科技创新规划解读丨大力推进先进核能技术研发应用 创新引领核电积极安全有序发展

2022-05-12 09:24  来源:规划编制核能专业组    核能技术  十四五核能  核能发电  核能利用

2022年4月,国家能源局与科技部共同发布了《“十四五”能源领域科技创新规划》(以下简称《规划》)。




规划编制核能专业组

核能作为一种清洁低碳、安全高效的能源,对于保障国家能源供应、调整能源结构、维护国家能源安全和国家安全都具有重要的战略意义,在应对气候变暖、灾害天气、突发疫情、改善全球环境等方面能够发挥十分重要的作用。核能技术是典型的战略高科技,产业链条长,每个环节都有丰富的科学、技术和工程内涵,对国家科技进步和产业发展有很强的带动作用,历来是世界主要国家抢占未来发展先机的战略前沿。

2022年4月,国家能源局与科技部共同发布了《“十四五”能源领域科技创新规划》(以下简称《规划》)。《规划》充分调研了世界各核电大国核能技术发展趋势,结合实现“双碳”目标过程中对于核能的需求,设置了“安全高效核能”方面多项重点任务,从现阶段三代压水堆核电技术的优化升级到小型模块化反应堆与四代核电技术的中长期布局,从全产业链上下游的可持续发展到关键技术与核心装备的重点突破,《规划》深入浅出、由点及面、全面系统地描绘出核能科技创新发展的路线图。

一、国内外核能科技发展现状与趋势

(一)世界核能产业发展现状

世界核电技术在经历不断完善、逐步升级换代的过程之后,目前已经从二代核电为主进入到三代核电批量建设和四代核电技术的研发与示范验证阶段。自2012年以来,全球核电装机容量和发电量总体上呈现上升趋势,在全球电力结构中,核电占比基本稳定在略高于10%水平。

截至2020年底,全球在运机组441台,总装机容量3.92亿千瓦,分布在30多个国家,2020年全球核能发电量占比10.1%。美国、法国、中国、俄罗斯、韩国和日本在运反应堆规模居世界前6位。在运机组多为二代技术,通常设计寿命40年,运行时间超过30年的机组约292台,机组老龄化问题使得许多国家陆续开展机组延寿或退役工作,通过升级改造将二代机组延寿至60年,甚至80年及以上。全球在建机组56台,总装机容量约5745万千瓦,分布在19个国家,其中有约60%在亚洲。

核电不仅贡献了世界上近1/3的低碳电力,而且近年来,核能供热、供汽和海水淡化等非电用途也逐步得到推广应用。中长期看,核能在很多国家都将成为清洁能源供应体系的重要组成部分。

(二)世界核能科技发展趋势

当前,以安全先进核能技术为代表的新一轮科技革命和产业变革正在兴起,正在并将持续改变世界能源格局。

2021年,美国核能办公室发布《战略愿景》,提出了到2030年的五大愿景目标及其支撑目标:一是确保美国现有核反应堆的持续运行,包括开发降低运行成本的技术、拓展非电市场、为现役电厂长期运行提供科学依据,如示范核能制氢、应用事故容错燃料、部署反应堆数字安全系统等;二是实现先进反应堆的部署,包括减少部署先进核能技术的风险和时间、开发拓展核能市场机会的反应堆、支持设计多样化,如商运小型模块化反应堆、示范商用微堆、示范核能-可再生能源混合系统;三是开发先进核燃料循环,包括填补核燃料供应链短板、填补先进堆相关的核燃料循环短板、开发综合性废物管理系统等,如示范高含量低浓铀(HALEU)、评估先进堆的燃料循环方案等;四是保持美国在核能技术方面的领导力,包括为美国核工业提供全球机会、保持世界一流研发能力、培养训练有素的科学家、支持未来核人才等,如加强国际合作与交流、重启研究堆、建成多功能试验堆(VTR)等;五是建立高效的组织机构,包括有效管理各种项目、课题、研发投资和合同、定期与利益相关者沟通,如制定多年项目计划、定期更新愿景报告、招聘及增加工作组等。

经合组织核能署(OECD/NEA)的《核能技术路线图》(2015年版)提出了反应堆技术、核燃料循环和退役等方向的技术路线,其中反应堆技术主要包括安全升级和长期运营、三代改进及优化、小型模块化反应堆、第四代反应堆、核聚变反应堆(2050年以后)、核能非电力应用等方面。2017年,该组织又发布了《核创新2050》的概念,涵盖了反应堆系统设计和运行、燃料和燃料循环技术、废物管理和退役以及非发电应用领域的广泛技术,并重点关注挖掘反应堆在供热市场的潜力以及加强反应堆运营的灵活性两个方面,指出除了注重核领域专用技术的创新外,还应将已开发和可能已经应用于其他工业领域的先进技术加速整合到核工业中,如模块化、先进材料、数字化、建模和仿真、智能化、机器人等。

纵观全球核能技术发展动态和主要能源大国推动核能科技创新的举措,全球核能正在向安全性更高、经济性更好、多用途、更加灵活、能够满足更广泛用户需求方向发展,总体呈现如下趋势:

1.三代压水堆核电已经成为全球核电产业发展的技术主流。目前已实现部署的三代轻水堆核电技术型号有6种(包括华龙一号、AP1000、EPR、VVER-1200、APR1400、ABWR,其中4种已在我国落地),世界核电在建机组超过2/3采用三代压水堆核电技术。由于三代机组较二代机组大大提高了安全可靠性、延长了设计寿期,大量采用了新技术和改进技术,部分设备、材料和关键部件首次制造使用,导致如AP1000、EPR等机型首堆示范工程工期大幅延误、成本飙升,影响了市场信心。因此,提高三代核电的经济竞争力是核电界广为关注的重点,其中简化设计、延长运行寿期是重要手段。

2.模块化小型堆、四代堆核电技术成为研究热点,被各核电强国视为“抢占未来发展先机的战略前沿”。小堆由于其多用途、模块化、部署灵活、投资规模小等特点,能够在未来能源体系中发挥多种功能作用,成为大型核电机组之外的低碳能源补充,具备替代小型化石能源机组的潜力,是主要核电国家加紧研发部署的技术。

3.先进核燃料及循环技术快速兴起。为支撑未来堆型的发展,各种先进核燃料及高性能材料,如事故容错燃料、高熵合金材料等研究方兴未艾。基于材料基因工程的多尺度、多组元的材料设计、研发、验证方法,为新型核能材料的创新提供了重要机遇。同时,为落实废物最小化原则和环境友好化原则,高减容废物处理技术和清洁解控技术的研究也成了运维及退役技术中的研究热点。

4.数字技术、大数据、云计算、人工智能等前沿技术在核电领域的工程应用成为行业科技创新的新方向,如智能控制和智慧运维。

5.核能的应用方式已由传统大型发电厂为主拓展到分布式发电、海水淡化、城市和工业园区供热、可移动热源等更多方面。

(三)我国核能科技发展

我国核电技术,经过引进、消化、吸收和再创新,关键技术攻关取得重大进展,核心竞争力显著提升。

经过30多年不间断的科研攻关、建设发展,特别是依托大型先进压水堆及高温气冷堆核电站重大专项的实施,我国核电技术实现了跨越,核电自主创新能力得到了显著提升,推动了我国科技能力提升、装备产业升级。一大批关键设备和关键材料实现国产化,为后续进一步提升我国核电自主创新能力和国际竞争力提供了强有力的技术支撑;建设了一批技术先进的大型台架和试验设施,培养储备了一批专业技术人才,为行业的可持续发展奠定了坚实基础。

“十三五”以来,以“国和一号”成功研发和“华龙一号”成功商运为标志,我国成为继美国、法国、俄罗斯等核电强国后又一个拥有独立自主三代核电技术和全产业链的国家;全球首个具有第四代安全特征的高温气冷堆商业示范工程项目已在我国实现首次临界;我国在运核电机组从未发生国际核事件分级(INES)二级及以上的运行事件或事故,核电安全运行总体水平位居国际先进行列;在建核电规模保持世界第一,总体工程建设质量可控在控;建立起较为完整、自主的核燃料循环产业链,核燃料生产与供应能力满足核电发展的需要。我国已跻身世界核电大国的前列,成为全球三代核电发展的产业中心,正在向“核电强国”目标迈进。

二、“十四五”重点攻关技术方向及发展目标

《规划》以推动核能科技创新为目标,立足我国核能技术发展现状及科技创新能力现状,瞄准国际核能技术发展前沿方向,从以下几个方面制定了重点任务,提高核能自主创新能力,带动核能全产业链实现高质量发展,加快推进我国由核电大国向核电强国转变。

(一)核电优化升级技术

截至2020年底,我国在运核电机组48台,规模位列全球第三,累计运行约407堆年。2020年,我国核能发电量3662亿千瓦时,约占全国发电量的4.9%。随着碳达峰碳中和有关工作的落实与推进,核电在清洁低碳安全高效现代能源体系中将发挥积极稳定作用。

大型压水堆是未来相当长一段时期我国核电发展的主力,作为继美国、法国、俄罗斯等核电强国后又一个拥有独立自主三代核电技术和全产业链的国家,未来在确保安全性的基础上,持续优化三代核电经济性、先进性和厂址适应性,服务核电的批量化建设。《规划》中设置“三代核电技术型号优化升级”任务,寻求三代压水堆核电厂安全性和经济性的最佳平衡,进一步提升电厂国产化、自主化水平,在标准化设计、建造的基础上,形成应对不同国际市场需求、适应不同厂址条件的型号谱系。

核能作为低碳能源,在参与构建以新能源为主体的新型电力系统的同时,也在非电领域的碳减排过程中发挥日益重要的作用。《规划》中设置“核能综合利用技术”任务,在已开展的工程基础上,进一步优化核能供热(冷)的设计方案,制定安全设计原则,为后续批量化推广与建设奠定坚实基础;同时通过对关键设备、关键工艺的研究,拓展核能在海水淡化、制氢等领域的应用,从而形成一套以核电厂为核心的低碳综合能源系统方案,进一步提升核电机组的能源利用效率,提升核电在能源系统中的竞争力。

(二)小型模块化反应堆技术

与大型反应堆相比,小型模块化反应堆初始资本投资较低,可扩展性强,选址更为灵活,具备更高安全性提升潜力。碳达峰碳中和背景下,小型模块化反应堆的特点使其在燃煤老旧机组替代、清洁供暖、海水淡化、供汽制氢及与新能源耦合等多个应用场景具备开发潜力。

《规划》中设置了“小型智能模块化反应堆技术”任务,以小堆关键设备与技术为切入点,将一体化小型堆与智能化设计相结合,在多应用场景与综合利用方面寻求技术突破与工程示范。

“小型供热堆技术”任务聚焦北方地区清洁供暖问题,以小型堆供热商用示范为目标,开展关键技术与装备的研究以及小型供热堆设计、建造等过程标准化建设。

“浮动堆技术”任务围绕海基条件下设备小型化要求,建立健全浮动堆设计标准体系,开发满足浮动堆特殊需求的核心设备与技术,为海上平台等设施可靠能源供应提供方案,为后续工程落地奠定坚实基础。

“移动式反应堆技术”任务依托气冷微堆、微型压水堆、热管反应堆等研究高效热电转换系统,开展总体设计方案研究,突破关键共性技术与设备,形成具备可移动性、能够灵活部署的微型反应堆技术方案。

(三)新一代核电技术

新一代核电技术主要包括(超)高温气冷堆技术,钠冷、铅冷快堆技术以及钍基熔盐堆技术等在我国已具备一定技术基础的非轻水堆核电技术。

“(超)高温气冷堆技术”在高温气冷堆核电站示范工程研究成果的基础上,提出对关键设备进行优化改造,进一步提升功率,提高运行温度,开发高温制氢技术,探索实现(超)高温气冷堆多用途应用技术方案。

快堆是我国“三步走”战略的关键一环,考虑到钠冷快堆在我国有较好的研究基础,铅冷快堆是近年来研究热点堆型,在安全性和燃料循环方面具备一定优势,《规划》中设置“钠冷、铅冷快堆技术”任务。通过钠冷示范快堆电站建设,使关键设备制造、配套产业链以及标准化设计体系有关工作得到进一步提升。铅冷快堆由于其冷却剂的特殊性质,需要在结构材料腐蚀、冷却剂化学成分控制及热工分析等方面开展大量基础性研究,并通过工程样机。

钍基熔盐堆具有高固有安全性,可充分利用相对丰富的钍资源等独特优势,通过设置“钍基熔盐堆技术”任务,开展一系列探索性基础性研究,建设20MWe研究堆以及科学设施,有助于提升燃料、材料在熔盐堆中各种行为规律性认识,掌握熔盐堆与发电系统耦合技术,为熔盐堆技术的持续发展打下良好基础。

(四)全产业链上下游可持续

《规划》立足核能技术全产业链,对先进核燃料、乏燃料贮运后处理、放射性废物处理处置、核电机组长期运行及验收、核电机组退役以及重大基础设施等方面研究进行了部署。

在产业链前端,《规划》设置了“先进核燃料技术”任务,明确了先进核燃料技术一系列攻关任务:一是事故容错燃料、钚铀氧化物混合燃料、新型环形铀锆合金燃料等先进燃料的基础研究,进一步提升核燃料的固有安全性;二是针对小型压水堆、供热堆、浮动堆等新堆型燃料的研制与试验验证,在燃料自主化研究成果的基础上根据不同堆型开展适用性评估与优化。

在产业链后端,《规划》设置了“放射性废物处理关键技术”任务,重点关注了乏燃料长期贮存和运输设备相关技术以及放射性废物处置技术,在实现核电燃料长期处理的同时进一步实现放射性废物减容减害,解决核电后顾之忧。

在电厂运行方面,《规划》设置了“核电机组长期运行及延寿技术”任务,通过数字化、智能化方面的革新,改进提升现有仪控技术与在线监测技术,实现更自动化和可靠的电厂运营;通过堆核电厂关键部件材料的长期环境退化行为以及相关的关键技术研究,建立电厂老化管理技术系统与延寿技术体系,针对服役年限即将到期的核电机组开展运行许可证延续论证及示范。

针对大量在建/在运的压水堆核电机组的退役问题,《规划》设置“核电机组退役技术”,进一步建立健全我国压水堆核电退役技术体系,规范退役工作标准,突破核电厂退役配套关键技术,初步形成核设施退役设计与实施能力。

在行业基础设施建设方面,《规划》设置“核电科技创新重大基础设施支撑技术”任务,通过建设以宽能谱高通量反应堆为代表的一批高水平研究设施,实现覆盖全产业链研究需求的软硬件升级,支撑核能科技持续创新。

三、核能科技发展展望

面对碳达峰、碳中和的顶层要求以及以新能源为主体的新型电力结构,我国核能科技发展将呈现出如下趋势:

一是核能技术持续创新与突破。我国当前正处在能源转型的关键时期,需不断加强核能技术自主创新,确保核电安全高效发展。未来需要全面突破可能制约我国核能产业发展的重大关键技术,持续优化提高在运核电机组安全运行能力和水平,持续优化三代核电安全性、经济性和先进性,提升核燃料循环产业的保障能力,积极推进新型先进核电技术研发、示范及推广,包括(超)高温气冷堆、钠冷快堆、铅冷快堆、钍基熔盐堆等四代堆,以及先进小型模块化反应堆、浮动堆、移动式反应堆等。

二是进行核能产业数字化升级。当前全球智能化信息化技术进入不断融合和创新发展的新阶段。以移动互联网、物联网、云计算、大数据、人工智能为代表的新一代智能化信息化技术创新步伐不断加快,诸多传统工业领域掀起了数字革命,促使其向智能制造、智能运维的方向变革。数字革命将成为能源革命的重要驱动力。推进核能产业与人工智能、大数据、5G、区块链等信息技术的深度融合,可促进核产业链转型升级,实现降本增效,增强核能运行安全性,提升核能产业核心竞争力。

三是拓展核能非电应用及多能互补。在当前碳达峰、碳中和背景下,核能除可提供稳定基荷电源外,还可在清洁供暖、工业供汽、海水淡化、核能制氢、同位素生产、制冷等方面,发挥传统化石能源所不具备的优势。我国风能、太阳能等新型能源资源丰富,但时空分布不均,受环境影响较大。在数字革命背景下,新能源可以与核能等能源品种配合使用,构建智能微网,实现能源互补和梯级利用,从而提升能源系统的综合利用效率,缓解能源供需矛盾,构成丰富的清洁、低碳供能结构。

我国将依托已形成的产业基础,进一步发挥核能科技领域优势,攻克关键核心技术,按照《“十四五”能源领域科技创新规划》路线图,齐心聚力、统筹协调,共同推进我国核能科技创新发展,进一步提升核能技术国际竞争力。



图为技术

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