核能是清潔低碳安全高效的能源形式，自20世紀中葉人類(lèi)和平利用核能以來(lái)，核能在推動(dòng)全球經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。近兩年，氣候問(wèn)題帶來(lái)的能源轉型思考疊加能源供應危機，使全球多國重新審視核能作用，制定了一系列核能發(fā)展戰略，并開(kāi)展了諸多行動(dòng)。本文綜合梳理全球主要核能?chē)野l(fā)展策略、技術(shù)創(chuàng )新和綜合利用動(dòng)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、運行穩定的能源形式，在保障能源安全、推動(dòng)能源轉型、助力碳達峰碳中和及氣候目標實(shí)現中發(fā)揮著(zhù)重要作用。近兩年，新冠疫情及地緣政治沖突帶來(lái)的供應鏈問(wèn)題引發(fā)全球能源市場(chǎng)動(dòng)蕩，世界各國紛紛重新思考能源安全戰略，更加關(guān)注能源的多樣性及自主可控的能源供應。對于許多國家而言，發(fā)展核能是保障能源安全的現實(shí)選擇。與此同時(shí)，為應對氣候變化，多國政府近年加大了實(shí)現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)展方面的目標更趨一致。
盡管風(fēng)能和太陽(yáng)能預計將引領(lǐng)全球能源部門(mén)實(shí)現凈零排放，但因其隨機波動(dòng)性，仍需核能等靈活、可調度資源作為重要補充。國際能源署(IEA)研究表明，要實(shí)現《巴黎協(xié)定》的氣候變化目標，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(IAEA)動(dòng)力堆信息系統顯示，當前全球共有在運核反應堆420座，總裝機容量374827MWe，在建核反應堆56座，容量58595MWe。表1 各國核反應堆裝機情況(截至2023年3月)
注：統計數據未包含我國臺灣地區
數據來(lái)源：世界核協(xié)會(huì )
在地緣沖突引發(fā)能源供給危機與能源結構加速綠色低碳轉型交匯影響下，各國紛紛調整政策，核能在全球進(jìn)入新一輪加速發(fā)展期，以先進(jìn)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?chē)医诎l(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?chē)医诎l(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(chǎng)，建立無(wú)廢物能源技術(shù)平臺，開(kāi)拓核技術(shù)市場(chǎng)并研發(fā)新型核燃料;美國確定了保持現有反應堆持續運行、啟動(dòng)先進(jìn)反應堆部署、開(kāi)發(fā)先進(jìn)核燃料循環(huán)系統、保持核能領(lǐng)域領(lǐng)導地位等目標;法國作出為現有核電機組延壽、興建第二代歐洲先進(jìn)壓水堆、開(kāi)發(fā)創(chuàng )新型核反應堆的部署;日本將重啟核反應堆，并以新一代反應堆替代決定報廢的反應堆。
01
俄羅斯
作為傳統核能大國，俄羅斯始終將核能發(fā)展作為保障能源安全、促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展和維持國際地位的重要戰略決策，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世紀上半葉俄羅斯核能發(fā)展戰略》，提出要在新的技術(shù)平臺上進(jìn)一步發(fā)展快中子反應堆。
2009年，俄聯(lián)邦政府批準通過(guò)《俄羅斯2030年能源戰略》，提出2030年前實(shí)現如下計劃：核電站的現代化和升級改造;開(kāi)發(fā)快中子反應堆的實(shí)驗堆和商業(yè)核電站;建造具有超臨界蒸汽參數和中子譜可調的新一代壓水反應堆;閉式燃料循環(huán)，包括開(kāi)發(fā)新技術(shù)、建立新企業(yè);開(kāi)發(fā)廢物處理創(chuàng )新技術(shù)，實(shí)現放射性廢物的輻射當量最小化;以國內的創(chuàng )新技術(shù)和富有成效的國際合作為基礎，開(kāi)發(fā)聚變技術(shù)。
2022年烏克蘭危機升級以來(lái)，俄羅斯能源發(fā)展面臨著(zhù)前所未有的困境。為確保國家技術(shù)主權，俄聯(lián)邦政府調整了先進(jìn)技術(shù)研發(fā)和人才培養政策，核能就是政策側重領(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(chǎng)、建立基于閉式燃料循環(huán)技術(shù)的無(wú)廢物能源技術(shù)平臺、開(kāi)拓核技術(shù)市場(chǎng)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(kāi)始建設快堆及世界首座新一代核燃料生產(chǎn)廠(chǎng)，并完成了陸上小型核電廠(chǎng)投資可行性研究。俄羅斯計劃于2024年開(kāi)始建造RITM-200小堆，為楚科奇自治區建造海上小型核動(dòng)力設施，并建成首座新一代核燃料生產(chǎn)廠(chǎng)。俄羅斯最新的目標是到2030年實(shí)現在全球小型核電市場(chǎng)占比達20%，核燃料市場(chǎng)占比達24%。
同年10月，俄羅斯總理米舒斯京批準了俄羅斯國家綠色項目分類(lèi)法，該法案規定了包括核能項目在內的不同行業(yè)的合規標準，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(zhù)俄羅斯后續的創(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(lái)自于1967年至1990年間建造的反應堆，這主要是因為多年來(lái)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憂(yōu)。
資料來(lái)源：世界核協(xié)會(huì )
圖1 美國運行和在建反應堆分布圖
盡管30多年來(lái)美國少有新的核電機組投產(chǎn)，但美國對核電的依賴(lài)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(guò)改進(jìn)現有電廠(chǎng)的換料、維護和安全系統，在電廠(chǎng)利用率方面取得了顯著(zhù)進(jìn)步。
2021年1月，美國能源部核能辦公室發(fā)布了《戰略遠景》報告，概述了支持美國現有核電機組、示范核能技術(shù)創(chuàng )新和探索新市場(chǎng)機會(huì )的戰略，是推進(jìn)核能科技以滿(mǎn)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(gè)戰略目標：
一是確保美國現有反應堆持續運行。具體目標包括降低運營(yíng)成本、拓展電力以外市場(chǎng)以及為現有電廠(chǎng)的持續運行提供依據?？?jì)效指標包括：到2022年建立一個(gè)可擴容氫氣發(fā)電試點(diǎn)工廠(chǎng)，到2025年在商業(yè)反應堆中開(kāi)始使用事故容錯燃料取代現有燃料，到2026年為運行中的電廠(chǎng)成功部署數字反應堆安全系統，到2030年實(shí)現事故容錯燃料的廣泛使用。
二是啟動(dòng)先進(jìn)反應堆的部署。具體目標包括減少先進(jìn)核技術(shù)部署的時(shí)間、降低風(fēng)險、開(kāi)發(fā)可擴展核能市場(chǎng)的反應堆型以及支持反應堆的多樣性建設?？?jì)效指標包括：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，到2028年展示兩種先進(jìn)反應堆，到2029年運行美國第一個(gè)商業(yè)小堆，到2035年至少再演示另外兩種先進(jìn)反應堆的設計。
三是開(kāi)發(fā)先進(jìn)的核燃料循環(huán)系統。具體目標是解決核燃料供應短缺問(wèn)題并建立一個(gè)綜合廢料管理系統?？?jì)效指標主要是進(jìn)行鈾儲備以及先進(jìn)反應堆燃料循環(huán)評估。
四是保持核能領(lǐng)域領(lǐng)導地位。具體目標是為核部門(mén)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(diǎn)績(jì)效指標包括：2021年同五個(gè)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(dòng)力系統。
五是建立一個(gè)高效的組織。具體內容是提高核能辦公室效能并有效管理各類(lèi)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)國家戰略》進(jìn)行了更新，增加了包括先進(jìn)核能技術(shù)在內的多項關(guān)鍵技術(shù)，反映了美國在先進(jìn)核能技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展技術(shù)開(kāi)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(huì )通過(guò)了《核能創(chuàng )新能力法》《先進(jìn)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》不僅授權開(kāi)發(fā)用于測試先進(jìn)反應堆燃料和相關(guān)材料所需的快中子多功能反應堆，還授權建立國家反應堆創(chuàng )新中心，以建造實(shí)驗反應堆并加快美國核管理委員會(huì )對先進(jìn)核能設計的審批許可?！断冗M(jìn)核能技術(shù)發(fā)展法》則指導美國能源部與私營(yíng)企業(yè)達成協(xié)議，在2028年秋季之前，至少開(kāi)展4個(gè)先進(jìn)核反應堆示范項目。
同月，美國能源部宣布了一項耗資60億美元、旨在提升國內在運核電機組盈利性的民用核能信貸計劃，以支持現有核電廠(chǎng)長(cháng)期運行。隨后，美國能源部又啟動(dòng)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《基礎設施投資和就業(yè)法》的一部分。美國能源部對外宣稱(chēng)，核電廠(chǎng)對于實(shí)現美國的氣候目標至關(guān)重要，能源部致力于保持100%的清潔電力供應，防止過(guò)早關(guān)閉核電廠(chǎng)。
美國2022年通過(guò)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：為現有核電機組提供每千瓦時(shí)0.015美元的生產(chǎn)稅抵免，以便使現有的發(fā)電機組保持經(jīng)濟競爭力;撥款7億美元，幫助建立先進(jìn)堆開(kāi)發(fā)所需的高豐度低濃鈾的自主供應鏈;撥款1.5億美元用于改善愛(ài)達荷國家實(shí)驗室核研究相關(guān)基礎設施。
03
法國
上世紀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(lái)，法國一直是世界上核能發(fā)電比例最高的國家，其核電占比曾穩定在70%以上。然而過(guò)度倚重核電，也讓核能發(fā)展逐漸成為法國政府的負擔，高昂的運維及新建成本幾乎要拖垮法國國營(yíng)電力公司EDF。近年來(lái)，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：統計數據未包含我國臺灣地區
數據來(lái)源：世界核協(xié)會(huì )
但自2021年以來(lái)，歐洲電價(jià)、天然氣、汽油等能源價(jià)格飛漲，給許多家庭造成沉重負擔。面對緊迫的能源危機，法國政府開(kāi)始思考，重啟核能或許是應對危機的最佳方式。2022年2月，法國宣布將推行新能源戰略，以提高脫碳電能產(chǎn)量為目標，重點(diǎn)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 )新型核反應堆，這是對此前法國核能政策的戰略性轉向。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)閉現有核電站，除非出現安全隱患;提高現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(jìn)壓水堆。此前，法國已經(jīng)開(kāi)始在芬蘭與本國的弗拉曼維爾建設歐洲先進(jìn)壓水堆(EPR)，但出現了工程延期、造價(jià)超標等問(wèn)題。隨后，法國吸取此前經(jīng)驗教訓，并將新建的核反應堆升級為第二代歐洲先進(jìn)壓水堆(EPR2)。目前，法國已經(jīng)確定第一批EPR2的建設計劃，即建設6座EPR2，總造價(jià)初步為500億歐元左右，第一座新核反應堆將于2028年啟動(dòng)建設，2035年投入使用。
三是進(jìn)一步落實(shí)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(xiàn)，投資10億歐元開(kāi)發(fā)顛覆性創(chuàng )新型核反應堆。法國將啟動(dòng)NUWARD項目，開(kāi)發(fā)小型模塊化核反應堆(SMR)，總投資5億歐元;開(kāi)發(fā)其他創(chuàng )新型核反應堆項目，總投資5億歐元。這些創(chuàng )新型核反應堆將具有更為清潔、安全、可控的特點(diǎn)，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，日本境內所有核電機組均暫停運行，只有通過(guò)原子能規制委安全評價(jià)和檢查、確認符合新安全標準后才能恢復運行，日本同時(shí)放棄了對新增和擴建核電廠(chǎng)的具體討論，并將核電機組運行壽期原則上設定為40年(若獲得原子能規制委批準，可以進(jìn)行一次不超過(guò)20年的延壽)。根據IAEA數據，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(jià)格飆升，日本能源供應面臨極其緊張的局面，重建穩定的能源供應體系迫在眉睫。2022年3月，日本執政黨和部分反對黨均提出加快核電重啟進(jìn)程，并要求盡快開(kāi)展國家監管機構的安全性評估。經(jīng)議會(huì )審議后，日本政府委托日經(jīng)新聞開(kāi)展核能重啟民意調查，約53%的日本民眾支持重啟核電，該調查標志著(zhù)福島核事故后核能作用首次受到民眾肯定。
8月，在日本綠色轉型執行委員會(huì )第二次會(huì )議上，日本首相提出，為保障能源供應安全，未來(lái)將在加強現有核電機組利用的同時(shí)，重啟核電建設。具體將采取三項措施：一是就研發(fā)和建設新一代反應堆展開(kāi)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推進(jìn)核電重啟，到2023年夏季將核電機組重啟數量增至17臺;三是在當前最長(cháng)60年的基礎上進(jìn)一步延長(cháng)核電機組運行壽期。
12月，日本核管理局批準了一項新法規草案，將允許核反應堆運行時(shí)間超過(guò)目前的60年期限。此外日本政府還提出，計劃到2030年重啟27座反應堆，將核能在能源結構中的份額提高到22%。
日本內閣會(huì )議在2023年2月10日通過(guò)“以實(shí)現綠色轉型為目標的基本方針”，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)和建設采用新安全機制的新一代核反應堆，但僅限于替代已決定報廢的原有反應堆。
二、全球核能技術(shù)創(chuàng )新動(dòng)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(jìn)核能技術(shù)的關(guān)注持續升溫;高豐度低濃鈾成為多國開(kāi)發(fā)和部署先進(jìn)反應堆所需的關(guān)鍵材料;俄羅斯、美國在乏燃料后處理方面均有進(jìn)展;多國聚焦可控核聚變技術(shù)。
(一)先進(jìn)核能技術(shù)
據美國能源部描述，先進(jìn)核能一般指第四代核反應堆，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(jìn)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等優(yōu)勢，近年來(lái)世界各國對先進(jìn)核能的關(guān)注持續升溫。
表3 第四代核反應堆特征
資料來(lái)源：根據公開(kāi)資料整理美國阿貢、愛(ài)達荷、橡樹(shù)嶺3個(gè)國家實(shí)驗室積極通過(guò)自有經(jīng)費持續推進(jìn)先進(jìn)核能基礎技術(shù)研發(fā)，成為美國先進(jìn)非輕水反應堆研究的搖籃。阿貢實(shí)驗室一半的先進(jìn)反應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(mén)戶(hù)計劃”(該計劃由美國能源部核能辦公室設立，為核能行業(yè)提供必要的技術(shù)、監管和財政支持，以推動(dòng)創(chuàng )新核技術(shù)走向商業(yè)化)的資金支持下，阿貢實(shí)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(kāi)發(fā)包括熔鹽堆在內的先進(jìn)反應堆設計分析研究。橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室在2018年成立了熔鹽凈化實(shí)驗室，通過(guò)將含有氟化鋰和氟化鈹的液態(tài)鹽(稱(chēng)為“FLiBe”)用于熔鹽反應堆冷卻的可行性研究，不僅為多家先進(jìn)反應堆技術(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(lái)，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(kāi)展小型模塊化鉛冷快堆設計。其中LeadCold承擔堆型設計，安全分析則由兩家公司分別獨立開(kāi)展。LeadCold打算為反應堆建造一個(gè)電熱模型，用來(lái)驗證NGR提供的先進(jìn)三維模擬技術(shù)。與此同時(shí)，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(zhù)力開(kāi)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(zhù)核動(dòng)力技術(shù)不斷發(fā)展，越來(lái)越多的核燃料類(lèi)型相繼出現，而高豐度低濃鈾成為多國開(kāi)發(fā)和部署先進(jìn)反應堆所需的關(guān)鍵材料。BR2是比利時(shí)核研究中心(SCK-CEN)三個(gè)研究型反應堆之一，自1963年開(kāi)始運行，其生產(chǎn)的用于醫療和工業(yè)用途(包括用于癌癥治療和醫學(xué)成像)的放射性同位素約占全球四分之一。世界上大多數研究型反應堆建于上世紀60至70年代，使用的技術(shù)需要高濃鈾才能進(jìn)行實(shí)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(jìn)行下一次定期安全審查，如果決定繼續運行該反應堆，BR2將從使用高濃縮鈾轉換為使用新的低濃鈾。SCK-CEN正在與美國合作開(kāi)發(fā)一種全新的低濃鈾燃料類(lèi)型，旨在提供與高濃縮鈾燃料相同的性能。目前，三個(gè)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(yíng)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(kāi)工建設美國首座商業(yè)化高豐度低濃鈾燃料制造廠(chǎng)，該廠(chǎng)將生產(chǎn)三元結構各向同性(TRISO)燃料，預計2025年投產(chǎn)，最初的產(chǎn)能為每年8噸燃料，計劃本世紀30年代將產(chǎn)能提高至每年16噸，將為各種先進(jìn)反應堆和模塊化小堆制造核燃料，并向太空核推進(jìn)項目提供特殊核燃料。美國西屋公司研發(fā)的先進(jìn)摻雜顆粒技術(shù)(ADOPT)燃料已獲得美國核管理委員會(huì )的批準，應用于壓水反應堆。該燃料使用鈾濃度為5%～19.75%的高豐度低濃鈾，高于商業(yè)反應堆的傳統閾值，通過(guò)提高鈾密度，改進(jìn)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(kāi)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(shí)可使放射性廢物減容并降低毒性。
資料來(lái)源：根據公開(kāi)資料整理
圖2 不同時(shí)間維度乏燃料放射性來(lái)源
俄羅斯國家原子能公司將為海外客戶(hù)提供一種新的乏燃料循環(huán)模式選擇：VVER反應堆或其他壓水堆乏燃料先在反應堆附近的水池中冷卻數年，然后裝入轉運容器，轉移到核電廠(chǎng)內一個(gè)地點(diǎn)繼續貯存;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(jìn)行集中貯存，然后進(jìn)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充分利用了美國數十年的相關(guān)研發(fā)成果，是一種結構緊湊、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，包括可供現有反應堆使用的低濃鈾以及供目前處于研發(fā)階段的先進(jìn)反應堆使用的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(mén)戶(hù)計劃”的支持。
(四)核聚變
根據國際原子能機構定義，核聚變是兩個(gè)輕原子核在超高溫或高壓情況下，結合成一個(gè)較重的原子核并釋放出巨大能量的過(guò)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(wàn)倍，且沒(méi)有長(cháng)期核廢料及碳排放。因此，核聚變被視為通往未來(lái)社會(huì )的“終極能源”。
2022年12月，美國加州勞倫斯•利弗莫爾國家實(shí)驗室首次成功在核聚變反應中實(shí)現凈能量增益。在實(shí)驗中，美國科學(xué)家向目標輸入了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(shí)現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。此次實(shí)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(lái)發(fā)展奠定扎實(shí)基礎。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校區建造一個(gè)緊湊型球形托卡馬克ST80-HTS。該設施采用與發(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(dòng)球形托卡馬克核聚變的商業(yè)化，該協(xié)議包括技術(shù)開(kāi)發(fā)合作、設備與人員共享，并側重于材料開(kāi)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(shí)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(shí)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(dòng)力船舶推進(jìn)等領(lǐng)域均取得積極進(jìn)展。
(一)核能制氫
核能制氫是通過(guò)將核反應堆與先進(jìn)的制氫工藝相結合以實(shí)現大規模生產(chǎn)氫氣，具有不產(chǎn)生溫室氣體、效率高、規模大等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)氫氣供應的重要解決方案。
2022年7月，包括IAEA、世界核協(xié)會(huì )、美國愛(ài)達荷國家實(shí)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的全球50多家國際組織、研究機構、核電運營(yíng)商和先進(jìn)反應堆技術(shù)開(kāi)發(fā)商等聯(lián)合成立“核能制氫倡議”聯(lián)盟，旨在合作推進(jìn)核能制氫技術(shù)的商業(yè)化應用，助力全球碳減排進(jìn)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(chǎng)推進(jìn)核能制氫示范設施建設。這些設施均將在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(chǎng)建設的一座1250kW低溫電解制氫設施(質(zhì)子交換膜電解槽)已于今年3月啟動(dòng)運行。該設施是美國首座1MWe規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，在這座核能制氫設施附近建設一座氫燃料電池設施，擬于2025年開(kāi)始向電網(wǎng)供電。
此外，俄羅斯、日本、韓國等國家均已啟動(dòng)核能制氫工程。俄羅斯國家原子能公司準備近期在現有核電廠(chǎng)實(shí)現電解制氫，遠期利用高溫氣冷堆制氫。目前正在開(kāi)展兩個(gè)項目：一是到2025年在科拉核電廠(chǎng)建成一座能年產(chǎn)150t氫氣的電解制氫中試設施;二是于2021年啟動(dòng)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)及前端工程和設計工作，預計于2032年建成首座高溫氣冷堆，并于2036年啟動(dòng)制氫。日本三菱重工與日本原子能研究開(kāi)發(fā)機構合作，啟動(dòng)高溫氣冷堆匹配“碘硫循環(huán)+SOEC”制氫的驗證實(shí)驗，計劃2023財年(截至2024年3月)以后建設正式的氫工廠(chǎng)，與高溫氣冷堆連接，并于本世紀30年代前半期達到實(shí)用化。韓國斗山集團在2022年1月啟動(dòng)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(lái)。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)，目前應用于核醫學(xué)、工業(yè)和農業(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(kāi)工建設歐洲最大的醫用同位素工廠(chǎng)，計劃2025年完成生產(chǎn)線(xiàn)建設，為癌癥患者提供診斷和治療產(chǎn)品。該工廠(chǎng)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(chǎng)的建設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(chǎng)的地位。
美國密蘇里大學(xué)近期發(fā)起了一項建設更大規模的研究型反應堆NextGen?MURR的倡議，該大學(xué)現有的研究堆MURR已運行了半個(gè)多世紀，是美國功率最高的研究堆。MURR于1966年開(kāi)始運行，最初堆芯功率為5MWt，到1974年功率增加至10MWt，現在全年每周運行六天半。該反應堆是美國目前唯一的某些醫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(chēng)，每年有超過(guò)160萬(wàn)患者使用MURR生產(chǎn)的放射性同位素進(jìn)行診斷或治療，而NextGen MURR將在未來(lái)75年生產(chǎn)先進(jìn)的抗癌藥物，密蘇里大學(xué)也將繼續發(fā)揮其作為美國最重要的醫用同位素來(lái)源的作用。
(三)核動(dòng)力船
核動(dòng)力適合長(cháng)時(shí)間在海上作業(yè)的破冰船、潛艇、航空母艦等。核動(dòng)力船舶推進(jìn)工作始于上世紀40年代，第一個(gè)試驗反應堆于1953年在美國啟動(dòng)。目前，全球有200多個(gè)小型核反應堆為超過(guò)160艘船舶提供動(dòng)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(chǎng)于2023年2月正式簽署了第六艘和第七艘22220型核動(dòng)力破冰船建造合同。其中第六艘計劃今年第三季度開(kāi)工建造、2028年12月交付，第七艘將在2030年12月交付。22220型核動(dòng)力破冰船裝備兩個(gè)RITM-200壓水反應堆提供動(dòng)力，每個(gè)反應堆的額定功率為175MWe，為三臺電動(dòng)機提供電力，每個(gè)反應堆驅動(dòng)一個(gè)螺旋槳，是目前世界上動(dòng)力最強大的破冰船。該型號首制船“北極”(Arktika)號于2013年11月開(kāi)工，2016年6月下水，2020年10月正式投入運營(yíng);第二艘“西伯利亞”(Sibir)號于2015年5月開(kāi)工，2017年9月下水，2021年11月交付運營(yíng);第三艘“烏拉爾”(Ural)號于2016年7月開(kāi)工，2019年5月下水，預計今年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(dòng)力破冰船的建造項目是俄羅斯實(shí)現北海航線(xiàn)全年開(kāi)放戰略計劃的一部分。
除了正在建造的22220型破冰船之外，俄羅斯紅星造船廠(chǎng)(Zvezda)還在建造“領(lǐng)袖”(Lider)號重型核動(dòng)力破冰船。“領(lǐng)袖”號是第一艘10510型120MWe核動(dòng)力破冰船，將采用兩個(gè)RITM-400試驗堆，使其有能力穿越北極最厚的冰層。這些核動(dòng)力破冰船將沿俄羅斯北極海岸的北海航線(xiàn)航行，在北極為船隊引航。隨著(zhù)氣候變暖，俄羅斯希望北海航線(xiàn)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(shí)間。
四、對我國的啟示
“雙碳”背景下，我國實(shí)現能源綠色低碳轉型任務(wù)艱巨。相比水、風(fēng)、光等能源形式，核能能量密度高、無(wú)供電間歇性，且在清潔制氫、區域供熱、海水淡化、同位素生產(chǎn)等領(lǐng)域有著(zhù)巨大的應用潛力。當前，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階段保障能源安全和實(shí)現能源轉型的必然選擇。
(一)以穩定的政策環(huán)境促進(jìn)核能發(fā)展創(chuàng )新
各核能大國基本都以長(cháng)期穩定的政策支持核能行業(yè)發(fā)展。從我國來(lái)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 )新規劃》將“安全高效核能技術(shù)”作為“十四五”時(shí)期能源領(lǐng)域科技創(chuàng )新重點(diǎn)任務(wù)之一。核能領(lǐng)域相關(guān)內容涉及四個(gè)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堆技術(shù)，包括小型智能模塊化反應堆技術(shù)、小型供熱堆技術(shù)、浮動(dòng)堆技術(shù)和移動(dòng)式反應堆技術(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(cháng)期運行及延壽技術(shù)和核電科技創(chuàng )新重大基礎設施支撐技術(shù)。此外，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布的《“十四五”現代能源體系規劃》還提出支持新燃料、新材料等新技術(shù)研發(fā)應用;支持受控核聚變的前期研發(fā)，積極開(kāi)展國際合作?，F階段，盡管?chē)H政治經(jīng)濟環(huán)境日趨復雜，但在國內一系列宏觀(guān)利好下，我國核能行業(yè)發(fā)展創(chuàng )新迎來(lái)新的窗口期。要充分利用好長(cháng)期穩定的政策環(huán)境，持續激發(fā)核能領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng )新活力。
(二)凝聚多方合力推動(dòng)核能行業(yè)發(fā)展
從俄羅斯經(jīng)驗來(lái)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(guò)整合優(yōu)勢資源，組建了11個(gè)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(kāi)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、核電工程設計及原子能出口建設板塊、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，共同建設核能產(chǎn)業(yè)基地。再看美國，通過(guò)“下一代核電機組計劃”“核能加速創(chuàng )新門(mén)戶(hù)計劃”等國家核工程計劃，建立了公私合作機制，加速了先進(jìn)堆從概念走向商業(yè)化的進(jìn)程。我國核能產(chǎn)業(yè)應積極整合國內優(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，加大核能人才培養力度，堅持自主創(chuàng )新，建立核能發(fā)展創(chuàng )新聯(lián)盟，推動(dòng)核能技術(shù)創(chuàng )新、規?；l(fā)展。
(三)多措并舉保障核燃料供應安全
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(jìn)，核燃料保障成為不可忽視的關(guān)鍵一環(huán)。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀發(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，初步形成了國內開(kāi)發(fā)、海外開(kāi)發(fā)、國際貿易、戰略?xún)?ldquo;四位一體”的保障供應體系，有效保障了鈾資源的戰略安全。但我國鈾資源勘探和開(kāi)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(huì )因鈾資源供應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瓶頸的重要選項。與此同時(shí)，要加快國內鈾資源勘探開(kāi)發(fā)，擴大產(chǎn)能規模，保障資源利用自主可控;還要加大與周邊資源型國家合作，加強海外貿易風(fēng)險防控，深入參與全球天然鈾產(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(kāi)式燃料循環(huán)，也被稱(chēng)為一次性通過(guò)長(cháng)期處置，是將乏燃料進(jìn)行長(cháng)期深地質(zhì)存儲，美國、加拿大和瑞典等國主要采用此路線(xiàn);二是閉式燃料循環(huán)，通過(guò)化學(xué)的方式將乏燃料中未被充分利用的部分分離提取，重新加入反應堆中進(jìn)行利用，而其他廢物進(jìn)行反應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(xiàn)。2007年，我國確定了符合國情的閉式燃料循環(huán)路線(xiàn)。乏燃料后處理屬于高精尖技術(shù)，處理廠(chǎng)建設需耗時(shí)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(chǎng)產(chǎn)能為50tHM/年。據業(yè)內統計數據，截至2021年底，我國已累計產(chǎn)生乏燃料7586tHM。隨著(zhù)壓水堆裝機容量快速增長(cháng)，我國乏燃料的總量也將迅速增長(cháng)。當前，我國乏燃料后處理基礎研究與俄羅斯、美國、法國等國仍存差距，后處理關(guān)鍵設備如剪切機、溶解器等仍有待進(jìn)一步研發(fā)，尚未建成商用后處理廠(chǎng)且不具備相應的運行經(jīng)驗。隨著(zhù)我國核能事業(yè)穩步、健康發(fā)展，建設與之配套的、年處理能力為1000tHM以上的乏燃料后處理廠(chǎng)尤為必要。
(五)因地制宜開(kāi)展核能綜合利用
隨著(zhù)核能利用技術(shù)不斷進(jìn)步，核能應用場(chǎng)景也不斷增多。目前國際上已有近150個(gè)國家和地區開(kāi)展了核能技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應用，以美國、日本為代表的發(fā)達經(jīng)濟體，通過(guò)政府扶持和市場(chǎng)拉動(dòng)，已經(jīng)形成了與核能關(guān)聯(lián)度高、節能、高效、無(wú)污染的相關(guān)新興產(chǎn)業(yè)，全世界核能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化規模近萬(wàn)億美元。其中，同位素與輻射技術(shù)及其應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，其應用水平是一個(gè)國家綜合實(shí)力的重要標志。我國核能主要用于發(fā)電，但隨著(zhù)第四代核能系統等技術(shù)逐漸成熟和應用，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實(shí)現核能集中供暖、并積極謀劃核能制氫和海水淡化，海南謀劃建設小堆海水淡化項目，中核集團醫用同位素關(guān)鍵產(chǎn)品實(shí)現國產(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，努力實(shí)現“熱電氫”多聯(lián)產(chǎn)工業(yè)應用，因地制宜拓展核能綜合利用。
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