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吴宜灿院士谈第五代核能系统

2021-05-28 09:44  来源:核科学与工程    核5G  第五代核能系统  吴宜灿  核能利用

吴宜灿院士提出了第五代核能系统“核5G”,并深入诠释了亲近性、灵活性、智能性技术特征,为核能创新发展指明了重要方向。


传统核能自身发展面临核安全、核废料处置和公众接受度等挑战,同时受到技术不断进步价格不断下降的可再生能源的冲击,核能领域创新迫在眉睫。吴宜灿院士提出了第五代核能系统“核5G”,并深入诠释了亲近性、灵活性、智能性技术特征,为核能创新发展指明了重要方向。

核能未来之路:亲近、灵活、智能的“核5G”

目前我国是世界上最大的二氧化碳排放国家。近日,习近平总书记在以视频方式出席领导人气候峰会时重申中国将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和(简称“双碳目标”)。在实现“双碳目标”背景下,核能发展将迎来新的机遇。但传统核能系统仍体现出单一孤立的特点,与其他能源以及终端用户缺少直接关联。为此,中国科学院院士、国际核能院院士吴宜灿撰文提出第五代核能系统“核5G”概念,阐述其亲近、灵活、智能的技术特征,可为构建未来多元共生能源提供重要借鉴。

作为低碳高密度能源,核能在“双碳目标”下应用前景广阔。2020年9月,习近平总书记在第七十五届联合国大会上提出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。作为一种不产生二氧化碳等温室气体的低碳能源,核能未来发展前景广阔。国内外相关研究预测,中国要实现2060年达到碳中和的目标,核电装机容量需要增加6~10倍。

然而传统核能发展自身也面临一些挑战,比如核安全、核废料处置和公众接受度问题等。为此,不同的核能系统概念被提出,新的技术也不断发展,以解决这些问题和挑战。2002年美国发起了第四代核能系统国际论坛GIF组织,以期共同合作研究开发第四代核能系统。

传统核能供给呈现出“单一孤立”特点难以满足未来能源“多元共生”需求。目前仅不到1%的核能用于供热等非电应用,变成了一种与消费市场相对隔离的、与用户“孤立”的能源供给方式。核能一直以基荷能源的形式存在,不参与能源供给过程中的调节与分配。同时,新建反应堆单堆功率水平多在GW量级,无法适用于电力需求增速较快的新兴经济体国家中普遍存在的中小型能源网络,以及广阔的非电应用市场。从能源安全角度出发任何国家都不可能仅发展单一能源,未来能源需求必将体现出多元共生的特点。下一代核能系统为打破“单一孤立”的束缚,可从两个方面入手,一是与其他能源的关系,二是与用户的关系。

图1 GIF组织对于核能系统的代际划分

为此,吴宜灿等提出第五代核能系统“核5G”概念。“核5G”是基于“从源头确保核安全”的基本理念,具备亲近性、灵活性、智能性等技术特征,可满足未来能源多元共生应用需求的第五代核能系统。

图2 “核5G”的广阔应用领域

“核5G”在多元共生能源结构中将发挥重要作用

传统化石能源为基础的能源系统以电网为中心,间接将能源传输和转化到用户;为更好保障能源安全,提升多元能源需求的供给能力,降低能源传输的损耗,需要构建包含下一代核能在内的多元共生的能源系统构架和分配体系,该体系中核能与其他低碳能源共生,提供直接面向用户的能源。

图3 传统核能单一孤立

图4 “核5G”参与多元直接供给

“核5G”所需发展的关键技术

文章指出多元共生下的先进核能应摆脱基于纵深防御的传统安全观,为此提出“从源头确保核安全”的理念及核安全“四项革新”,即在目标、技术、方法和措施四方面进行革新。“核5G”正是基于“从源头确保核安全”的理念,可满足未来能源多元共生应用需求的第五代核能系统,其具备下述技术特征。

(1)亲近性。物理亲近:对于公众和环境而言,未来反应堆应能贴近用户运行。心理亲近:“核5G”直接服务于用户,公众能否在心理上接受至关重要,因此科普和教育成为核能发展所必需的工作。核安全问题不仅是技术问题,历来也是社会问题。

(2)灵活性。运行灵活:实现堆跟机运行以及输出随着负载的快速变化,可使用更多样的燃料设计、燃料结构材料和燃料组合物运行;支持孤岛模式运行;极大提高燃料利用率,延长一次装料运行时间的同时改善经济性。部署灵活:功率扩展、制造的灵活性,降低现场建造周期和费用,并提升资金灵活性。产品灵活:除去电力供应外,还可提供更多高品质或更多量的工艺热,还可以提供氢气、化工产品、放射性同位素等。

(3)智能性。综合处理多元化、分布式或多节点能源网络的系统关联性,并在各个环节摆脱对人员、技能的依赖,减少人因失误。智能性体现贯穿在核能系统从设计、制造、运维等全周期环节。

“核电宝”是“核5G”概念的初步实践。

近年已出现在此方面的探索和实践,比如具有超安全、超小型、超长效的技术特点、采用特种液态金属(铅/铋/锂等)作为冷却工质的超小型可移动式先进核能系统“核电宝”,已被世界核协会(WNA)收录。期待未来有更多具备上述技术特征的新型反应堆出现。

原文参见:“吴宜灿,李亚洲,金鸣,等.第五代核能系统概念及其特征[J].核科学与工程,2021,41(02):201-210.”



图为技术

深圳核博会

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