全球核能发展动向及启示(2023)

2023-05-09 09:18  来源: 中能传媒研究院    俄罗斯核电  美国核电  法国核电  日本核电  核能综合利用  核能制氢  核燃料

核能是清洁低碳安全高效的能源形式,自20世纪中叶人类和平利用核能以来,核能在推动全球经济社会发展方面发挥了重要作用。近两年,气候问题带来的能源转型思考叠加能源供应危机,使全球多国重新审视核能作用,制定了一系列核能发展战略,并开展了诸多行动。本文综合梳理全球主要核能国家发展策略、技术创新和综合利用动向,以期为我国核能产业发展提供参考。


全球核能发展动向及启示(2023)

中能传媒能源安全新战略研究院 罗曼

内容提要

核能是清洁低碳安全高效的能源形式,自20世纪中叶人类和平利用核能以来,核能在推动全球经济社会发展方面发挥了重要作用。近两年,气候问题带来的能源转型思考叠加能源供应危机,使全球多国重新审视核能作用,制定了一系列核能发展战略,并开展了诸多行动。本文综合梳理全球主要核能国家发展策略、技术创新和综合利用动向,以期为我国核能产业发展提供参考。

核能是一种清洁、低碳、高效、运行稳定的能源形式,在保障能源安全、推动能源转型、助力碳达峰碳中和及气候目标实现中发挥着重要作用。近两年,新冠疫情及地缘政治冲突带来的供应链问题引发全球能源市场动荡,世界各国纷纷重新思考能源安全战略,更加关注能源的多样性及自主可控的能源供应。对于许多国家而言,发展核能是保障能源安全的现实选择。与此同时,为应对气候变化,多国政府近年加大了实现净零排放的雄心和承诺,世界主要国家在能源清洁低碳发展方面的目标更趋一致。尽管风能和太阳能预计将引领全球能源部门实现净零排放,但因其随机波动性,仍需核能等灵活、可调度资源作为重要补充。国际能源署(IEA)研究表明,要实现《巴黎协定》的气候变化目标,到2050年全球核电容量需要翻一番。2023年4月19日更新的国际原子能机构(IAEA)动力堆信息系统显示,当前全球共有在运核反应堆420座,总装机容量374827MWe,在建核反应堆56座,容量58595MWe。

表1 各国核反应堆装机情况(截至2023年3月) 注:统计数据未包含我国台湾地区    数据来源:世界核协会

在地缘冲突引发能源供给危机与能源结构加速绿色低碳转型交汇影响下,各国纷纷调整政策,核能在全球进入新一轮加速发展期,以先进核能技术、可控核聚变等为代表的新技术新方向受到前所未有的广泛关注。本文综合梳理全球主要核能国家近期发展策略、技术创新和综合利用情况,基于此思考我国核能产业发展方向,供参考。

一、主要核能国家近期发展策略

俄罗斯明确了核能作为绿色能源的地位,计划建造小型核电厂,建立无废物能源技术平台,开拓核技术市场并研发新型核燃料;美国确定了保持现有反应堆持续运行、启动先进反应堆部署、开发先进核燃料循环系统、保持核能领域领导地位等目标;法国作出为现有核电机组延寿、兴建第二代欧洲先进压水堆、开发创新型核反应堆的部署;日本将重启核反应堆,并以新一代反应堆替代决定报废的反应堆。

(一)俄罗斯

作为传统核能大国,俄罗斯始终将核能发展作为保障能源安全、促进经济发展和维持国际地位的重要战略决策,其核能技术水平也一直走在世界前列。早在1999年,俄联邦政府就发布了《21世纪上半叶俄罗斯核能发展战略》,提出要在新的技术平台上进一步发展快中子反应堆。

2009年,俄联邦政府批准通过《俄罗斯2030年能源战略》,提出2030年前实现如下计划:核电站的现代化和升级改造;开发快中子反应堆的实验堆和商业核电站;建造具有超临界蒸汽参数和中子谱可调的新一代压水反应堆;闭式燃料循环,包括开发新技术、建立新企业;开发废物处理创新技术,实现放射性废物的辐射当量最小化;以国内的创新技术和富有成效的国际合作为基础,开发聚变技术。

2022年乌克兰危机升级以来,俄罗斯能源发展面临着前所未有的困境。为确保国家技术主权,俄联邦政府调整了先进技术研发和人才培养政策,核能就是政策侧重领域之一。俄罗斯总理米舒斯京2022年2月宣布,俄联邦政府将为新核能发展计划拨款约1000亿卢布(约13亿美元)。该计划包括建造小型核电厂、建立基于闭式燃料循环技术的无废物能源技术平台、开拓核技术市场及研发新型核燃料。作为计划的一部分,俄罗斯已于2021年开始建设快堆及世界首座新一代核燃料生产厂,并完成了陆上小型核电厂投资可行性研究。俄罗斯计划于2024年开始建造RITM-200小堆,为楚科奇自治区建造海上小型核动力设施,并建成首座新一代核燃料生产厂。俄罗斯最新的目标是到2030年实现在全球小型核电市场占比达20%,核燃料市场占比达24%。

同年10月,俄罗斯总理米舒斯京批准了俄罗斯国家绿色项目分类法,该法案规定了包括核能项目在内的不同行业的合规标准,并正式承认核能是俄罗斯绿色能源的组成部分,明确了核能作为清洁、低碳能源的地位,这也意味着俄罗斯后续的创新核能项目将以更加优惠的条件获得更多的绿色融资。

(二)美国

美国是世界上最大的核电生产国,核电发电量占全球核电发电量的30%以上。但目前几乎所有的美国核能电力都来自于1967年至1990年间建造的反应堆,这主要是因为多年来天然气发电被认为在经济上更具吸引力,并且1979年发生的三哩岛事故加剧了公众对核能安全的担忧。

资料来源:世界核协会
图1 美国运行和在建反应堆分布图

尽管30多年来美国少有新的核电机组投产,但美国对核电的依赖仍在增强。1980年,美国核电站发电量为251TWh,占全国发电量的11%。2019年,美国核电发电量已增至809TWh,占比上升至近20%。美国核工业通过改进现有电厂的换料、维护和安全系统,在电厂利用率方面取得了显著进步。

2021年1月,美国能源部核能办公室发布了《战略远景》报告,概述了支持美国现有核电机组、示范核能技术创新和探索新市场机会的战略,是推进核能科技以满足美国能源、环境和经济需求的任务蓝图。报告确定了五个战略目标:

一是确保美国现有反应堆持续运行。具体目标包括降低运营成本、拓展电力以外市场以及为现有电厂的持续运行提供依据。绩效指标包括:到2022年建立一个可扩容氢气发电试点工厂,到2025年在商业反应堆中开始使用事故容错燃料取代现有燃料,到2026年为运行中的电厂成功部署数字反应堆安全系统,到2030年实现事故容错燃料的广泛使用。

二是启动先进反应堆的部署。具体目标包括减少先进核技术部署的时间、降低风险、开发可扩展核能市场的反应堆型以及支持反应堆的多样性建设。绩效指标包括:到2024年演示并测试微堆堆芯,到2025年使商业微堆演示成为可能,到2027年演示核能与可再生混合能源系统,到2028年展示两种先进反应堆,到2029年运行美国第一个商业小堆,到2035年至少再演示另外两种先进反应堆的设计。

三是开发先进的核燃料循环系统。具体目标是解决核燃料供应短缺问题并建立一个综合废料管理系统。绩效指标主要是进行铀储备以及先进反应堆燃料循环评估。

四是保持核能领域领导地位。具体目标是为核部门寻求全球商机,确保拥有世界一流的研发团队与能力。重点绩效指标包括:2021年同五个寻求核能项目的国家建立正式合作,并制定一套体系协助各国发展核项目;到2022年加强美在核能多边组织的参与和领导力;到2026年建造多功能试验堆;到2030年同NASA合作演示裂变表面动力系统。

五是建立一个高效的组织。具体内容是提高核能办公室效能并有效管理各类项目与投资。

2022年2月,美国政府对2020年10月发布的《关键和新兴技术国家战略》进行了更新,增加了包括先进核能技术在内的多项关键技术,反映了美国在先进核能技术领域开展技术开发研究和争夺国际人才的意图。在国家发展政策方面,美国国会通过了《核能创新能力法》《先进核能技术发展法》《能源部创新法》《两党核能税法》。其中,《核能创新能力法》不仅授权开发用于测试先进反应堆燃料和相关材料所需的快中子多功能反应堆,还授权建立国家反应堆创新中心,以建造实验反应堆并加快美国核管理委员会对先进核能设计的审批许可。《先进核能技术发展法》则指导美国能源部与私营企业达成协议,在2028年秋季之前,至少开展4个先进核反应堆示范项目。

同月,美国能源部宣布了一项耗资60亿美元、旨在提升国内在运核电机组盈利性的民用核能信贷计划,以支持现有核电厂长期运行。随后,美国能源部又启动了一项投资95亿美元的清洁氢技术计划,包括利用核电生产清洁氢。这两项计划都是美国《基础设施投资和就业法》的一部分。美国能源部对外宣称,核电厂对于实现美国的气候目标至关重要,能源部致力于保持100%的清洁电力供应,防止过早关闭核电厂。

美国2022年通过了《通胀削减法案》,这是美国历史上最重要的气候法案,其中包含了关于核工业发展的多项优惠政策,主要有:为现有核电机组提供每千瓦时0.015美元的生产税抵免,以便使现有的发电机组保持经济竞争力;拨款7亿美元,帮助建立先进堆开发所需的高丰度低浓铀的自主供应链;拨款1.5亿美元用于改善爱达荷国家实验室核研究相关基础设施。

(三)法国

上世纪70年代,法国因石油危机决定发展自主能源,核电成为首选。几十年来,法国一直是世界上核能发电比例最高的国家,其核电占比曾稳定在70%以上。然而过度倚重核电,也让核能发展逐渐成为法国政府的负担,高昂的运维及新建成本几乎要拖垮法国国营电力公司EDF。近年来,法国政府逐渐淡化核电,并积极鼓励发展可再生能源。

表2 各国核电发电量占比情况(单位:%)

注:统计数据未包含我国台湾地区    数据来源:世界核协会

但自2021年以来,欧洲电价、天然气、汽油等能源价格飞涨,给许多家庭造成沉重负担。面对紧迫的能源危机,法国政府开始思考,重启核能或许是应对危机的最佳方式。2022年2月,法国宣布将推行新能源战略,以提高脱碳电能产量为目标,重点发展可再生能源和核能两大支柱能源。核能方面,法国将不再关停核电站,并大力发展创新型核反应堆,这是对此前法国核能政策的战略性转向。法国政府提出“重启民用核能的伟大征程”,为此,作出了如下部署:

一是不再关闭现有核电站,除非出现安全隐患;提高现有核电站的使用寿命,确保其服务年限从40年提高到50年。

二是兴建第二代欧洲先进压水堆。此前,法国已经开始在芬兰与本国的弗拉曼维尔建设欧洲先进压水堆(EPR),但出现了工程延期、造价超标等问题。随后,法国吸取此前经验教训,并将新建的核反应堆升级为第二代欧洲先进压水堆(EPR2)。目前,法国已经确定第一批EPR2的建设计划,即建设6座EPR2,总造价初步为500亿欧元左右,第一座新核反应堆将于2028年启动建设,2035年投入使用。

三是进一步落实2021年10月提出的《法国2030计划》,即走“核能—绿氢—可再生能源”三位一体的碳中和能源发展路线,投资10亿欧元开发颠覆性创新型核反应堆。法国将启动NUWARD项目,开发小型模块化核反应堆(SMR),总投资5亿欧元;开发其他创新型核反应堆项目,总投资5亿欧元。这些创新型核反应堆将具有更为清洁、安全、可控的特点,如产生的核废料更少、核燃料循环能够中途关停等。

(四)日本

福岛核事故后,日本境内所有核电机组均暂停运行,只有通过原子能规制委安全评价和检查、确认符合新安全标准后才能恢复运行,日本同时放弃了对新增和扩建核电厂的具体讨论,并将核电机组运行寿期原则上设定为40年(若获得原子能规制委批准,可以进行一次不超过20年的延寿)。根据IAEA数据,日本目前有33台可运行核电机组,核电占总发电量约7.2%。

俄乌冲突爆发后,由于化石燃料价格飙升,日本能源供应面临极其紧张的局面,重建稳定的能源供应体系迫在眉睫。2022年3月,日本执政党和部分反对党均提出加快核电重启进程,并要求尽快开展国家监管机构的安全性评估。经议会审议后,日本政府委托日经新闻开展核能重启民意调查,约53%的日本民众支持重启核电,该调查标志着福岛核事故后核能作用首次受到民众肯定。

8月,在日本绿色转型执行委员会第二次会议上,日本首相提出,为保障能源供应安全,未来将在加强现有核电机组利用的同时,重启核电建设。具体将采取三项措施:一是就研发和建设新一代反应堆展开讨论并提出具体方案;二是除了确保已重启的10台机组正常运行,还将采取一切可能的措施继续推进核电重启,到2023年夏季将核电机组重启数量增至17台;三是在当前最长60年的基础上进一步延长核电机组运行寿期。

12月,日本核管理局批准了一项新法规草案,将允许核反应堆运行时间超过目前的60年期限。此外日本政府还提出,计划到2030年重启27座反应堆,将核能在能源结构中的份额提高到22%。

日本内阁会议在2023年2月10日通过“以实现绿色转型为目标的基本方针”,明确了要最大限度利用可再生能源与核能,提出致力于研发和建设采用新安全机制的新一代核反应堆,但仅限于替代已决定报废的原有反应堆。

二、全球核能技术创新动向

各国对以超高温气冷堆、气冷快堆、钠冷快堆、熔盐堆、超临界水冷堆和铅冷快堆为代表的先进核能技术的关注持续升温;高丰度低浓铀成为多国开发和部署先进反应堆所需的关键材料;俄罗斯、美国在乏燃料后处理方面均有进展;多国聚焦可控核聚变技术。

(一) 先进核能技术

据美国能源部描述,先进核能一般指第四代核反应堆,主要包括超高温气冷堆、气冷快堆、钠冷快堆、熔盐堆、超临界水冷堆和铅冷快堆。由于先进核能具有更佳的安全性能、更高的资源利用效率、更强的经济竞争力和更少的废弃物管理挑战等优势,近年来世界各国对先进核能的关注持续升温。

表3 第四代核反应堆特征 资料来源:根据公开资料整理

美国阿贡、爱达荷、橡树岭3个国家实验室积极通过自有经费持续推进先进核能基础技术研发,成为美国先进非轻水反应堆研究的摇篮。阿贡实验室一半的先进反应堆项目致力于钠冷快堆及其燃料循环研究,在美国“核能加速创新门户计划”(该计划由美国能源部核能办公室设立,为核能行业提供必要的技术、监管和财政支持,以推动创新核技术走向商业化)的资金支持下,阿贡实验室在物理、建模、分析、集群计算和编程方面与多家企业共同开发包括熔盐堆在内的先进反应堆设计分析研究。橡树岭国家实验室在2018年成立了熔盐净化实验室,通过将含有氟化锂和氟化铍的液态盐(称为“FLiBe”)用于熔盐反应堆冷却的可行性研究,不仅为多家先进反应堆技术公司提供FLiBe熔盐制造和纯化技术、装备和腐蚀测试,还在乏燃料处理研究方向设计并合成了一种选择性分子捕获器,可以将镅从镅铕混合物中分离出来,有助于减少并更好地管理乏燃料。

2022年,瑞典公司LeadCold与荷兰核能公司NGR宣布合作开展小型模块化铅冷快堆设计。其中LeadCold承担堆型设计,安全分析则由两家公司分别独立开展。LeadCold打算为反应堆建造一个电热模型,用来验证NGR提供的先进三维模拟技术。与此同时,LeadCold还宣布与瑞典皇家技术研究所合作研发四代核电所需要的特种钢铁材料,着力开发定制符合铅冷堆“SEALER”所需的特种钢铁材料。

(二) 核燃料

随着核动力技术不断发展,越来越多的核燃料类型相继出现,而高丰度低浓铀成为多国开发和部署先进反应堆所需的关键材料。

BR2是比利时核研究中心(SCK-CEN)三个研究型反应堆之一,自1963年开始运行,其生产的用于医疗和工业用途(包括用于癌症治疗和医学成像)的放射性同位素约占全球四分之一。世界上大多数研究型反应堆建于上世纪60至70年代,使用的技术需要高浓铀才能进行实验。但高浓铀可被用于制造核武器,因此被视为具有扩散风险。BR2将于2026年进行下一次定期安全审查,如果决定继续运行该反应堆,BR2将从使用高浓缩铀转换为使用新的低浓铀。SCK-CEN正在与美国合作开发一种全新的低浓铀燃料类型,旨在提供与高浓缩铀燃料相同的性能。目前,三个低浓铀燃料测试组件已在BR2成功测试。

美国能源部已与美国离心机运营公司合作,在俄亥俄州皮克顿生产高丰度低浓铀。该示范项目预计将在2023年底前生产20kg丰度为19.75%的低浓铀材料,2024年年产量可达到900kg。此外,美国X-energy能源公司2022年10月在田纳西州开工建设美国首座商业化高丰度低浓铀燃料制造厂,该厂将生产三元结构各向同性(TRISO)燃料,预计2025年投产,最初的产能为每年8吨燃料,计划本世纪30年代将产能提高至每年16吨,将为各种先进反应堆和模块化小堆制造核燃料,并向太空核推进项目提供特殊核燃料。美国西屋公司研发的先进掺杂颗粒技术(ADOPT)燃料已获得美国核管理委员会的批准,应用于压水反应堆。该燃料使用铀浓度为5%~19.75%的高丰度低浓铀,高于商业反应堆的传统阈值,通过提高铀密度,改进了燃料循环经济性和安全裕度。2022年,西屋宣布与美国南方核电公司达成协议,将从2025年开始为三台机组交付ADOPT燃料。

(三) 乏燃料后处理

乏燃料后处理是核燃料循环后段中最关键的一环,是目前对核反应堆中卸出的乏燃料最广泛的一种处理方式。后处理可以充分利用铀资源,同时可使放射性废物减容并降低毒性。

资料来源:根据公开资料整理
图2 不同时间维度乏燃料放射性来源

俄罗斯国家原子能公司将为海外客户提供一种新的乏燃料循环模式选择:VVER反应堆或其他压水堆乏燃料先在反应堆附近的水池中冷却数年,然后装入转运容器,转移到核电厂内一个地点继续贮存;这些容器最终将被装入大容量运输容器,并运往俄罗斯;这些乏燃料将先在马雅克综合体进行集中贮存,然后进行后处理,提取铀和钚;提取出的铀和钚可被用于生产传统轻水堆浓缩铀燃料、铀钚混合氧化物燃料、铀钚再生混合物燃料或致密混合铀钚氮化物燃料。

美国库里奥解决方案公司2022年2月宣布成功研发新型乏燃料循环工艺——NuCycle。NuCycle充分利用了美国数十年的相关研发成果,是一种结构紧凑、模块化且具备防扩散能力的后处理工艺,能够生产多种同位素产品,包括可供现有反应堆使用的低浓铀以及供目前处于研发阶段的先进反应堆使用的TRUfuel燃料原料。TRUfuel由高丰度低浓铀和超铀元素组成。美国能源部2023年3月宣布,库里奥NuCycle乏燃料循环工艺获得“核能加速创新门户计划”的支持。

(四) 核聚变

根据国际原子能机构定义,核聚变是两个轻原子核在超高温或高压情况下,结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。与核裂变相比,核聚变能量巨大,是核裂变的四倍,更是化石能源效率的千万倍,且没有长期核废料及碳排放。因此,核聚变被视为通往未来社会的“终极能源”。

2022年12月,美国加州劳伦斯•利弗莫尔国家实验室首次成功在核聚变反应中实现净能量增益。在实验中,美国科学家向目标输入了2.05MJ的能量,产生了3.15MJ的聚变能量输出,产生的能量比投入的能量多50%以上。本次试验采用的惯性约束核聚变是实现可控核聚变的两大主流方案之一,该技术利用激光的冲击波使得通常包含氘和氚的燃料球达到极高的温度和压力,引发核聚变反应。此次实验被视为核聚变能源技术发展的重大突破,为美国国防及清洁能源未来发展奠定扎实基础。

英国核聚变初创企业托克马克能源公司将在英国原子能管理局Culham校区建造一个紧凑型球形托卡马克ST80-HTS。该设施采用与发电相关的磁技术,计划2026年完工,并在本世纪30年代初期向电网输送电力。2022年10月,托克马克能源公司与英国原子能管理局签署了一项为期五年的框架协议,以推动球形托卡马克核聚变的商业化,该协议包括技术开发合作、设备与人员共享,并侧重于材料开发和测试、发电、燃料循环、诊断和远程处理。

三、各国核能综合利用实践

目前,全球核能主要用于发电,除此之外,世界多国在核能海水淡化、核能供热等方面早已付诸实践。近两年,世界核能大国在核能清洁制氢、放射性同位素生产、核动力船舶推进等领域均取得积极进展。

(一) 核能制氢

核能制氢是通过将核反应堆与先进的制氢工艺相结合以实现大规模生产氢气,具有不产生温室气体、效率高、规模大等优点,是未来氢气供应的重要解决方案。

2022年7月,包括IAEA、世界核协会、美国爱达荷国家实验室、美国亚利桑那公共服务公司、美国纽斯凯尔电力公司在内的全球50多家国际组织、研究机构、核电运营商和先进反应堆技术开发商等联合成立“核能制氢倡议”联盟,旨在合作推进核能制氢技术的商业化应用,助力全球碳减排进程。

在美国能源部资助下,美国相关企业正在九英里峰、戴维斯-贝瑟、普雷里岛和帕洛弗迪等四座核电厂推进核能制氢示范设施建设。这些设施均将在2024年底前投运,分别采用了四种技术,包括三种低温电解技术和一种高温电解技术。其中,美国联合能源公司在九英里峰核电厂建设的一座1250kW低温电解制氢设施(质子交换膜电解槽)已于今年3月启动运行。该设施是美国首座1MWe规模核电清洁制氢示范堆,每天可生产560kg氢气。联合能源公司还计划与NYSERDA公司合作,在这座核能制氢设施附近建设一座氢燃料电池设施,拟于2025年开始向电网供电。

此外,俄罗斯、日本、韩国等国家均已启动核能制氢工程。俄罗斯国家原子能公司准备近期在现有核电厂实现电解制氢,远期利用高温气冷堆制氢。目前正在开展两个项目:一是到2025年在科拉核电厂建成一座能年产150t氢气的电解制氢中试设施;二是于2021年启动高温气冷堆与蒸汽甲烷重整工艺耦合制氢技术的研发及前端工程和设计工作,预计于2032年建成首座高温气冷堆,并于2036年启动制氢。日本三菱重工与日本原子能研究开发机构合作,启动高温气冷堆匹配“碘硫循环+SOEC”制氢的验证实验,计划2023财年(截至2024年3月)以后建设正式的氢工厂,与高温气冷堆连接,并于本世纪30年代前半期达到实用化。韩国斗山集团在2022年1月启动了压水堆高温蒸汽匹配“SOEC”制氢项目。

(二) 放射性同位素

放射性同位素是化学元素的同位素,具有额外的能量,此能量以辐射的形式释放出来。放射性同位素可以自然产生,也可以由研究堆和加速器生产,目前应用于核医学、工业和农业等领域。

今年1月,俄罗斯国家原子能公司在奥布宁斯克开工建设欧洲最大的医用同位素工厂,计划2025年完成生产线建设,为癌症患者提供诊断和治疗产品。该工厂将生产基于碘-131、钐-153和钼-99同位素的产品,以及基于镥-177、锕-225和其他同位素的放射性药物。该工厂的建设将巩固俄罗斯国家原子能公司在放射性同位素产品市场的地位。

美国密苏里大学近期发起了一项建设更大规模的研究型反应堆NextGen MURR的倡议,该大学现有的研究堆MURR已运行了半个多世纪,是美国功率最高的研究堆。MURR于1966年开始运行,最初堆芯功率为5MWt,到1974年功率增加至10MWt,现在全年每周运行六天半。该反应堆是美国目前唯一的某些医用放射性同位素生产商,其生产的钇-90用于治疗肝癌,钼-99用于分析心脏功能,碘-131用于治疗甲状腺癌,镥-177用于治疗胰腺癌和前列腺癌。密苏里大学称,每年有超过160万患者使用MURR生产的放射性同位素进行诊断或治疗,而NextGen MURR将在未来75年生产先进的抗癌药物,密苏里大学也将继续发挥其作为美国最重要的医用同位素来源的作用。

(三) 核动力船

核动力适合长时间在海上作业的破冰船、潜艇、航空母舰等。核动力船舶推进工作始于上世纪40年代,第一个试验反应堆于1953年在美国启动。目前,全球有200多个小型核反应堆为超过160艘船舶提供动力。

俄罗斯国家原子能公司旗下子公司FSUE Atomflot与波罗的海造船厂于2023年2月正式签署了第六艘和第七艘22220型核动力破冰船建造合同。其中第六艘计划今年第三季度开工建造、2028年12月交付,第七艘将在2030年12月交付。22220型核动力破冰船装备两个RITM-200压水反应堆提供动力,每个反应堆的额定功率为175MWe,为三台电动机提供电力,每个反应堆驱动一个螺旋桨,是目前世界上动力最强大的破冰船。该型号首制船“北极”(Arktika)号于2013年11月开工,2016年6月下水,2020年10月正式投入运营;第二艘“西伯利亚”(Sibir)号于2015年5月开工,2017年9月下水,2021年11月交付运营;第三艘“乌拉尔”(Ural)号于2016年7月开工,2019年5月下水,预计今年11月交付;第四艘“雅库特”(Yakutiya)号和第五艘“楚科奇”(Chukotka)号均于2019年8月下单订造,计划分别于2024年12月和2026年12月完工。22220型核动力破冰船的建造项目是俄罗斯实现北海航线全年开放战略计划的一部分。

除了正在建造的22220型破冰船之外,俄罗斯红星造船厂(Zvezda)还在建造“领袖”(Lider)号重型核动力破冰船。“领袖”号是第一艘10510型120MWe核动力破冰船,将采用两个RITM-400试验堆,使其有能力穿越北极最厚的冰层。这些核动力破冰船将沿俄罗斯北极海岸的北海航线航行,在北极为船队引航。随着气候变暖,俄罗斯希望北海航线可以变成一条“迷你”苏伊士运河,缩短从亚洲到欧洲的航行时间。

四、对我国的启示

“双碳”背景下,我国实现能源绿色低碳转型任务艰巨。相比水、风、光等能源形式,核能能量密度高、无供电间歇性,且在清洁制氢、区域供热、海水淡化、同位素生产等领域有着巨大的应用潜力。当前,核电在我国总发电量中的占比仅约5%,远低于全球平均约10%、经合组织成员国平均约18%的水平,仍有较大发展空间。发展核能已成为我国现阶段保障能源安全和实现能源转型的必然选择。

(一) 以稳定的政策环境促进核能发展创新

各核能大国基本都以长期稳定的政策支持核能行业发展。从我国来看,国家能源局、科技部发布的《“十四五”能源领域科技创新规划》将“安全高效核能技术”作为“十四五”时期能源领域科技创新重点任务之一。核能领域相关内容涉及四个方面:一是核电优化升级技术,主要是三代核电技术型号优化升级和核能综合利用技术;二是小型模块化反应堆技术,包括小型智能模块化反应堆技术、小型供热堆技术、浮动堆技术和移动式反应堆技术;三是新一代核电技术,包括(超)高温气冷堆技术、钍基熔盐堆技术;四是全产业链上下游可持续支撑技术,包括放射性废物处理处置关键技术、核电机组长期运行及延寿技术和核电科技创新重大基础设施支撑技术。此外,国家发展改革委、国家能源局发布的《“十四五”现代能源体系规划》还提出支持新燃料、新材料等新技术研发应用;支持受控核聚变的前期研发,积极开展国际合作。现阶段,尽管国际政治经济环境日趋复杂,但在国内一系列宏观利好下,我国核能行业发展创新迎来新的窗口期。要充分利用好长期稳定的政策环境,持续激发核能领域技术创新活力。

(二) 凝聚多方合力推动核能行业发展

从俄罗斯经验来看,其核工业采取企业集团化运作模式。作为俄罗斯核工业的“管家”,俄罗斯国家原子能公司通过整合优势资源,组建了11个管理板块,包括核与辐射板块、核能机械板块、燃料元件板块、核电板块、海外板块、ARMZ铀矿开采板块、铀业公司板块、技术出口公司(离心技术等)板块、科学与创新板块、核电工程设计及原子能出口建设板块、原子能舰船板块,此外,还与核能产业相关研究院所、高校等签订协议,共同建设核能产业基地。再看美国,通过“下一代核电机组计划”“核能加速创新门户计划”等国家核工程计划,建立了公私合作机制,加速了先进堆从概念走向商业化的进程。我国核能产业应积极整合国内优势资源,加强企业、高等院校、科研院所之间的产学研协同,加大核能人才培养力度,坚持自主创新,建立核能发展创新联盟,推动核能技术创新、规模化发展。

(三) 多措并举保障核燃料供应安全

全球各核大国均高度重视核燃料安全保障,但铀资源在全球的分布极不平衡。我国正从核大国向核强国迈进,核燃料保障成为不可忽视的关键一环。经过半个多世纪发展,我国天然铀产业形成了完整的组织、技术、能力体系,初步形成了国内开发、海外开发、国际贸易、战略储备“四位一体”的保障供应体系,有效保障了铀资源的战略安全。但我国铀资源勘探和开发产能总体程度偏低,且海外优质资源掌握较少、产业科研创新存在不足。受到压水堆对铀资源的利用率低的限制,单独依靠以压水堆为主的热堆核能发展体系可能会因铀资源供应不足而难以达到所需要的装机容量,而快堆是破解铀资源供应瓶颈的重要选项。与此同时,要加快国内铀资源勘探开发,扩大产能规模,保障资源利用自主可控;还要加大与周边资源型国家合作,加强海外贸易风险防控,深入参与全球天然铀产业体系治理。

(四) 大力提升乏燃料后处理能力

乏燃料的处理方式主要分两种:一是开式燃料循环,也被称为一次性通过长期处置,是将乏燃料进行长期深地质存储,美国、加拿大和瑞典等国主要采用此路线;二是闭式燃料循环,通过化学的方式将乏燃料中未被充分利用的部分分离提取,重新加入反应堆中进行利用,而其他废物进行反应堆嬗变或玻璃固化掩埋,俄罗斯、法国、英国等主要采用此技术路线。2007年,我国确定了符合国情的闭式燃料循环路线。乏燃料后处理属于高精尖技术,处理厂建设需耗时10年。目前,法国、日本、印度等国乏燃料后处理产能已可覆盖最新年产生量,而我国仅有中核四0四有限公司于2010年投产的中试厂产能为50tHM/年。据业内统计数据,截至2021年底,我国已累计产生乏燃料7586tHM。随着压水堆装机容量快速增长,我国乏燃料的总量也将迅速增长。当前,我国乏燃料后处理基础研究与俄罗斯、美国、法国等国仍存差距,后处理关键设备如剪切机、溶解器等仍有待进一步研发,尚未建成商用后处理厂且不具备相应的运行经验。随着我国核能事业稳步、健康发展,建设与之配套的、年处理能力为1000tHM以上的乏燃料后处理厂尤为必要。

(五) 因地制宜开展核能综合利用

随着核能利用技术不断进步,核能应用场景也不断增多。目前国际上已有近150个国家和地区开展了核能技术的研发和产业化应用,以美国、日本为代表的发达经济体,通过政府扶持和市场拉动,已经形成了与核能关联度高、节能、高效、无污染的相关新兴产业,全世界核能技术产业化规模近万亿美元。其中,同位素与辐射技术及其应用已成为一项全球性技术,具有高度的渗透性和产业关联性,其应用水平是一个国家综合实力的重要标志。我国核能主要用于发电,但随着第四代核能系统等技术逐渐成熟和应用,核能有望突破仅仅提供电力的角色,核能供热、核能制氢、同位素生产等综合利用将蓬勃兴起。山东省已率先在国内实现核能集中供暖、并积极谋划核能制氢和海水淡化,海南谋划建设小堆海水淡化项目,中核集团医用同位素关键产品实现国产化……下一步,要围绕高温气冷堆发展关键技术,积极参与国际合作,攻克自主高性能燃料元件制备等关键环节,努力实现“热电氢”多联产工业应用,因地制宜拓展核能综合利用。

免责声明:本网转载自合作媒体、机构或其他网站的信息,登载此文出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。本网所有信息仅供参考,不做交易和服务的根据。本网内容如有侵权或其它问题请及时告之,本网将及时修改或删除。凡以任何方式登录本网站或直接、间接使用本网站资料者,视为自愿接受本网站声明的约束。

维度网

深圳核博会

中国核电网


推荐阅读