60至70年代，使用的技術(shù)需要高濃鈾才能進行實驗。但高濃鈾可被用于制造核武器，因此被視為具有擴散風(fēng)險。BR2將于2026年進行下一次定期安全審查，如果決定繼續(xù)運行該反應(yīng)堆，BR2將從使用高濃縮鈾轉(zhuǎn)換為使用新的低濃鈾。SCK-CEN正在與美國合作開發(fā)一種全新的低濃鈾燃料類型，旨在提供與高濃縮鈾燃料相同的性能。目前，三個低濃鈾燃料測試組件已在BR2成功測試。美國能源部已與美國離心機運營公司合作，在俄亥俄州皮克頓生產(chǎn)高豐度低濃鈾。該示范項目預(yù)計將在2023年底前生產(chǎn)20kg豐度為19.75%的低濃鈾材料，2024年年產(chǎn)量可達到900kg。
此外，美國X-energy能源公司2022年10月在田納西州開工建設(shè)美國首座商業(yè)化高豐度低濃鈾燃料制造廠，該廠將生產(chǎn)三元結(jié)構(gòu)各向同性(TRISO)燃料，預(yù)計2025年投產(chǎn)，最初的產(chǎn)能為每年8噸燃料，計劃本世紀(jì)30年代將產(chǎn)能提高至每年16噸，將為各種先進反應(yīng)堆和模塊化小堆制造核燃料，并向太空核推進項目提供特殊核燃料。美國西屋公司研發(fā)的先進摻雜顆粒技術(shù)(ADOPT)燃料已獲得美國核管理委員會的批準(zhǔn)，應(yīng)用于壓水反應(yīng)堆。該燃料使用鈾濃度為5%～19.75%的高豐度低濃鈾，高于商業(yè)反應(yīng)堆的傳統(tǒng)閾值，通過提高鈾密度，改進了燃料循環(huán)經(jīng)濟性和安全裕度。2022年，西屋宣布與美國南方核電公司達成協(xié)議，將從2025年開始為三臺機組交付ADOPT燃料。
(三)乏燃料后處理
乏燃料后處理是核燃料循環(huán)后段中最關(guān)鍵的一環(huán)，是目前對核反應(yīng)堆中卸出的乏燃料最廣泛的一種處理方式。后處理可以充分利用鈾資源，同時可使放射性廢物減容并降低毒性。
資料來源：根據(jù)公開資料整理
圖2 不同時間維度乏燃料放射性來源
俄羅斯國家原子能公司將為海外客戶提供一種新的乏燃料循環(huán)模式選擇：VVER反應(yīng)堆或其他壓水堆乏燃料先在反應(yīng)堆附近的水池中冷卻數(shù)年，然后裝入轉(zhuǎn)運容器，轉(zhuǎn)移到核電廠內(nèi)一個地點繼續(xù)貯存;這些容器最終將被裝入大容量運輸容器，并運往俄羅斯;這些乏燃料將先在馬雅克綜合體進行集中貯存，然后進行后處理，提取鈾和钚;提取出的鈾和钚可被用于生產(chǎn)傳統(tǒng)輕水堆濃縮鈾燃料、鈾钚混合氧化物燃料、鈾钚再生混合物燃料或致密混合鈾钚氮化物燃料。
美國庫里奧解決方案公司2022年2月宣布成功研發(fā)新型乏燃料循環(huán)工藝——NuCycle。NuCycle充分利用了美國數(shù)十年的相關(guān)研發(fā)成果，是一種結(jié)構(gòu)緊湊、模塊化且具備防擴散能力的后處理工藝，能夠生產(chǎn)多種同位素產(chǎn)品，包括可供現(xiàn)有反應(yīng)堆使用的低濃鈾以及供目前處于研發(fā)階段的先進反應(yīng)堆使用的TRUfuel燃料原料。TRUfuel由高豐度低濃鈾和超鈾元素組成。美國能源部2023年3月宣布，庫里奧NuCycle乏燃料循環(huán)工藝獲得“核能加速創(chuàng)新門戶計劃”的支持。
(四)核聚變
根據(jù)國際原子能機構(gòu)定義，核聚變是兩個輕原子核在超高溫或高壓情況下，結(jié)合成一個較重的原子核并釋放出巨大能量的過程。與核裂變相比，核聚變能量巨大，是核裂變的四倍，更是化石能源效率的千萬倍，且沒有長期核廢料及碳排放。因此，核聚變被視為通往未來社會的“終極能源”。
2022年12月，美國加州勞倫斯•利弗莫爾國家實驗室首次成功在核聚變反應(yīng)中實現(xiàn)凈能量增益。在實驗中，美國科學(xué)家向目標(biāo)輸入了2.05MJ的能量，產(chǎn)生了3.15MJ的聚變能量輸出，產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。本次試驗采用的慣性約束核聚變是實現(xiàn)可控核聚變的兩大主流方案之一，該技術(shù)利用激光的沖擊波使得通常包含氘和氚的燃料球達到極高的溫度和壓力，引發(fā)核聚變反應(yīng)。此次實驗被視為核聚變能源技術(shù)發(fā)展的重大突破，為美國國防及清潔能源未來發(fā)展奠定扎實基礎(chǔ)。英國核聚變初創(chuàng)企業(yè)托克馬克能源公司將在英國原子能管理局Culham校區(qū)建造一個緊湊型球形托卡馬克ST80-HTS。該設(shè)施采用與發(fā)電相關(guān)的磁技術(shù)，計劃2026年完工，并在本世紀(jì)30年代初期向電網(wǎng)輸送電力。
2022年10月，托克馬克能源公司與英國原子能管理局簽署了一項為期五年的框架協(xié)議，以推動球形托卡馬克核聚變的商業(yè)化，該協(xié)議包括技術(shù)開發(fā)合作、設(shè)備與人員共享，并側(cè)重于材料開發(fā)和測試、發(fā)電、燃料循環(huán)、診斷和遠程處理。
三、各國核能綜合利用實踐
目前，全球核能主要用于發(fā)電，除此之外，世界多國在核能海水淡化、核能供熱等方面早已付諸實踐。近兩年，世界核能大國在核能清潔制氫、放射性同位素生產(chǎn)、核動力船舶推進等領(lǐng)域均取得積極進展。
(一)核能制氫
核能制氫是通過將核反應(yīng)堆與先進的制氫工藝相結(jié)合以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)氫氣，具有不產(chǎn)生溫室氣體、效率高、規(guī)模大等優(yōu)點，是未來氫氣供應(yīng)的重要解決方案。
2022年7月，包括IAEA、世界核協(xié)會、美國愛達荷國家實驗室、美國亞利桑那公共服務(wù)公司、美國紐斯凱爾電力公司在內(nèi)的全球50多家國際組織、研究機構(gòu)、核電運營商和先進反應(yīng)堆技術(shù)開發(fā)商等聯(lián)合成立“核能制氫倡議”聯(lián)盟，旨在合作推進核能制氫技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，助力全球碳減排進程。
在美國能源部資助下，美國相關(guān)企業(yè)正在九英里峰、戴維斯-貝瑟、普雷里島和帕洛弗迪等四座核電廠推進核能制氫示范設(shè)施建設(shè)。這些設(shè)施均將在2024年底前投運，分別采用了四種技術(shù)，包括三種低溫電解技術(shù)和一種高溫電解技術(shù)。其中，美國聯(lián)合能源公司在九英里峰核電廠建設(shè)的一座1250kW低溫電解制氫設(shè)施(質(zhì)子交換膜電解槽)已于今年3月啟動運行。該設(shè)施是美國首座1MWe規(guī)模核電清潔制氫示范堆，每天可生產(chǎn)560kg氫氣。聯(lián)合能源公司還計劃與NYSERDA公司合作，在這座核能制氫設(shè)施附近建設(shè)一座氫燃料電池設(shè)施，擬于2025年開始向電網(wǎng)供電。
此外，俄羅斯、日本、韓國等國家均已啟動核能制氫工程。俄羅斯國家原子能公司準(zhǔn)備近期在現(xiàn)有核電廠實現(xiàn)電解制氫，遠期利用高溫氣冷堆制氫。目前正在開展兩個項目：一是到2025年在科拉核電廠建成一座能年產(chǎn)150t氫氣的電解制氫中試設(shè)施;二是于2021年啟動高溫氣冷堆與蒸汽甲烷重整工藝耦合制氫技術(shù)的研發(fā)及前端工程和設(shè)計工作，預(yù)計于2032年建成首座高溫氣冷堆，并于2036年啟動制氫。日本三菱重工與日本原子能研究開發(fā)機構(gòu)合作，啟動高溫氣冷堆匹配“碘硫循環(huán)+SOEC”制氫的驗證實驗，計劃2023財年(截至2024年3月)以后建設(shè)正式的氫工廠，與高溫氣冷堆連接，并于本世紀(jì)30年代前半期達到實用化。韓國斗山集團在2022年1月啟動了壓水堆高溫蒸汽匹配“SOEC”制氫項目。
(二)放射性同位素
放射性同位素是化學(xué)元素的同位素，具有額外的能量，此能量以輻射的形式釋放出來。放射性同位素可以自然產(chǎn)生，也可以由研究堆和加速器生產(chǎn)，目前應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。
今年1月，俄羅斯國家原子能公司在奧布寧斯克開工建設(shè)歐洲最大的醫(yī)用同位素工廠，計劃2025年完成生產(chǎn)線建設(shè)，為癌癥患者提供診斷和治療產(chǎn)品。該工廠將生產(chǎn)基于碘-131、釤-153和鉬-99同位素的產(chǎn)品，以及基于镥-177、錒-225和其他同位素的放射性藥物。該工廠的建設(shè)將鞏固俄羅斯國家原子能公司在放射性同位素產(chǎn)品市場的地位。
美國密蘇里大學(xué)近期發(fā)起了一項建設(shè)更大規(guī)模的研究型反應(yīng)堆NextGen?MURR的倡議，該大學(xué)現(xiàn)有的研究堆MURR已運行了半個多世紀(jì)，是美國功率最高的研究堆。MURR于1966年開始運行，最初堆芯功率為5MWt，到1974年功率增加至10MWt，現(xiàn)在全年每周運行六天半。該反應(yīng)堆是美國目前唯一的某些醫(yī)用放射性同位素生產(chǎn)商，其生產(chǎn)的釔-90用于治療肝癌，鉬-99用于分析心臟功能，碘-131用于治療甲狀腺癌，镥-177用于治療胰腺癌和前列腺癌。密蘇里大學(xué)稱，每年有超過160萬患者使用MURR生產(chǎn)的放射性同位素進行診斷或治療，而NextGen MURR將在未來75年生產(chǎn)先進的抗癌藥物，密蘇里大學(xué)也將繼續(xù)發(fā)揮其作為美國最重要的醫(yī)用同位素來源的作用。
(三)核動力船
核動力適合長時間在海上作業(yè)的破冰船、潛艇、航空母艦等。核動力船舶推進工作始于上世紀(jì)40年代，第一個試驗反應(yīng)堆于1953年在美國啟動。目前，全球有200多個小型核反應(yīng)堆為超過160艘船舶提供動力。
俄羅斯國家原子能公司旗下子公司FSUE?Atomflot與波羅的海造船廠于2023年2月正式簽署了第六艘和第七艘22220型核動力破冰船建造合同。其中第六艘計劃今年第三季度開工建造、2028年12月交付，第七艘將在2030年12月交付。22220型核動力破冰船裝備兩個RITM-200壓水反應(yīng)堆提供動力，每個反應(yīng)堆的額定功率為175MWe，為三臺電動機提供電力，每個反應(yīng)堆驅(qū)動一個螺旋槳，是目前世界上動力最強大的破冰船。該型號首制船“北極”(Arktika)號于2013年11月開工，2016年6月下水，2020年10月正式投入運營;第二艘“西伯利亞”(Sibir)號于2015年5月開工，2017年9月下水，2021年11月交付運營;第三艘“烏拉爾”(Ural)號于2016年7月開工，2019年5月下水，預(yù)計今年11月交付;第四艘“雅庫特”(Yakutiya)號和第五艘“楚科奇”(Chukotka)號均于2019年8月下單訂造，計劃分別于2024年12月和2026年12月完工。22220型核動力破冰船的建造項目是俄羅斯實現(xiàn)北海航線全年開放戰(zhàn)略計劃的一部分。
除了正在建造的22220型破冰船之外，俄羅斯紅星造船廠(Zvezda)還在建造“領(lǐng)袖”(Lider)號重型核動力破冰船。“領(lǐng)袖”號是第一艘10510型120MWe核動力破冰船，將采用兩個RITM-400試驗堆，使其有能力穿越北極最厚的冰層。這些核動力破冰船將沿俄羅斯北極海岸的北海航線航行，在北極為船隊引航。隨著氣候變暖，俄羅斯希望北海航線可以變成一條“迷你”蘇伊士運河，縮短從亞洲到歐洲的航行時間。
四、對我國的啟示
“雙碳”背景下，我國實現(xiàn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型任務(wù)艱巨。相比水、風(fēng)、光等能源形式，核能能量密度高、無供電間歇性，且在清潔制氫、區(qū)域供熱、海水淡化、同位素生產(chǎn)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。當(dāng)前，核電在我國總發(fā)電量中的占比僅約5%，遠低于全球平均約10%、經(jīng)合組織成員國平均約18%的水平，仍有較大發(fā)展空間。發(fā)展核能已成為我國現(xiàn)階段保障能源安全和實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的必然選擇。
(一)以穩(wěn)定的政策環(huán)境促進核能發(fā)展創(chuàng)新
各核能大國基本都以長期穩(wěn)定的政策支持核能行業(yè)發(fā)展。從我國來看，國家能源局、科技部發(fā)布的《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》將“安全高效核能技術(shù)”作為“十四五”時期能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新重點任務(wù)之一。核能領(lǐng)域相關(guān)內(nèi)容涉及四個方面：一是核電優(yōu)化升級技術(shù)，主要是三代核電技術(shù)型號優(yōu)化升級和核能綜合利用技術(shù);二是小型模塊化反應(yīng)堆技術(shù)，包括小型智能模塊化反應(yīng)堆技術(shù)、小型供熱堆技術(shù)、浮動堆技術(shù)和移動式反應(yīng)堆技術(shù);三是新一代核電技術(shù)，包括(超)高溫氣冷堆技術(shù)、釷基熔鹽堆技術(shù);四是全產(chǎn)業(yè)鏈上下游可持續(xù)支撐技術(shù)，包括放射性廢物處理處置關(guān)鍵技術(shù)、核電機組長期運行及延壽技術(shù)和核電科技創(chuàng)新重大基礎(chǔ)設(shè)施支撐技術(shù)。此外，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》還提出支持新燃料、新材料等新技術(shù)研發(fā)應(yīng)用;支持受控核聚變的前期研發(fā)，積極開展國際合作。現(xiàn)階段，盡管國際政治經(jīng)濟環(huán)境日趨復(fù)雜，但在國內(nèi)一系列宏觀利好下，我國核能行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新迎來新的窗口期。要充分利用好長期穩(wěn)定的政策環(huán)境，持續(xù)激發(fā)核能領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新活力。
(二)凝聚多方合力推動核能行業(yè)發(fā)展
從俄羅斯經(jīng)驗來看，其核工業(yè)采取企業(yè)集團化運作模式。作為俄羅斯核工業(yè)的“管家”，俄羅斯國家原子能公司通過整合優(yōu)勢資源，組建了11個管理板塊，包括核與輻射板塊、核能機械板塊、燃料元件板塊、核電板塊、海外板塊、ARMZ鈾礦開采板塊、鈾業(yè)公司板塊、技術(shù)出口公司(離心技術(shù)等)板塊、科學(xué)與創(chuàng)新板塊、核電工程設(shè)計及原子能出口建設(shè)板塊、原子能艦船板塊，此外，還與核能產(chǎn)業(yè)相關(guān)研究院所、高校等簽訂協(xié)議，共同建設(shè)核能產(chǎn)業(yè)基地。再看美國，通過“下一代核電機組計劃”“核能加速創(chuàng)新門戶計劃”等國家核工程計劃，建立了公私合作機制，加速了先進堆從概念走向商業(yè)化的進程。我國核能產(chǎn)業(yè)應(yīng)積極整合國內(nèi)優(yōu)勢資源，加強企業(yè)、高等院校、科研院所之間的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同，加大核能人才培養(yǎng)力度，堅持自主創(chuàng)新，建立核能發(fā)展創(chuàng)新聯(lián)盟，推動核能技術(shù)創(chuàng)新、規(guī)模化發(fā)展。
(三)多措并舉保障核燃料供應(yīng)安全
全球各核大國均高度重視核燃料安全保障，但鈾資源在全球的分布極不平衡。我國正從核大國向核強國邁進，核燃料保障成為不可忽視的關(guān)鍵一環(huán)。經(jīng)過半個多世紀(jì)發(fā)展，我國天然鈾產(chǎn)業(yè)形成了完整的組織、技術(shù)、能力體系，初步形成了國內(nèi)開發(fā)、海外開發(fā)、國際貿(mào)易、戰(zhàn)略儲備“四位一體”的保障供應(yīng)體系，有效保障了鈾資源的戰(zhàn)略安全。但我國鈾資源勘探和開發(fā)產(chǎn)能總體程度偏低，且海外優(yōu)質(zhì)資源掌握較少、產(chǎn)業(yè)科研創(chuàng)新存在不足。受到壓水堆對鈾資源的利用率低的限制，單獨依靠以壓水堆為主的熱堆核能發(fā)展體系可能會因鈾資源供應(yīng)不足而難以達到所需要的裝機容量，而快堆是破解鈾資源供應(yīng)瓶頸的重要選項。與此同時，要加快國內(nèi)鈾資源勘探開發(fā)，擴大產(chǎn)能規(guī)模，保障資源利用自主可控;還要加大與周邊資源型國家合作，加強海外貿(mào)易風(fēng)險防控，深入?yún)⑴c全球天然鈾產(chǎn)業(yè)體系治理。
(四)大力提升乏燃料后處理能力
乏燃料的處理方式主要分兩種：一是開式燃料循環(huán)，也被稱為一次性通過長期處置，是將乏燃料進行長期深地質(zhì)存儲，美國、加拿大和瑞典等國主要采用此路線;二是閉式燃料循環(huán)，通過化學(xué)的方式將乏燃料中未被充分利用的部分分離提取，重新加入反應(yīng)堆中進行利用，而其他廢物進行反應(yīng)堆嬗變或玻璃固化掩埋，俄羅斯、法國、英國等主要采用此技術(shù)路線。2007年，我國確定了符合國情的閉式燃料循環(huán)路線。乏燃料后處理屬于高精尖技術(shù)，處理廠建設(shè)需耗時10年。目前，法國、日本、印度等國乏燃料后處理產(chǎn)能已可覆蓋最新年產(chǎn)生量，而我國僅有中核四0四有限公司于2010年投產(chǎn)的中試廠產(chǎn)能為50tHM/年。據(jù)業(yè)內(nèi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2021年底，我國已累計產(chǎn)生乏燃料7586tHM。隨著壓水堆裝機容量快速增長，我國乏燃料的總量也將迅速增長。當(dāng)前，我國乏燃料后處理基礎(chǔ)研究與俄羅斯、美國、法國等國仍存差距，后處理關(guān)鍵設(shè)備如剪切機、溶解器等仍有待進一步研發(fā)，尚未建成商用后處理廠且不具備相應(yīng)的運行經(jīng)驗。隨著我國核能事業(yè)穩(wěn)步、健康發(fā)展，建設(shè)與之配套的、年處理能力為1000tHM以上的乏燃料后處理廠尤為必要。
(五)因地制宜開展核能綜合利用
隨著核能利用技術(shù)不斷進步，核能應(yīng)用場景也不斷增多。目前國際上已有近150個國家和地區(qū)開展了核能技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，以美國、日本為代表的發(fā)達經(jīng)濟體，通過政府扶持和市場拉動，已經(jīng)形成了與核能關(guān)聯(lián)度高、節(jié)能、高效、無污染的相關(guān)新興產(chǎn)業(yè)，全世界核能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模近萬億美元。其中，同位素與輻射技術(shù)及其應(yīng)用已成為一項全球性技術(shù)，具有高度的滲透性和產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性，其應(yīng)用水平是一個國家綜合實力的重要標(biāo)志。我國核能主要用于發(fā)電，但隨著第四代核能系統(tǒng)等技術(shù)逐漸成熟和應(yīng)用，核能有望突破僅僅提供電力的角色，核能供熱、核能制氫、同位素生產(chǎn)等綜合利用將蓬勃興起。山東省已率先在國內(nèi)實現(xiàn)核能集中供暖、并積極謀劃核能制氫和海水淡化，海南謀劃建設(shè)小堆海水淡化項目，中核集團醫(yī)用同位素關(guān)鍵產(chǎn)品實現(xiàn)國產(chǎn)化……下一步，要圍繞高溫氣冷堆發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)，積極參與國際合作，攻克自主高性能燃料元件制備等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，努力實現(xiàn)“熱電氫”多聯(lián)產(chǎn)工業(yè)應(yīng)用，因地制宜拓展核能綜合利用。
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