先进核能技术发展与展望

2020-09-22 15:08  来源:原子能科学技术    核能技术  核电  清洁核能  核能发电  核能利用

核能作为清洁、低碳、安全、高效的基荷能源,在应对全球气候变化中起到积极的正面作用。福岛 核事故后,国际社会对核能安全性提出了新的、更高的要求;同时在开放的电力市场环境中,核能的大力 发展又受制于经济性和环保等方面的因素。


核能作为清洁、低碳、安全、高效的基荷能源,在应对全球气候变化中起到积极的正面作用。福岛 核事故后,国际社会对核能安全性提出了新的、更高的要求;同时在开放的电力市场环境中,核能的大力 发展又受制于经济性和环保等方面的因素。世界核能界正探索和开发新一代先进核能技术,以期解决 核能发展的相关问题。本文调研了国际组织和主要核能强国的先进核能技术的发展情况,介绍我国先 进核能技术的发展,浅析未来先进核能技术的发展趋势、重点发展方向和共性技术。

目前,全 球约 440 个核反应堆供应超过 10%以上的电力(根据2019年国际能源署(IEA)电力数据提供约2600TW·h电力),以平均超75%的高容量系数运行,是全球第2大低碳电力能源。核能是高能量密度的国家战略能源,同时又是唯一清洁、低碳、安全、高效的基荷能源。

2011年发生的福岛核事故客观上延缓了各国对核能发展的预期和各国对核能的规划, 更重要的是,国际社会对核能的安全性提出了 新的、更高的要求;核能最严格的法规和监管体系、纵深防御的预防与缓解理念及其他能源的 竞争正严重挑战着核能的经济性。与此同时, 核燃料的供应、核废物的处理和处置、防止核扩散等方面的问题对核能的可持续发展提出新的挑战。世界核能界正探索和开发新一代先进核能技术,以期解决当前核能发展中的安全、经济和环保等相关问题。本文将围绕国外先进核能技术发展的趋势、国内先进核能技术的现状及 方向和先进核能技术的未来展望等3方面进行研究分析。

1 国外先进核能技术发展

1.1 国际核能组织

本世纪初,在美国能源部倡议下,由9 个国家的高级政府代表讨论第4 代核能系统发展中的国际合作,即第4代核能系统国际论坛(GIF),截止目前,共20余个核能国家参与此论坛。GIF旨在寻求技术创新和先进的反应堆设计,并寻求新的市场机会(供热、混合能源系统、可调度能源等)来降低成本,提升经济性,提高设计灵活性和热效率,减少放射性废物的体积和毒性,满足第4 代核能系统的可持续性、经济性、安全可靠性和防扩散及实物保护的目标。GIF 推选了6 种候选4代堆堆型,分别是超临界水冷堆、超高温 气冷堆、钠冷快堆、铅冷快堆、气冷快堆和熔盐堆[1-4],表1 列出了6 种候选4 代堆的特征[3]。目前高温气冷堆、钠冷快堆和铅冷快堆相对推动较快,预计2030年开始商业化部署。

国际原子能机构(IAEA)设立了专门的工作组以促进快堆、创新反应堆及燃料循环、小堆的技术开发和应用部署。在IAEA 合作框架下,各成员国参与了快堆项目的相关工作,包括快堆 设计、快堆结构材料、液态金属快堆安全性、模拟 仿真等内容;同时在陆基及海基水堆、快堆、熔盐堆、高温气冷堆等小型模块化反应堆(SMR)方面开展了大量的堆型研发和应用探索[5-7]。

经济合作组织核能署(OECD/NEA)启动核能创新2050(NI2050),加强创新核技术的研 究,集成其他工业已开发和使用的先进技术。

NI2050涵盖广泛的技术领域,包括反应堆系统设计和运行、燃料和燃料循环技术、废物管理和退役及非电应用。NI2050制定了10 年行动计划,关注延寿管理和长期运行、严重事故机理和管理、退役技术、先进燃料和材料、先进燃料循环、先进制造和建造、核能供暖和热电联产、混合能源系统、废物管理和处置等[8]。

IEA、国际核能合作框架(IFNEC)等多边组织在积极探索和鼓励先进核能技术发展。IEA 发布,若不采取行动,到2040 年全球核电产能下降幅度可达三分之二,在可再生能源尚 未发展成熟之时,实现《巴黎协定》所要求的二 氧化碳减排速度挑战巨大,这就需要大幅提高能源效率、可再生能源投资及增加核电。IEA支持新建核电站并鼓励开发先进核能技术[9]。

IFNEC 政府间多边组织,通过安全、高效、可靠的方式扩大和平利用核能,确 保核不扩散和核安保。IFNEC 常设工作组推动先进核能和SMR 的发展,并积极推动核能发展和部署的研讨会。清洁能源部长级会议提出的美好未来倡议旨在通过创新、先 进的能源系统和应用来改善电力集成系统,促 进可靠的清洁能源供应[10]。

1.2 主要核能国家

2019年,美国总统签署使美国核能法规现代化并支持下一代先进反应堆的法案《核能创新和现代化法案》(NEIMA),包括《核能创新能力法案》(NEICA)、《核能领导法案》(NELA)等,其中 NEICA 支持先进反应堆的部署,开发基于快中子的研究堆以测试先进反应堆的燃料和材料;NELA 旨在推进先进核反应堆技术的研发,巩固美国在民用核能领域的全球领导地位[11-12]。美国能源部核能办公室总体可概况为现有堆优化、小型堆微堆示范、高通量多用 途堆落地及先进堆研发等的发展规划,同 时启动由爱达荷国家实验室牵头的国际反应堆创新中心(NRIC),旨在支持测试和验证反应堆概念并评估反应堆性能,实 施创新反应堆概念的建设和运行[13]。

俄罗斯联邦政府颁布《俄联邦“核工业综合体”发展国家纲要》,旨在通过安全发展核能,在遵守核不扩散的前提下,巩固俄罗斯在国际核技术和服务市场上的领先地位,包括加强核能技术创新和发展新一代核能技术[14]。俄罗斯正致力打造以压水堆、快堆、浮动堆和空间核动力为代表的反应堆技术,成为支撑本国核能发展的重要源动力。与此同时,俄罗斯国家原子能集团公司(ROSATOM)将第4 代核能系统研发国际合作框架协议有效期延长10年,加强先进核能系统的国际合作开发[15]。

欧洲原子能共同体(EURATOM)设立欧洲可持续核工业倡议,将工业界和研究伙伴聚集起来,共同研发第4代快堆技术,属于欧盟战 略能源技术计划的组成部分。EURATOM 可持续发展核能的长期目标是至2050 年完成可持续发展的第4 代核裂变反应堆的示范验证, 并拓展核能(除发电外)技术的广泛应用[16]。

日本内阁2018 年批准的日本能源战略计划,至2030 年核能占比达到约20% ,推动实验快堆和高温气冷堆来推动未来核能研发, 高温气冷堆还可生产用于燃料电池车辆和炼 钢的氢气,降低温室气体排放,实现能源战略目标[17]。韩国积极开展钠冷快堆、高温气 冷堆和全自然循环铅基微小堆等方面的研究, 此外,目 前在 合 作 部 署 一 体 化 小 型 压 水 堆SMART[18]。

近5~10年内,具备大规模商业示范的先进核能技术主要是小型模块化压水堆,表2 列出了国外主要国家的先进小型模块化压水堆。

综上,为积极应对全球气候变化,实现《巴黎协定》所要求的二氧化碳减排目标,各国际组织和核能大国均在探索拓展核能技术的广泛应用,推动部署安全可靠的先进模块化小堆示范应用,积极开展第4代核能系统的研发和国际核能合作。

2  国内先进核能技术发展

能源主管部门出台的《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》[19]明确提出推动能源技术革命,抢占科技发展制高点。我国将继 续深入实施创新驱动发展战略,完善核能领域科技研发体系,支持小型模块化反应堆(SMR)、高温气冷堆、钠冷快堆、核能制氢等领域的科研和示范工作,助推清洁低碳能源供应。

我国的陆地和海域自然生态环境多种多样,多用途 SMR 具有较为广泛的应用前景。过去10 年里,在一体化小型堆核电机组、热点联产、城市供暖、海水淡化等领域加大了研发力 度,推进核能综合利用、智慧核能等方面的应用。目前 ACP100、CAP200、和美系列一体化多用途供热堆、ACPR50S 均在积极部署工程示范项目的前期工作,满足不同领域的应用需求。表3列出了国内各研发单位积极部署的主要先进小型模块化反应堆[6,20]。

近年来,我国高度重视和积极投入先进核能系统的创新研发和示范工作。在能源政策的顶层规划下,我国在第4 代核能系统(快堆、高温气冷堆等)和先进小型堆等方面取得了显著成果。200 MWe具有固有安全特征的高温气冷堆示范工程正在建设。同时,围绕高温气冷堆未来 发 展 的 关 键 技 术,积 极参 与 国 际 合作[21]。我国的实验快堆已成功并网发电;基于钠冷实验快堆,600 MWe 的示范快堆 工 程(CFER-600)正在建设,最终发展商用快堆,实现快堆的商业推广[21]。我国启动战略先导科技专项———未来先进核裂变能 ADS嬗变系统,推动国际核裂变能的创新发展,计划到2030年左右实现工业示范的加速器驱动核废料嬗变系统[22]。此外,针对第4代核能系统候选堆型中铅基堆和熔盐堆等先进核能技术,我国也在积极推进,开展技术研发攻关。

综上,我国在能源政策和能源技术革命的顶 层指导下,推动先进核能领域的科技创新,积极 部署一体化多用途先进小型堆的示范前期工作, 按序推进高温气冷堆和快堆的建设,积极开展先 进核能系统的技术科研,促进核能可持续发展。

3 先进核能技术未来展望

目前,全球能源正处于向清洁低碳转型发展的重要时期。先进核能技术为核能低碳拓宽了综合应用场景,且提升了核能的安全性和可持续发展要求。图1为世界先进核能技术的发展路线。结合先进核能技术的发展情况和应用需求,对未 来先进核能技术的趋势提出 3 点建议。

1)重点推动液态金属快堆发展,加强钍基熔盐堆的技术研究,提升燃料可持续性。液态金属快堆具有低压、快谱特点,可满足安全性及可持续性要求;从国际4代堆发展历程来看,钠冷和铅冷快堆有较好的技术基础,可根据需求选择不同的发展路线。此外,从长远来看,有必要基于钍基熔盐堆开展技术研究,更大程度实现燃料的可持续性。

2)重点着眼先进小堆的综合应用和创新应用,构建高效低碳灵活的智慧能源系统。先进小堆有高安全性、功率小、多用途、灵活性强等特点,将成为未来核能应用的新趋势。结合用户需求和特殊用途,先进核能将实现运行灵活(具备负荷跟踪能力)、部署灵活(具备不同功率组合及更宽的厂址适应性)和产品灵活(具备供热、制氢、制淡、海洋开发等能力)的功能,成 为可调度的综合能源。先进核能与储能系统或可再生能源优势互补,形成低碳协同混合系统, 可满足不同需求,提高电网的灵活性和可靠性, 解决可再生能源间隙性和为核能热量创造更多的使用机会,构建起综合创新的低碳协同智慧 能源系统。

3)重点加强基础研究和共性技术研发。先进核能系统的研发关键要解决技术的可行 性,过程中要不断加强基础领域的研究和共性技术的研发。(1)先进核能具更高的运行温度、特殊的冷却剂和长寿期不换料等技术特征, 将对燃料和材料性能提出更高的要求,应加大对燃料和特殊材料的研发力度;(2)先进核能采用不同的冷却剂、材料和堆型,应加强基础领域研究,推动先进核能分析模型的开发和设计分析体系的升级;(3)加强闭式燃料循环的技术研究,实现核能长远的可持续发展;(4)加强标准规范和安全监管等方面的研究,推动先进 核能特有的标准体系和监管体系建设。

在新的世界发展格局下,应加强和深化国际核能合作,促进先进核能系统的全面创新应用,共同应对气候变化。

4 结 论

本文总结梳理了国外先进核能技术的发展规划和具体技术路线,介绍了国内先进核能技术发展的现状及未来趋势,指出未来先进核能 技术发展的趋势、重点技术方向和发展路径。在国际社会日益受到碳排放约束的未来,清洁 低碳高效核能的优势越来越明显。随着先进核能系统的革新设计和新一代先进核能技术的深入研发及综合应用,保证核能系统安全性的提升和经济性具有更强的竞争力,未来先进核能 技术将有较大的发展空间,将更接近用户、更安 全、低碳绿色、且提供多种核能拓展用途。

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