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工作研究丨热堆-快堆-聚变堆是全球主要核国家的选择
时间:2022年09月22日 来源:《中国核能》2022年第四期 点击量:195 分享:

核能能够在本质上解决人类社会发展与能源需求的矛盾,将推动人类进入下一个技术变革时代。我国核能发展“三步走”战略于1983年提出,具有重要战略意义。国际发展核能的国家虽然没有明确提出核能发展“三步走”战略,但是俄罗斯、美国、法国等国家的核能发展战略都绕不开热堆—快堆—聚变堆。

核能发展“三步走”战略符合自然发展规律

“三步走”战略中热堆、快堆利用的是核裂变能,聚变堆利用的是核聚变能。裂变反应堆根据引起裂变反应的中子能量不同分为热堆(中子能量小于0.1 eV,热中子)和快堆(中子能量大于100000 eV,快中子)。

从资源可利用角度看,热堆、快堆、聚变堆资源储备量逐步提高。我国核能发展的第一步是以压水堆为代表的热中子反应堆,利用的是铀-235,占自然界铀资源的0.711%,可以解决“百年”核能发展问题。第二步是以发展快堆为代表的增殖与嬗变堆,可以利用铀-238,占自然界铀资源的中99.284%,最终形成一体化闭式循环先进快堆核能系统,与热堆匹配发展,为人类“千年”核能发展问题提供解决方案。第三步是发展可控核聚变堆技术,聚变燃料在自然界中储量丰富,可以保证人类上百亿年的能源消耗,是理想的终极能源。

从技术成熟度维度看,“三步走”能够系统性、规划性实现能源长远发展。坚持系统观念,从顶层设计、战略引领能源发展。经过多年试验和探索,全球热堆的发展已大规模应用,可满足现在和未来短期内核电发展的基本需要,被许多国家作为能源安全保障和能源独立的有效方案;快堆则处于技术储备和前期工业示范阶段,是不少国家充分考虑到核能可持续发展与国家安全后的选择;核聚变技术还在技术科研攻关阶段。人类对核能的认知和利用是一个渐进的过程,热堆商业化解决眼前能源问题,快堆技术储备解决铀资源与放射性废物问题,聚变堆逐步实现科研技术突破,对长远解决能源问题具有重要意义。

热堆、快堆、聚变堆逐步实现绿色安全可持续,符合能源革命发展趋势。物联网、5G、区块链、人工智能等新一代信息技术革命与非化石能源技术进步与成熟使能源供给发生重大变革,最终实现高效、绿色、可持续的新能源供给结构。从能量密度出发,热堆、快堆、聚变堆的能量密度不断迈入新台阶,效率逐次提高。热堆发电过程中不产生二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和烟尘颗粒物等,是绿色低碳的能源,但是会产生一定量的放射性废物。相比于热堆,快堆更安全,而且可以裂变和嬗变长寿命高放废物以及增殖核燃料,减少了放射性废物量,能够一定程度上实现铀资源可持续利用,核能“绿色安全可持续”性得以提高。聚变堆能量释放更高效、环境友好、资源储备更丰富,是理想能源形式。

俄罗斯

俄罗斯核能发展路线图长久以来都是坚持短期内优化VVER技术,中期实现基于快堆的先进核燃料循环系统,长期内掌握核聚变技术的战略。《俄联邦“核工业综合体发展”国家纲要》指出为确保俄罗斯技术的世界领先地位,要通过研发和应用新的具有竞争力的技术来推动本国核工业持续创新发展,并通过纲要实施,研发不少于20项达到或超过世界先进水平的新一代核技术。俄罗斯正倾力打造以压水堆、快堆、聚变堆为代表的核能技术,支撑本国核能发展。

热堆以压水堆VVER系列为主力堆型,不断推动压水堆、沸水堆、高温气冷堆等小型热堆技术的研发。自1964年前苏联新沃罗涅日核电站投运世界上第一台VVER型压水堆核电机组以来,历经60年的发展,俄罗斯国内现有超过一半的核电机组都采用该堆型技术。目前,俄罗斯研发出了VVER-1200型压水堆技术,该技术采用了“能动+非能动”安全设计理念,符合国际上三代核电技术要求。根据《俄罗斯联邦能源区域规划》,VVER堆型是国内核电建设的主力堆型,同时,也是俄罗斯海外出口的主打品牌,已通过了国际原子能机构和欧洲核电用户组织认证,我国田湾核电站7、8号机组,徐大堡核电站3、4号机组都采用VVER-1200堆型。此外,俄罗斯积极推动小型压水堆、沸水堆、高温气冷堆等在核动力、孤岛供电等领域的发展。俄罗斯已经建成4台小堆,分别是装载两台KLT-40S小堆的“罗蒙诺索夫”号浮动核电站,已经为楚科奇地区供电供热;装载两台RITM-200小堆“北极”号破冰船顺利完成首航。


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核能发展技术路线的中期目标是实现一体化快堆与闭式核燃料循环系统,形成合理比例的热堆—快堆核电结构,建成闭式核燃料循环体系。俄罗斯发展快堆的主要目标是提高核反应堆运行的安全性与解决放射性废物问题。在快堆研发方面,俄罗斯快堆坚持“研究堆—示范堆—商用堆”的发展路线,而且远远超过了其他国家的快堆发展速度和规模,研发、建造及运行经验较为丰富,在快堆领域的优势明显。上世纪40年代后,俄罗斯相继研发出BP-1与BP-2快中子临界装置,BP-5(BP-10)、BP-60、BH-350快中子试验堆,BH-600快中子商用原型堆等。俄罗斯于2006年将BH-800(BN-800)快堆技术列入《俄联邦核工业综合体2007-2010年及2015年远景发展纲要》,并开始大规模建造BN-800快堆核电站。2011年以来,俄罗斯在《2010-2015年及2020年前新一代核技术联邦目标纲要》框架下实施“突破”项目,核心便是“研发和建设用于闭式燃料循环的不同功率快堆技术”。2015年12月10日,俄罗斯别洛雅尔斯克核电站4号BN-800快堆机组并网发电。除上述大功率快堆外,俄罗斯还正在研发一系列小型快堆,包括多功能研究快堆、铅冷快堆和铅铋冷快堆。


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核聚变作为终极能源目标,俄罗斯一直保持较为领先的水平。俄罗斯是核聚变研究最早的国家之一,有世界第一个超导托卡马克,并一直保持着较为领先的水平,但是由于经济问题,目前仍强调作基础的准备工作。俄罗斯以参与ITER计划为契机,筹划本国未来核聚变能发展,提出在2035年前后建成聚变示范堆设想,在2050年前后建成商业聚变堆,堆型为聚变裂变混合堆。在俄罗斯《创新发展和技术现代化计划》中将受控热核聚变技术和创新等离子体技术的开发作为关键创新项目。俄罗斯一直积极参与ITER的研发,同时还和意大利共同建造IGNITOR,和哈萨克斯坦研制KTM装置,保持了聚变研究的活跃度。


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美国

美国是全世界最早利用核能的国家,其核电技术一直处于领先地位。当前,美国核电机组数、核电装机容量和发电量都位列全球首位。美国核能发展战略是:热堆具有较强的经济竞争力,推动产业发展;不间断研发快堆技术,确保全球领先地位;核聚变技术作为未来能源,科学技术研发进程加快。

不断提升核能经济性、安全性,在能源市场中取得突破是美国长久以来热堆发展的基本方向。压水堆、沸水堆因其经济性好成为了美国核电发展的主线,并不断占领全球市场。上个世纪60年代,美国压水堆经济性得到证实后,随后向全球进行技术转让,法国、意大利、日本、韩国等国家都是在美国帮助下实现自主化。目前全球440多座正在运行或者建设的核电站近一半都源自于美国。福岛核事故后,美国提出具有更高安全性、更高功率的新一代先进核电站,研制出了先进压水堆(ABWR)、先进非能动式压水堆1000(AP1000)。相比于“二代”或者“二代+”核电机组,三代核电功率更大、寿命更长、建设周期更短、经济性更好、安全性更高。为进一步强化防扩散要求和改善经济性,美国政府提出第四代核电技术,计划2030年左右投入应用。此外,美国热堆小型化研发技术居世界领先地位,大力推进小型堆开发认证工作,去年8月,纽斯凯尔动力公司小型模块堆(采用压水堆技术)设计获美国核管会批准。

坚持快堆技术攻关。在快堆发展初期,美国设计并建造了一批小型试验快堆验证可运行性、安全性、增值性等,但是经济性阻碍了快堆商业化发展进程。美国能源市场是充分的自由竞争市场,受经济性影响,美国暂无商用快堆计划,但是注重嬗变快堆的发展。美国一直持续快堆基础科研工作,包括先进结构材料与高性能燃料、超临界二氧化碳能量转换系统、先进模拟与安全分析技术。美国于2000年率先提出的并被普遍核能国家接受的6种四代堆中有3种是快堆,分别是钠冷快堆、铅冷快堆、气冷快堆。2021年初,美国能源部核能办公室最新版《核能发展战略愿景》中指出钠冷快堆、铅冷快堆可在更高温度和更低压力下运行,是未来核能技术研发方向之一。为了解决美国改进型反应堆商业化研发能力缺口,核能办公室正在开发多功能试验反应堆(VTR),已制定出时间表和资金概况,以确保多功能试验反应堆在2026年之前投入运营。多功能试验反应堆即为钠冷快堆,用于加速先进核技术的测试。

美国是磁约束核聚变研究最发达的国家,聚变从科学研究计划逐步转变为能源问题。美国曾经是聚变研究的领头羊,投资最多,贡献最大,成果进展丰厚。由于聚变工程挑战大,美国能源储备强,对聚变能源的需求不是特别强烈,与欧盟相比,美国只是长期将聚变研究作为科学研究计划,而不是能源开发计划。2018年,美国国家科学院发布了《美国燃烧等离子体研究战略计划委员会的最终报告》,建议美国应继续参与国际聚变发电项目——国际热核聚变实验堆(ITER),同时扩大和推进国内核聚变能源研发工作。2021年2月,美国国家科学、工程和医学研究院发布《将聚变技术引入美国电网》报告,提出了一项设计、建造和运营聚变试验工厂的战略计划,目标是在2035年至2040年之间实现发电,使聚变能够尽早为美国电力能源脱碳做出贡献,并为商业发展铺平道路,使美国成为全球核聚变领域的领导者。美国科学院《关于提供未来能源—聚变和等离子体》报告标志着美国能源部核聚变能源科学首次进入战略规划阶段,将解决聚变能源问题。美国在组织对未来建设聚变堆所涉及的科学和技术问题做详尽分析的基础上,重返ITER计划。美国能源部制定了聚变能科学计划,全面支撑其国内聚变能设施建设与科学研究,并确定将制定一项致力于在未来35年内建成聚变发电示范堆的研究开发计划,兼顾国防和太空战略等其他用途。

法国

法国是全球核电比例最高的国家。法国核电整体上短期内以EPR系列作为主力堆型支撑法国国内及全球市场发展;采用闭式核燃料循环策略,中期内部署先进的快堆及后处理技术,实现闭式核燃料循环;长远来看,持续发展核聚变技术。

法国核能通过压水堆实现批量化、标准化道路,能源系统中保持较高占比。上个世纪,法国分别从美国引进单机功率为900MW和1300MW的压水堆核电机组,走批量化、标准化、自主化的发展道路。法国在运核电机组与8台机组出口海外的机组全部是压水堆。近年来,法国与德国合作自主研发了欧洲压水堆EPR,研发之初,法国就积极开拓海外市场。目前,全球EPR堆型投运2台机组,是我国台山1号、2号机组;在建4台机组,分别是芬兰奥尔基洛托3号机组、法国弗拉芒维尔3号机组、英国欣克利角C1号与2号机组。根据法国电网公司《未来能源2050》研究报告,法国在2050年前新建核电机组以EPR2为主,小型模块化核电为辅。

法国选择闭式燃料循环策略,快堆与后处理技术都相对成熟先进。法国政府多次在政策中声明法国核燃料循环政策,积极开展快堆技术攻关,实现热堆—快堆匹配发展。法国作为核能发展的典型国家,压水堆已经大规模发展并长期运行,积累了大量乏燃料、长寿命高放废物,因此更重视嬗变快堆。法国原计划建设600MW先进钠冷工业示范堆,考虑到投资,该项目于2019年暂停,但是未来会朝着低功率的方向继续推进。即使法国在技术突破、经济性大幅提升后开始部署商用快堆电站,在此之前将多余的钚用于压水堆,根据后处理能力和钚的平衡来确定未来快堆比例以及所需的增殖比。

作为欧盟主要国家,法国积极参与欧共体核聚变项目,主导核聚变技术。法国拥有Tore Supra和LMJ等先进核聚变实验装置。上个世纪九十年代,法国参与的磁约束受控核聚变研究装置JET取得的重要成果宣告了磁约束托卡马克装置上开发核聚变能的科学可行性在实验上已经得到证实,表明托卡马克是最有可能首先实现聚变能商业化的途径。随后,法国与其他国家启动ITER计划,最终ITER装置选址在法国南部的卡达哈什。法国政府长期以来支持聚变能的研发,通过参加ITER的建设和实验研究从而全面掌握ITER的知识和技术,培养一批聚变工程和科研人才,使法国核聚变能研究在整体上进入世界前沿。

此外,日本、韩国、印度等有核国家尽管核能发展采用的技术路线有所差别,但是在战略上都是率先实现热堆的大规模应用,积极研发或部署商用快堆,支持“未来能源”核聚变能的发展。

(作者:李林蔚 王墨 张海军  作者单位:中核战略规划研究总院)


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