《中国核能行业智库丛书（第二卷）》市场推介圆满完成。这是一本发产业先声的智慧文萃，是行业专家们从不同角度、不同深度对产业前途命运进行思考的思想文库，近期小编将精选部分观点文章与广大读者共同品鉴。今天，和您分享的是系列文章之十三：我国核电安全高效发展路径与措施。

    作者简介

    雷梅芳，研究员级高级工程师，曾先后从事铀矿、有色金属湿法冶金用有机材料的研制、提取工艺的技术研发，核电工程项目的开发与管理，国际科技合作、核进出口管制、第四代核能系统的研究与管理等。

    文章摘要

    第四代核能系统是目前正在研发的、在反应堆概念和燃料循环方面有重大创新的下一代先进反应堆，因其具有安全可靠性高、燃料利用率高、废物产生量小、更好的经济性、具备多用途功能、抗核扩散的特征而日益受到国际核能界的高度重视，世界上主要的核能国家纷纷开展第四代能系统的研究开发，并把它作为引领国际核能科技发展方向的基础。作为低碳能源的一部分，第四代核能反应堆必须从设计上增强其灵活性，加大与其他可再生能源的融合。本文概述了第四代核能反应堆的研发现状、发展目标、相关系统的关键技术，提出了加强第四代核能系统关键技术研发的建议。

    全文赏析

    关于加强第四代核能系统关键技术研发的建议

    前言

    核能作为一种清洁低碳、安全高效、能量密度高、可大规模利用的非化石能源，是推进绿色发展、建设美丽中国的重要能源选择，在确保国家安全、能源安全和应对气候变暖、保证全球环境安全等方面具有不可替代的重要作用。核电发展对于我国提升综合经济实力、工业技术水平和国际地位做出了巨大贡献。

    截至2018年12月31日，我国投入商业运行的核电机组共44台，装机容量达到44.645 GW, 在建机组12台, 装机容量13.43 GW, 已迈入世界核电大国之列。2018年1-12月，全国累计发电量为67914.20亿千瓦时，商运核电机组累计发电量为2865.11亿千瓦时，约占全国累计发电量的4.22%。与燃煤发电相比，核能发电相当于减少燃烧标准煤8824.54万吨，减少排放二氧化碳23120.29万吨，减少排放二氧化硫75.01万吨，减少排放氮氧化物65.30万吨。

    虽然我国核电科技水平有了长足进步和显著提高，但与世界核电强国和引领能源革命的要求相比，还有较大的差距，主要表现为：核电装机和发电量占比较低，对低碳能源的贡献比较小；基础与前沿类技术研究仍显薄弱，新材料与核燃料的安排滞后、投入不足；一些核心技术存在短板，关键装备与材料依赖进口。当今，国内外核电科技创新呈现出新的发展趋势，总体上朝着“更严格的安全标准、更智能的应用技术、更灵活的用户需求”方向发展，用户场景由单一的“电力供应”为主向“清洁能源、综合利用、多功能化”等领域拓展，供应产品也由以“电”为主向“供热、制氢”等多用途方向延伸，并将增殖（提高铀资源利用率）和嬗变（减少高放废物）的能力作为重要的衡量指标。

    第四代核反应堆是目前正在研发的、在反应堆概念和燃料循环方面有重大创新的下一代反应堆，其主要特征是安全可靠性高、燃料利用率高、废物产生量小、具有更好的经济性、具备多用途功能、防止核扩散。近年来，以快堆、高温气冷堆等为代表的第四代核能系统受到国际核能界的高度关注。美国、法国、俄罗斯、日本、中国、韩国、欧盟等核能发展主要国家，纷纷开展了第四代核能系统的研究开发，旨在掌握第四代核能系统的核心技术，抢占未来先进核能技术创新的制高点，进而占领国际市场。要实现从核电大国到核电强国的转变，进军国际市场，必须进一步全面提升我国核电水平，在继续做好三代核电技术科技攻关、工程建设与安全运行的同时，要超前部署第四代核能技术的研发，推动技术创新，形成包括研发设计、先进核燃料与新材料制造、关键设备制造技术等在内的自主知识产权，为我国核能可持续发展奠定技术基础。

    1 国内外第四代核能技术的研发现状与面临的挑战

    1.1参与第四代核能技术合作研发的国家不断增加

    第四代核能系统及关键技术受到更多国家的关注。澳大利亚在2017年签署第四代核能系统国际论坛（GIF）《第四代核能系统研究开发国际合作框架协定》后不久，便在GIF内发起成立了先进材料与材料工程专项任务组，目的是借助GIF平台，对各系统所面临的材料与材料工程化这一核心共性问题更好地开展研究。英国在签署GIF宪章18年后，于去年10月正式加入了GIF框架协定和相关系统安排，实质性参与高温气冷堆材料、燃料等的研究开发工作。土耳其也在近期表达了拟加入GIF，共同参与先进核能系统研发的愿望，尤其对于反应堆结构材料和熔盐堆等方面表现出了很大兴趣，参与第四代核能技术研发的国家不断增加。

    1.2钠冷快堆的研发现状和面临的挑战

    1.2.1研发现状

    钠冷快堆是全球第四代核能论坛提出的六种堆型中研发进展最快、最接近满足商业核电厂需要的堆型。

    进入21世纪以来，钠冷快堆技术在世界范围内得到进一步的发展，俄罗斯、印度、法国、中国等国均有在建的快堆项目或提出了新的快堆发展计划。法国有600MWe示范快堆ASTRID的项目计划；美国自上世纪末一体化快堆（IFR）工程下马以后，虽然没有新建钠冷快堆的计划，但一直持续开展快堆的基础科研工作，包括先进结构材料、高性能燃料、乏燃料干法后处理、超临界二氧化碳能量转换系统、先进模拟与安全分析技术，使用金属燃料的行波堆等。

    俄罗斯有长期运营钠冷快堆的经验，其1980年并网商运的BN-600型反应堆已运行37年，2016年BN-600的负荷因子超过了87.45%。80万千瓦的BN-800型反应堆于2016年10月31日正式投入商业运行，是全球在运的最大的钠冷反应堆。同时，俄罗斯正计划在2030年建设一座功率为120万千瓦的大型钠冷反应堆，其设计工作已经完成。

    日本因福岛事故的影响，已决定MONJU反应堆退役，但快堆技术科研和商用示范大堆的设计并未停止。

    我国已建成中国实验快堆（CEFR，200MWe），于2014年实现满功率运行。正在建设之中的600MWe示范快堆（CFR600）在《能源技术创新“十三五”规划》中被列为18个示范试验项目之一，预计2023年并网发电。

    1.2.2面临的挑战

    当前发展钠冷快堆技术的国家重点关注的挑战与努力方向包括：重视钠火与钠水反应的防护，提高涉钠设备与系统的安全可靠性；重视反应堆安全性能的提升，致力于降低发生堆芯熔化及大规模放射性释放的频率，提高反应堆应对严重事故的能力；重视乏燃料后处理，致力于形成闭式燃料循环。

    1.3高温堆/超高温堆的研发现状和面临的挑战

    1.3.1研发现状

    超高温气冷堆既可以应用于纯蒸汽的蒸汽透平发电，也可以直接氦气透平发电，可以基于蒸汽循环的热电联供，还可以通过中间热交换器后再氦气透平、或结合蒸汽透平、甚至耦合海水淡化、供热等多种应用。

    现有高温气冷堆的反应堆技术已能实现700-950℃的出口温度，比如德国的AVR和日本的HTTR已实现950℃温度的长期稳定运行，而采用蒸汽发电技术的高温气冷堆只需要约700-750℃的出口温度。为支持700-950℃出口温度，当前的堆芯布置、结构材料、燃料元件等技术都已成熟，安全分析软件也能通过核安全当局的审查。但是，投入运行的高温气冷堆机组很少，运行经验不多，燃料、设备、运行特性等数据积累得还不够多，特别是基于高温蒸汽的工艺热应用还验证得不多，更先进的氦气透平、高温裂解水制氢技术尚未成熟。

    1.3.2面临的挑战

    对于超高温气冷堆，由于其产品将直接接触到人，接近用户中心，不易做到隔离，且缺乏经验，尚未示范、验证，公众可接受性将是未来面临的主要挑战。

    2  第四代核能系统的发展目标与关键技术

    2.1第四代核能系统的发展目标

    第四代核能系统的发展目标是：在可持续性、经济性、安全与可靠性、抗扩散与实物保护四个方面实现如表1所示的8个技术目标，以及衡量这些目标的15项准则。为此，GIF从 100多种堆型的概念设计中遴选出超高温气冷堆（VHTR）、钠冷快堆（SFR）、超临界水冷堆（SCWR）、铅冷快堆（LFR）、熔盐堆（MSR）六种核能系统，作为最具发展前景的先进核能系统进行重点研究开发，并提出了这6种核能反应堆的创新性设计（见表2）及潜在应用场景，旨在指引下一代先进核能技术的研究开发，激励先进核能科技的创新与核能新技术的综合应用，满足人类社会发展日益增加的能源需求，实现绿色可持续发展。

表1 第四代核能系统的发展目标

表2 六种第四代核反应堆设计

    首座第四代核能系统预期在2035-2040年进行商业部署，以接替届时达到运行许可寿期的核电站。在其后的数十年中，第四代核反应堆将与先进的第三代反应堆一起发展，以提高核能发展的可持续性。

    2.2 第四代核能系统的关键技术

    第四代核能系统由核反应堆、能量转换系统以及必要的核燃料循环设施组成。在当今可再生能源突飞猛进的情况下，第四代核能反应堆必须从设计上增强其灵活性，加大与其他可再生能源的融合，方可适应不断变化的市场需求。对此，应加强第四代核能系统关键技术及前沿技术的研究开发，夯实基础性技术基础，攻克核心技术、关键材料、关键装备制造等短板。

    2.2.1 超高温气冷堆

    模块式高温气冷堆使用全陶瓷包覆颗粒燃料，采用氦气冷却，石墨慢化，可在高温下运行，具有固有安全性、系统简单、发电效率高、制氢、供热等用途广泛的优点，将成为首批被验证的第四代核反应堆。关键技术包括：

    全陶瓷包覆颗粒燃料元件技术、全陶瓷堆芯结构材料技术、不停堆换料系统技术、核级石墨制造技术、中间热交换器制造技术、核能制氢技术、氦气轮机技术，以及超高温运行状态下，特殊耐高温、耐腐蚀的材料研制技术，堆内构件材料及结构分析、燃料元件高温性能试验、热工与安全分析等。

    我国在国家科技重大专项的支持下，已逐步掌握了高温气冷堆相关技术，在燃料制造、蒸汽发生器等关键设备的研制方面取得了突破，目前正在建设的200MW高温气冷堆核电站示范项目预计在2020年投入运行。但距离第四代核能系统的全面要求还有一定差距。

    2.2.2 钠冷快堆

    钠冷快堆是第四代核反应堆中研发进展最快，最接近满足商业核电厂需要的堆型。钠冷快堆因其在固有安全性、可增值核燃料、大幅度提高铀资源利用率，以及通过嬗变长寿命放射性锕系元素，实现核废物最少化等方面的优势而受到世界各国的重视。由钠冷快堆与先进后处理构成的先进核能系统，是支撑先进核燃料循环的关键环节，是实现核裂变能可持续发展的重要途径。关键技术包括：

    金属燃料和材料技术、干法后处理技术、新一代软件和数字快堆技术、总体设计技术、安全运行与智能维修技术、关键设备制造技术、非能动停堆和余热排出技术、革新型动力转换技术等。

    我国在示范快堆成功建造和运行的基础上，将掌握大型钠冷快堆设计、建造、关键设备制造技术等，为商用钠冷快堆奠定基础。到2050年，实现商用钠冷快堆规模化发展。

    2.2.3 超临界水冷堆

    超临界水冷堆的主要优点是热力学效率高，系统简化，可继承和延续现有压水堆技术和超临界火电技术。加拿大、欧盟、日本、俄罗斯都在开展超临界水冷堆的技术研发。我国自2007年开始，先后完成了超临界水冷堆关键科学问题的基础研究与技术研发，CSR1000技术方案的IAEA专家审查等。但由于各种原因，近两年研发力度有所降低。关键技术包括：

    堆芯设计技术、安全系统分析与设计技术、燃料元件包壳材料研制技术、钍铀燃料技术、热工水力及安全相关实验技术。

    2.2.4 铅冷快堆

    铅冷快堆是以液态铅或铅铋合金（LBE）等重金属为冷却剂的快中子反应堆。铅/铅铋快堆以闭式燃料循环为特征。铅/铅铋快堆因其良好的固有安全性、较高的核燃料增殖和核废料嬗变能力，成为同时具有特殊场合发电、供热、增殖、嬗变的多用途反应堆。近年来，由于加速器驱动次临界（ADS）嬗变反应堆系统和海上浮动核电平台研究的兴起，铅冷快堆在世界范围内再次得到重视，研发加速。俄罗斯、欧盟、美国、韩国和日本均将铅铋快堆列入其核能长期发展规划，并制定了相应的发展计划。关键技术包括：

    设计技术、冷却剂工艺技术、抗高温、耐腐蚀结构材料研制技术、燃料和新型包壳材料技术、铅铋合金除钋技术、氧控与防腐技术、关键设备研制技术、抗震技术、智能运维检修技术等。

    2.2.5 熔盐堆

    熔盐堆是以熔盐作为冷却剂的反应堆。得益于其熔盐冷却剂的高温、低压、化学稳定性、高热容等特性，熔盐堆可建成常压、紧凑、轻量化和低成本的反应堆（小型模块化）；熔盐堆运行只需少量水（无水冷却），可实现在干旱地区高效发电；输出温度可达700°C以上，输出的高温热能不仅可用于布雷顿循环发电，也可用于工业生产和高温制氢、吸收二氧化碳制甲醇等，从而缓解气候问题和环境污染，实现核能综合利用。

    熔盐堆采用液态燃料，核燃料直接融于熔盐冷却剂中，能够在线添加核燃料和处理裂变产物，是适合于钍基核燃料高效利用的堆型。关键技术包括：

    熔盐堆设计技术、关键设备制造技术、铀钍燃料循环技术、基于氟盐体系的干法后处理技术、耐高温腐蚀和耐辐照材料技术、燃料盐技术、放射性废物处理处置技术、钍基熔盐堆安全标准技术等。

    4 对加强我国第四代核能系统关键技术研发的建议

    与美国、法国、俄罗斯等核能发达国家相比，我们在第四代核能系统关键核心技术研究开发方面还存在较大差距，尤其在当前国际形势风云变幻，美国调整对华核能政策，加大对我在下一代先进核能系统技术交流与合作限制的情况下，亟需加强对第四代核能系统关键核心技术的自主研发，以破解核心技术研发设计、关键材料和装备制造技术受制于人的局面。建议如下：

    4.1 加强统筹协调和顶层规划，研究制定国家中长期核能发展战略和第四代核能系统发展技术路线图。

    我国自十多年前启动第四代核能反应堆技术的研究与开发以来，在“863”、“973”、核能开发、重大专项计划以及GIF国际合作框架等的支持下，先后开展了高温气冷堆、钠冷快堆、超临界水冷堆、铅冷快堆和熔盐堆五种堆型的研究开发，取得了一系列研究成果，为进一步深入研究打下了基础。当前，应加强顶层规划。基于当前国内情况和国际市场形势，应远近结合、内外兼顾，从国家层面上加强统筹规划，理顺国内自主研发、国际合作开发、工程建设和技术储备之间的关系，研究和发布国家核能中长期发展战略和规划，提高中长期先进核能技术储备保障能力。针对核能复杂性、系统性和长期性等特点及安全性特殊要求，整合核能上下游科技资源，形成合力。政府主管部门牵头组织先进核能反应堆核燃料循环的评估机制，在现有研究开发工作的基础上（见表3），研究制定我国第四代核能系统发展技术路线图，适时聚焦我国第四代核能系统的研究方向，明确发展路径， 2035-2040年实现第四代核反应堆首堆商业应用示范, 2050年全面实现第四代核能系统的目标要求，使四代核能在供热、制氢、冶金、化工、海水淡化等方面具备规模建设条件。

    4.2 开展第四代核能系统的技术成熟度评价，防范技术研发风险。

    技术成熟度（TR）又称技术就绪度，是指技术相对于项目或系统预期目标的成熟程度。技术成熟度作为一种系统的、规范的技术成熟程度的量化评价方法，一方面可以用于比较技术当前成熟状态与预期目标间的差距；另一方面可作为一种统一的标准，衡量不同技术、项目之间的成熟状态，使管理机构掌控项目进展情况，控制项目技术风险、协助工程转阶段把关和制定技术开发计划等。鉴于技术成熟度在技术研发和科研管理中发挥的显著作用，其已被美、英等国和国际标准化组织等多家机构认可和使用。

    第四代核能系统的研究开发是一项十分复杂而又艰巨的系统工程，涉及核科学、机械制造、数字控制、运行维护、工程建设等多个重要技术领域，具有研发周期长、经费投入大、研制风险高等特点，建议在有关主管部门的指导下，根据国家能源局于2018年3月发布的《核电技术成熟度评价规范（NB/T 20511-2018）》，分别对目前我国第四代核能反应堆与燃料循环的研发、设计等进行技术成熟度评价。通过评价，识别出研发、设计和工程建设中的核心关键技术，确定关键技术清单，聚焦重点问题，及时修正和调整科研规划、明确各阶段研发目标，将有限的资源投入到需优先开发的关键技术上，防范技术风险。

    4.3 建立国家核能重点实验室，加强核燃料循环与新型材料的基础研究，抢占先进核能技术创新的制高点。

    国家实验室是服务于国家发展重大战略、以提高国家自主创新能力为使命的国家综合科研基地。核领域国家实验室则是抢占科技创新制高点、促进协同创新攻关的重要载体。

    在今年1月举行的国家科学技术奖励大会上，国务院总理李克强提出，要瞄准世界科技前沿，聚焦国家战略需求，调整优化重大科技项目，抓紧布局国家实验室，重组国家重点实验室体系，培育国家战略科技力量。“基础研究是科学体系的源头，加快科技创新，必须把基础研究摆在更加突出的位置。”

    核科学技术是高新尖技术，涉及学科范围广，学科交叉多、综合集成度高，是高科技领域的代表。通过建立核领域国家实验室，可以加大核科技创新资源统筹力度，促进创新要素集聚，瞄准“卡脖子”问题，大力开展关键核心技术攻关，加快突破行业发展瓶颈，抢占世界核科技创新制高点，引领我国科技整体快速进步。在当前以及未来几十年，基于当前裂变能的民用核能仍将为我国保障能源供应、调整能源结构、应对气候变化发挥关键作用。先进核能技术也是促进我国核电“走出去”战略实施，促进装备业“走出去”的关进基础，保障国防安全和能源安全的重要手段。

    以快堆和先进后处理（湿法或干法）为代表的第四代核能系统，既能大大提高铀资源的利用率，又能实现核废物的最少化。“世界核能的未来与闭合核燃料循环密不可分；在可预见的未来，世界核能将成为真正的可再生能源，因为可裂变物质能达到与辐射时相等的使用率”。

    在第四代核能系统内，反应堆内服役环境极其恶劣，核燃料及相关设备、部件长期处于高温、高腐蚀的服役条件，经受强中子辐照和冷却剂腐蚀后，材料性能会急剧下降。依托国家核领域重点实验室，集中优势资源开展基础性、前沿性研究与科技创新，研究开发耐高温、耐腐蚀，具有良好辐照性能的反应堆用结构新材料；开发性能优于耐事故燃料（ATF）的新型核燃料；开发使乏燃料中的铀、钚及次锕系元素等返回使用的先进后处理工艺技术并使其工程化，是我国核能领域当前亟需突破的重大问题。同时，其基础研究成果也可应用于进一步改善当前二代反应堆、三代反应堆的安全性与经济性，补齐我国在先进核燃料与包壳材料、先进结构材料、后处理方面的短板。在第四代核能系统的研究开发过程中，应顺应世界能源数字化、清洁化的趋势，加大人工智能、大数据、物联网等技术与核能技术及其全产业链的融合，提升研发效率，引领能源革命。

    4.4研究建立第四代核能技术的标准体系

    国务院办公室在2018年8月印发的《关于加强核电标准化工作的指导意见》中指出：安全高效发展核电是我国能源战略的重要组成部分。核电标准化是支撑我国核电安全和可持续发展的重要保障，是促进核电“走出去”的重要抓手，对推动我国由核电大国向核电强国迈进具有重要意义。核电行业的快速发展，核电标准化工作也迎来了重要机遇期和关键窗口期。

    在国家有关政府部门的大力支持下，我国在钠冷快堆、高温气冷堆设计标准的制定方面已经取得了重要话语权，参加了第四代核反应堆部分国际安全标准的起草和制定工作。然而，第四代核能系统的标准研制还未完全纳入到我国的标准体系中，进展明显滞后于科研开发，更缺少自主化、系统性考虑，在多个系统存在科学技术短板，标准制定总体上仍然处于“跟跑”状态。

    核能要发展、标准需先行。只有制定与我国现有工业体系与技术水平相适应的、与国际接轨的自主技术标准，建立衔接配套、易于复制和推广的技术产业化发展机制，才能实现真正意义上的核电自主化，才能更好的支撑核电 “走出去”。更为重要的是，只有建立具有国际先进水平的自主核电标准体系，才能掌握核电标准话语权，我国才能真正成为世界一流的核电强国。

    建立第四代核能技术的自主标准体系，应考虑以下几个方面：

    一是在时间安排上应尽早启动，力争标准与规范研制与第四代核能技术的研究开发、工程示范同步安排部署。要充分发挥标准的规范、引领和支撑作用，推动核电技术和装备进步，促进我国核电安全和可持续发展。

    二是要立足第四代核能技术研发的创新成果，并根据其特点，通过实验验证、示范工程等实践，利用标准和规范将技术创新内容加以固化，开发建立适合四代核能系统的标准；

    三是在建立和完善标准、规范的过程中，要加强各系统堆型技术和标准的对比，借鉴国际先进技术和经验，保证自主标准的通用性和适用性。

    四是要做好第四代核能技术与第三代核电标准的衔接，在关注不同堆型特殊性的同时，扩大标准的兼容性。

    五是要加强标准的基础研究，积累基础研究数据资料，同时利用现代化数字手段和智能技术，开展标准、规范的应用结果评价，最终建立一套“自主、统一、协调、先进”、与我国核电未来发展水平相适应的核能标准体系。

    4.5多渠道资金支持，提升技术创新能力

    核能开发周期长，基础研究投入高、回报慢且不易量化，但却决定了其在国家战略中的核心地位和长远竞争力。在基础研发阶段，应更多利用财政的资金投入，支持新材料、新技术、新工艺等共性技术的科技攻关，开展基础性、战略性、前瞻性的科技创新活动，提升科技创新能力，引领国家核科技进步，并对全产业链能力加以保障，为核能技术创新可持续发展提供基础研发能力支持。（本文刊载结束）