蘇罡

中國核能科技“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略的思考

蘇罡

核科學技術(shù)是人類20世紀最偉大的科技成就之一，以核電為主要標志的核能和平利用，在保障能源供應、促進經(jīng)濟發(fā)展、應對氣候變化、造福國計民 生等方面發(fā)揮了不可替代的作用。進入21世紀以來，核科學技術(shù)作為一門前沿學科，始終保持旺盛的生命力，深受國際廣泛的重視和關(guān)注，世界各國對其投入的研究經(jīng)費更是有增無減，推出大量的創(chuàng)新反應堆、核燃料循環(huán)和核能 多用途等方案，在裂變和聚變領域不斷 取得突破。

1 中國核科學技術(shù)學科的發(fā)展

核工業(yè)是高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國家安全的重要基石。通過 60多年的艱苦創(chuàng)業(yè)、開拓創(chuàng)新，中國建立了世界上少數(shù)國家擁有的、完整的核科技工業(yè)體系，實現(xiàn)了發(fā)展中國原子能事業(yè)的戰(zhàn)略目標，不斷完善包括鈾資源勘探、采冶、轉(zhuǎn)化、濃縮和核燃料制造 5大環(huán)節(jié)的核燃料供應體系，在后處理和廢物處置等核燃料循環(huán)后段關(guān)鍵環(huán)節(jié)取得技術(shù)突破，開展工程示范建設。

改革開放以來，核工業(yè)逐步實現(xiàn)軍民結(jié)合，重點轉(zhuǎn)向為國民經(jīng)濟服務，通過30多年的發(fā)展，中國核電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，取得了世人矚目的成就。至2015年底，在運核電機組29臺，總裝機容量28.46 GW，世界排名第5；在建機組20臺，總裝機容量23.17 GW，占世界在建總裝機容量的36%，居世界第一。核能具有清潔、低碳、穩(wěn)定、高能量密度的特點，作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是非化石能源中增加能源供給的重要支柱，也是治理霧霾，保證能源安全的重要手段。核工業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級，堅持創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略，走出了一條在引進、消化吸收基礎上進行自主研發(fā)、再創(chuàng)新的技術(shù)發(fā)展路線，“十二五”期間，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三代百萬千瓦核電技術(shù)“華龍一號”，具有第四代特征的中國實驗快堆實現(xiàn)滿功率運行，高溫氣冷堆開工建設，航天核動力取得階段性成果，航海核動力創(chuàng)新升級。

2011年3月11日，日本福島發(fā)生核事故，中國行業(yè)和監(jiān)管部門組織安全檢查，結(jié)果表明，中國核設施風險可控、安全有保證；發(fā)布了《福島核事故后核電廠改進行動通用技術(shù)要求》，已在中國所有運行與在建核電廠全面實施；發(fā)布了《核安全與放射性污染防治“十二五”規(guī)劃及2020年遠景目標》，要求“‘十三五’期間新建核電站要在設計上實際消除大規(guī)模放射性物質(zhì)釋放的風險”，行業(yè)發(fā)展進入理性、健康的發(fā)展階段。通過行業(yè)開展的系列研究得出結(jié)論：“中國核電采用壓水堆技術(shù)路線，無論從堆型、自然災害發(fā)生條件和安全保障方面來看，切爾諾貝利和福島事故序列在中國不可能發(fā)生?！?/p>

中國核能技術(shù)研究百花齊放，科技成果得到實際應用，聚焦于核能發(fā)電技術(shù)，推出了自主三代壓水堆核電技術(shù)并落地國內(nèi)示范工程，成功走向國際并進入大規(guī)模應用階段，可滿足當前和今后一段時期核電發(fā)展的基本需要；在快堆、高溫氣冷堆、熔鹽堆、超臨界水堆等第四代核電技術(shù)方面全面開展研究工作，其中鈉冷實驗快堆已經(jīng)實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，目前處于技術(shù)儲備和前期工業(yè)示范階段；高溫氣冷堆正在建造示范工程；全超導托卡馬克核聚變實驗裝置EAST成功實現(xiàn)了5000萬度持續(xù)時間最長的等離子體放電，成為國際上穩(wěn)態(tài)磁約束聚變研究的重要實驗平臺，作為核心成員參加國際 ITER計劃并順利推進采購包計劃?？梢哉f，本階段核能領域科技取得的突破，為未來核能技術(shù)的發(fā)展與實現(xiàn)“熱堆—快堆—聚變堆”三步走奠定了堅實的基礎。

2 核能科技發(fā)展趨勢

2.1 核能領域技術(shù)發(fā)展路線圖

核能發(fā)電始于20世紀50年代晚期，在半個多世紀中經(jīng)歷了不同階段的發(fā)展。伴隨著核電發(fā)展的不同階段，核電廠的設計也產(chǎn)生了“代”的概念。在經(jīng)歷了第一代的原型堆和第二代的商業(yè)堆之后，第三代輕水堆核電廠在燃料技術(shù)、熱效率以及安全系統(tǒng)等方面采用了現(xiàn)代化的技術(shù)。目前，分布于31個國家的超過435座核電反應堆提供了全世界 11%的電力，國際上正處于二代核電技術(shù)向三代核電技術(shù)過渡的階段?？紤]到輕水堆的技術(shù)基礎、發(fā)展歷史、性能和價格上的優(yōu)勢，在未來20年乃至更長的時間內(nèi)，輕水堆技術(shù)仍將是國際核電發(fā)展的主流技術(shù)路線。

針對第四代核能技術(shù)的發(fā)展，“第四代核能國際論壇”（GIF）于2002年提出了第四代核電的6種堆型（包括各自的燃料循環(huán)）和研究開發(fā)“路線圖”；“全球核能合作伙伴”（GNEP）致力于推動安全、可持續(xù)發(fā)展、經(jīng)濟和防止核擴散的先進核能技術(shù)聯(lián)合研發(fā)；IAEA發(fā)起的革新型反應堆和燃料循環(huán)國際項目（International Project on Innovative Nuclear Reactors and Fuel Cycles，INPRO），目標是發(fā)展可持續(xù)的革新核能系統(tǒng)（sustainable Innovative Nuclear Energy System，INES），并建立相關(guān)的評價方法學。第四代核電站開發(fā)的目標為：具有固有安全性，充分利用核資源，提高熱效率，開發(fā)核能制氫、冶金、化工等多種用途，處置核廢料，防止核擴散、反恐。

2.2中國確定的“熱堆-快堆和聚變?nèi)阶甙l(fā)展戰(zhàn)略

1983年 6月，國務院科技領導小組主持召開專家論證會，提出了中國核能發(fā)展“三步（壓水堆—快堆—聚變堆）走”的戰(zhàn)略，以及“堅持核燃料閉式循環(huán)”的方針；在《國家能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中，提出了安全高效發(fā)展核電的主要任務，繼續(xù)明確了堅持熱堆、快堆、聚變堆“三步走”的技術(shù)路線。從核能所使用的資源角度來看，中國核能發(fā)展的第一步，發(fā)展以壓水堆為代表的熱中子反應堆，即利用加壓輕水慢化后的熱中子產(chǎn)生裂變的能量來發(fā)電的反應堆技術(shù)，利用鈾資源中0.7%的235U，解決“百年”的核能發(fā)展問題；第二步，發(fā)展以快堆為代表的增殖與嬗變堆，即由快中子引起裂變反應，可以利用鈾資源中99.3%的238U，解決“千年”的核能發(fā)展問題；第三步，發(fā)展可控聚變堆技術(shù)，希望是人類能源終極解決方案，“永遠”的解決能源問題。

3 自主先進三代壓水堆技術(shù)躋身世界第一陣營

中國目前在運核電技術(shù)多樣，但主要以壓水堆為主，在未來一定發(fā)展時期內(nèi)，仍將以壓水堆堆型為主開發(fā)不同的機型以滿足綠色、低碳能源發(fā)展的需求。

在中國 30年核電站設計、建造、運營經(jīng)驗基礎上，充分借鑒AP1000、EPR等先進核電技術(shù)并考慮福島事故的經(jīng)驗反饋，研發(fā)了中國自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電機型“華龍一號”HPR1000，其示范工程已開工建設。

“華龍一號”提出并實現(xiàn)了“能動+非能動”的安全設計理念，采用“177堆芯”設計和自主核燃料組件，相比國內(nèi)在運核電機組，發(fā)電功率提高5%～10%，不僅提高了反應堆的安全性和運行性能，同時降低了堆芯內(nèi)的功率密度，提高了核電站的安全性；擁有雙層安全殼，可以抵御商用大飛機的撞擊；設計壽期達 60年，堆芯采用18個月?lián)Q料，電廠可用率高達 90%。從型號研發(fā)到示范工程落地，“華龍一號”很好地解決了安全性、先進性、成熟性和經(jīng)濟性等一系列難題，安全指標和性能指標完全滿足國際上對于三代核電技術(shù)的要求?！叭A龍一號”的成功落地，標志著中國步入世界先進核電技術(shù)國家的第一陣營。中國核電“走出去”已上升為國家戰(zhàn)略，結(jié)合“一帶一路”的發(fā)展戰(zhàn)略，“華龍一號”正推向國際市場，已與巴基斯坦、阿根廷等國家達成合作協(xié)議。

CAP1400的研發(fā)也基于AP1000技術(shù)，采用非能動以及簡化的設計理念，遵循國內(nèi)外最新有效的核電法規(guī)導則和標準，滿足URD等三代核電技術(shù)文件要求，充分反映了國內(nèi)外目前 AP1000工程化過程中的設計變更及改進。CAP1400的總體設計思路是：提高電廠容量等級、優(yōu)化電廠總體參數(shù)、平衡電廠設計、重新進行全廠安全系統(tǒng)設計和關(guān)鍵設備設計、全面推進設計自主化與設備國產(chǎn)化、積極應對福島事件后的國內(nèi)外技術(shù)政策、實現(xiàn)當前最高安全目標、滿足最嚴環(huán)境排放要求，進一步提高經(jīng)濟性，從而使綜合性能優(yōu)于三代核電AP1000。

CAP1400綜合HPR1000和CAP系列安全設計特點，以及確定論分析和PSA評價結(jié)果，分析滿足國際原子能機構(gòu)（IAEA）和美國電站用戶要求文件URD和歐洲用戶要求文件EUR的相關(guān)要求，核電設計能夠滿足“設計上實際消除大量放射性物質(zhì)釋放”的要求，具備規(guī)?；ㄔO的條件。

中國政府積極支持自主的模塊式小型堆研發(fā)，并將模塊式小型堆列入《國家能源科技“十二五”規(guī)劃》。目前中核集團在國家資助下開展模塊式小型堆的研發(fā)，已完成初步設計，正在積極推動示范工程建設，合作開展浮動核電站研究；中廣核集團、國家核電技術(shù)公司及清華大學也在開展模塊式小型堆的研發(fā)工作。

4 具備第四代特征的核電技術(shù)發(fā)展

自第四代核能系統(tǒng)國際論壇（GIF）成立以來，論壇的成員國已經(jīng)提出了 100多種備選的反應堆系統(tǒng)。根據(jù)各項標準，GIF遴選出了6

種最具前景的反應堆系統(tǒng)，分別是鈉冷快堆（SFR）、超高溫反應堆（VHTR）、氣冷快堆（GFR）、鉛冷或鉛-鉍共熔物冷卻的快堆（LFR）、熔鹽堆（MSR）和超臨界水堆（SCWR）。

4.1 中國實驗快堆成功并網(wǎng)，示范快堆開始興建

中國實驗快堆（CEFR）工程堅持“以我為主、自主創(chuàng)新”原則，在前期關(guān)鍵技術(shù)研究和部分國際合計技術(shù)和設備自主化能力。另外，將逐步建立快堆電站規(guī)范標準體系，完善中國實驗快堆實驗和運行配套條件，加快MOX燃料制備技術(shù)研究。

4.2 高溫氣冷堆技術(shù)實現(xiàn)發(fā)展的第一步——發(fā)電作的基礎上，自主進行設計、制造、建安和調(diào)試工作，于2011年7月成功并網(wǎng)發(fā)電。通過研究，中國掌握了快中子裝置的反應堆物理特性和相關(guān)理論，研究了MOX燃料的設計及制造技術(shù)并形成了一定的技術(shù)基礎，全面掌握了核級鈉制備、分析等技術(shù)。CEFR項目在實施過程中突破了大量的關(guān)鍵技術(shù)，通過引進和自主開發(fā)，70%的設備實現(xiàn)了國產(chǎn)化，成功研制了非能動事故余熱導出系統(tǒng)、非能動虹吸破壞裝置、換料系統(tǒng)全自動化控制系統(tǒng)和小型氫計化系統(tǒng)，部分指標已達到第四代先進核能系統(tǒng)的要求。中國快堆研究已形成了一批針對鈉冷快堆技術(shù)的研究試驗設施和工業(yè)配套能力，將成為后續(xù)快堆電站建設的重要基礎。

中國快堆采用“實驗快堆、示范快堆、商用快堆”三步走路線。CEFR的熱功率為65 MW，電功率20 MW，是中國快中子堆發(fā)展的第一步，正在建設的600 MWe規(guī)模的中國示范快堆 （CFR600）是第二步，在示范快堆成功建造和運行的基礎上，將進一步發(fā)展商用快堆，實現(xiàn)快堆的商業(yè)推廣。預期將于“十四五”期間建成CFR600，2030年左右建成百萬千瓦級大型高增殖商用快堆，2035年實現(xiàn)規(guī)模化建造。為保證 CFR600的順利建造，將開展液力懸浮非能動停堆棒研究、堆內(nèi)自然循環(huán)研究、堆芯解體事故進程研究以及霧狀鈉火研究，研制主泵、蒸汽發(fā)生器、控制棒驅(qū)動機構(gòu)等關(guān)鍵設備，提高中國快堆工程設

中國高溫氣冷堆技術(shù)研究始于20世紀 70年代，2006年高溫氣冷堆核電站示范工程（簡稱HTR-PM）列入國家重大專項，經(jīng)過持續(xù)研發(fā)實踐，預期將在“十三五”期間建成200 MWe示范工程。目前，中國的高溫氣冷堆技術(shù)處于世界領先的地位。

近年來，中國成功研發(fā)了球形燃料元件中試生產(chǎn)線，首條商業(yè)生產(chǎn)線已全面建成；建成的大型氦氣試驗回路，是世界上規(guī)模最大的高溫氦氣回路試驗平臺；在反應堆壓力容器制造技術(shù)方面也取得突破進展；另外，中國還成功研制了大功率電磁軸承主氦風機工程樣機并達到世界領先水平。中國現(xiàn)已掌握了商業(yè)規(guī)模模塊式高溫氣冷堆的設計和建造技術(shù)，2012年開工建造的200 MWe級模塊式高溫氣冷堆商業(yè)示范工程，總體進展順利。

高溫氣冷堆未來的主要 2個發(fā)展方向主要是多模塊高溫氣冷堆熱電聯(lián)產(chǎn)和超高溫氣冷堆技術(shù)。在HTR-PM示范工程的基礎上，將啟動600 MWe模塊式高溫氣冷堆熱電聯(lián)產(chǎn)機組總體方案研究，開展預概念設計工作，發(fā)展安全、高效、經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)化多模塊高溫氣冷堆；同時研究進入第二階段——制氫，即在當前技術(shù)基礎上進行超高溫氣冷堆技術(shù)的預研，開展耐更高溫度的燃料元件技術(shù)、氦氣透平技術(shù)、高溫氦/氦中間換熱器技術(shù)、高溫電磁軸承技術(shù)、高溫制氫技術(shù)等研究工作，以實現(xiàn)高溫制氫，以及氫能和燃料電池應用，氫作為清潔的二次能源，作為運載工具的能源，有可觀的發(fā)展前景，為更高效的安全發(fā)電、大規(guī)模核能制氫奠定基礎。同時，圍繞高溫氣冷堆未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，積極參與國際合作，解決材料、燃料、設計及設備等方面的問題，使中國高溫氣冷堆繼續(xù)處于國際前沿。

4.3 釷基熔鹽堆核能專項取得顯著進展

2011年中國科學院啟動“未來先進核裂變能”戰(zhàn)略性先導科技專項，研究釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）。目前，完成了10 MW固態(tài)燃料熔鹽實驗堆和2 MW液態(tài)燃料熔鹽實驗堆的概念設計，開始進行10 MW固態(tài)燃料熔鹽實驗堆的工程設計；研制了部分關(guān)鍵設備的原理機以及個別設備的工程樣機，為10 MW 固態(tài)燃料熔鹽實驗堆和2 MW 液態(tài)燃料熔鹽實驗堆的建成奠定了基礎。

中國熔鹽堆研究致力發(fā)展固體燃料和液態(tài)燃料 2種技術(shù)，以最終實現(xiàn)基于熔鹽堆的釷資源高效利用，下一階段將在釷鈾循環(huán)核數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)材料、后處理技術(shù)等方面開展基礎性研究工作。依托 TMSR核能專項，未來將建設TMSR仿真裝置（TMSR-SF0）、10 MW固態(tài)燃料TMSR實驗裝置（TMSR-SF1）和具有在線干法后處理功能的 2 MW液態(tài)燃料TMSR實驗裝置（TMSRLF1）以支撐未來中國熔鹽堆技術(shù)研究，實現(xiàn)關(guān)鍵材料和設備產(chǎn)業(yè)化。預計2030年左右，全面掌握TMSR設計技術(shù)，基本完成工業(yè)示范堆建設，同時發(fā)展小型熔鹽堆模塊化技術(shù)，進行商業(yè)化推廣。

4.4 ADS系統(tǒng)研究取得多項突破

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項“未來先進裂變核能—加速器驅(qū)動次臨界嬗變系統(tǒng)”（簡稱“ADS先導專項”）啟動以來，在超導直線加速器、重金屬裂靶、次臨界反應堆及核能材料等研究方面取得了重要的階段進展和突破，若干關(guān)鍵技術(shù)達到國際先進水平，使中國具備了建設ADS集成裝置的工程實施基礎。

在 ADS先導專項實施的基礎上，針對 ADS和第四代鉛冷快堆（LFR）的技術(shù)發(fā)展目標和實驗要求，完成了具有臨界和加速器驅(qū)動次臨界雙模式運行能力的 10 MW中國鉛基研究堆詳細方案設計設計；建成了系列鉛鉍回路實驗平臺，開展了冷卻劑技術(shù)、關(guān)鍵設備、結(jié)構(gòu)材料與燃料、反應堆運行與控制技術(shù)等鉛基堆關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)；正在開展鉛基堆工程技術(shù)集成試驗裝置、鉛基堆零功率物理試驗裝置、鉛基數(shù)字反應堆的建設，以開展鉛基堆關(guān)鍵設備和運行技術(shù)集成測試和驗證。

鉛基反應堆具有重要的發(fā)展前景，包含核廢料嬗變、核燃料增殖、能量生產(chǎn)等，可以作為鈉冷快堆的另一發(fā)展選項。

4.5 正在開展超臨界水冷堆基礎技術(shù)研究

中國 2006年全面啟動研究工作，將SCWR研發(fā)規(guī)劃為 5個階段：基礎技術(shù)研發(fā)、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、工程技術(shù)研發(fā)、工程試驗堆設計建造以及標準設計研究。目前開展了超臨界水冷堆基礎研究，提出了超臨界水冷堆總體技術(shù)路線，完成了中國有自主知識產(chǎn)權(quán)的百萬千瓦級SCWR（CSR1000）總體設計方案。中國獨創(chuàng)性開展了雙流程結(jié)構(gòu)堆芯和環(huán)形元件正方形燃料組件等設計和論證，驗證了SCWR結(jié)構(gòu)可行性；建立了三維模型和實體模型，完成了超臨界流動傳熱惡化特性實驗與計算流體力學模型研究，為總體設計方案的優(yōu)化提供了支撐；全面開展了材料篩選，掌握了關(guān)鍵試驗技術(shù)，構(gòu)建了試驗分析平臺和數(shù)據(jù)庫，為工程化應用奠定了基礎。

按照SCWR研發(fā)規(guī)劃，中國下一步將進入研發(fā)第 2階段，即進行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，全面掌握超臨界水冷堆設計技術(shù)和設計方法，完成CSR1000的工程實驗堆的設計研究。通過進行堆外實驗、材料優(yōu)化及工程應用堆外性能、燃料元件輻照考驗裝置設計等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，開展包殼和堆內(nèi)構(gòu)件材料入堆輻照研究，為工程設計和工程試驗堆設計建造奠定基礎。

4.6 第四代核電技術(shù)利用方向

GIF推薦的這6種堆型及ADS有著各自的特點，發(fā)揮的作用也不完全相同，技術(shù)成熟度也存在著明顯的差異。第四代堆選擇快譜反應堆是因為其具備核燃料增殖的能力，鈉冷快堆、鉛冷快堆、氣冷快堆和熔鹽堆都具備這方面的能力，明顯提高鈾資源的利用率；并能夠嬗變以實現(xiàn)廢物最小化。而超高溫氣冷堆的作用是能夠?qū)崿F(xiàn)高溫制氫、提高核電廠的發(fā)電效率，同時其高溫熱可以在工業(yè)領域進一步拓展 核能的應用。

行波堆是快中子堆的一種特殊設計，利用高性能燃料和材料技術(shù)，通過長壽命和深燃耗，使占天然鈾中絕大部分的238U在堆內(nèi)實現(xiàn)原位增殖和焚燒，降低對乏燃料后處理需求。

5 核聚變研究水平大幅提高

縱觀人類社會發(fā)展的歷史，人類文明的每一次重大進步都伴隨著能源的改進和更替，而能源的開發(fā)利用又極大地推進了世界經(jīng)濟和人類社會的發(fā)展。核聚變因資源豐富，相比裂變能源而言，聚變能源產(chǎn)生的放射性廢物總量少、且不產(chǎn)生長壽命放射性核素、處置更加容易，因而是一種更加理想的清潔能源。

受控核聚變需要實現(xiàn)的最終目標 是獲得具有商業(yè)價值的聚變能源。首先是通過加熱和有效約束以獲得高溫聚變等離子體能夠達到發(fā)生聚變反應的狀態(tài)，以實現(xiàn)熱平衡狀態(tài)下核聚變反應，實現(xiàn)“燃燒”，獲得聚變功率，實現(xiàn)條件是等離子體的溫度（T）、密度（n）和維持時間（τE）的乘積（常稱為三重積）nTτE＞1021m-3sKev；并且聚變功率增益因子Q≥1，即聚變產(chǎn)生的能量大于為創(chuàng)造實現(xiàn)聚變條件而消耗的能量，才能實現(xiàn)無需外部加熱的自持燃燒，即實現(xiàn)“點火”，表明開發(fā)聚變能源的科學可行性得到證實；下一步實現(xiàn)長時間“燃燒”，獲得聚變能源而不僅僅是短暫的聚變功率，Efusion∝（nTτE）·t“燃燒”，因此Q越大越好。

目前，最有可能實現(xiàn)核聚變的2種約束方法包括磁約束和慣性約束聚變。磁約束裝置維持燃燒以獲得可實用聚變能的技術(shù)途徑是穩(wěn)態(tài)運行，而慣性約束裝置獲得可實用聚變能的技術(shù)途徑是高靶丸高頻率點火燃燒。在磁約束核聚變方面，經(jīng)過多年的探索，托卡馬克成為主要途徑，相繼建成并成功 運行大型托卡馬克裝置，包括歐共體的JET、美國的TFTR、日本的JT-60U等。由中、美、歐共體、俄、日、韓共建的國際熱核實驗堆（ITER），磁約束聚變的科學可行性已在托卡馬克類型裝置上得到實驗證實（17 MW，Q～1），聚變能的開發(fā)研究進入了一個新的階段：實現(xiàn)長時間的聚變?nèi)紵谙蚓圩儗嶒灦?ITER（400 MW，Q=10)和最終建立原型聚變電站推進，必須深入進行聚變?nèi)紵锢淼睦碚摵驮囼炑芯浚喊ǚ€(wěn)態(tài)燃燒的基礎與限制，加料效率的物理基礎與限制；燃燒效率的物理基礎與限制，穩(wěn)態(tài)的加熱與移能，燃燒等離子體中高能粒子的作用，破裂的物理與控制等；還必須要有強有力的過程技術(shù)支持。

慣性約束聚變在理論、實驗、診斷、制靶和驅(qū)動器方面取得了長足進展。2009年美國建成國家點火裝置（NIF），利用NIF裝置開展了一系列靶物理實驗和點火物理實驗，取得重要的物理成果。實現(xiàn)實驗室熱核聚變點火，開展高溫、高密度極端物理等基礎前沿科學問題研究，將是未來慣性約束聚變研究的主要方向。

國際上通過合作和技術(shù)共享，共同進行核聚變研究。中國緊跟國際步伐，在受控核聚變方面開展全面而深入的研究。自2008年以來，在核能開發(fā)科 學基金支持下，核聚變科學和工程成果顯著。

在磁約束核聚變方面，中國建成了HL-2A和EAST實驗裝置，并成功實現(xiàn)高約束模（H-模）放電，這是中國磁約束聚變實驗研究史上具有里程碑意義的重大進展，標志著中國在 H-模物理機制研究和長脈沖H-模運行方面躋身國際最前沿。針對聚變科學，中國開展了約束和輸運、磁流體不穩(wěn)定、等離子體和器壁表面相互作用及偏濾器物理、高能量粒子物理等方面的研究，成功將電子回旋加熱應用于HL-2A撕裂模主動控制，在HL-2A和EAST兩大裝置上實現(xiàn)了偏濾器位形，在高能電子激發(fā)的比壓阿爾芬本征模、魚骨模、高能量粒子模方面取得重要實驗結(jié)果。在工程方面，中國設計了大型托卡馬克 HL2M，建成后，將實現(xiàn)等離子體參數(shù)的大幅提高。大功率輔助加熱系統(tǒng)、先進加 料技術(shù)、聚變堆設計和材料的研究也取得重要進展。

在慣性約束聚變方面，中國先后研制了神光 I、神光 II/神光 II升級、神光III原型/神光III以及星光系列激光裝置，形成了較完整的激光聚變研究體系，包括支撐激光器研制的元器件產(chǎn)生、加工和檢測能力；開展了黑腔物理、內(nèi)爆物理、輻射輸運、輻射不透明度和流體力學不穩(wěn)定性等一系列物理研究，研制了以二維 LARED集成程序為代表的激光聚變數(shù)值模擬程序體系，發(fā)展了有特色的實驗診斷方法和技術(shù)；取得了重要研究成果。同時，中國還研制了聚龍一號裝置，開展了Z箍縮慣性約束聚變物理研究。目前，中國激光聚變研究正在向?qū)崿F(xiàn)聚變點火和攻克高能量密度極端條件下的科學技術(shù)難題的重要目標穩(wěn)步推進。

對于核聚變，將繼續(xù)瞄準世界科技前沿和國家對戰(zhàn)略能源需求，圍繞國家核聚變能源研究發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，積極開展進一步的研究。在磁約束核聚變方面，中國將積極參與ITER計劃，深入開展聚變等離子體物理、燃燒等離子體物理等研究，進行廣泛的國際交流與合作。在此基礎上逐步獨立開展核聚變示范堆的設計和研發(fā)，最終設計建造中國聚變示范堆，實現(xiàn)核聚變能源商業(yè)利用。神光III激光裝置的建成和投入，標志著中國慣性約束聚變研究進入新層次，今后的工作將以實現(xiàn)慣性約束聚變熱核點火為目標，開展理論、實驗、診斷和驅(qū)動器等技術(shù)攻關(guān)，充分利用神光III激光裝置和其它裝置開展輻射輸運、輻射流體力學、高壓狀態(tài)方程等高能密度物理研究，以及實驗室天體物理、激光核物理等前沿基礎科學探索研究。

6 實現(xiàn)熱堆向快堆第二步跨越的思考

6.1 核能戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展展望

根據(jù)中國《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》，到2020年，核電運行裝機容量達到5800萬kW，在建3000萬kW。同時，根據(jù)中國發(fā)布的應對氣候變化聯(lián)合聲明：“到2030年非化石能源消費在一次能源中的比重提升到 20%”的目標，預計到2030年核電在運裝機規(guī)模達到1.5億kW。

到2020年，中國核電站乏燃料累積存量和每年從核電站卸出的乏燃料將隨核電站總裝機容量的增加而遞增。目前中國乏燃料堆內(nèi)儲存容量不同程度地接近飽和，隨著核電規(guī)?？焖僭鲩L，面臨著乏燃料存儲和處理日益增加的需求。

6.2 建設基于快堆的核燃料閉式循環(huán)體系

為解決制約中國核電發(fā)展的鈾資源利用最優(yōu)化和放射性廢物最小化兩大問題，中國已明確了“堅持核燃料閉式循環(huán)”的政策，通過后處理提取熱堆乏燃料中的鈾、钚，返回快堆復用，則可使鈾資源的利用率提高60倍。同時，通過后處理分離出的長壽命、高放射毒性的次錒系元素和裂變產(chǎn)物，在快堆中以焚燒和嬗變等方式消耗，可使最終地質(zhì)處置核廢物最小化，不僅能夠有效降低乏燃料對環(huán)境的影響，監(jiān)管時間也能大幅縮短，減少經(jīng)濟和社會成本。

為實現(xiàn)第二步戰(zhàn)略以保證中國核電可持續(xù)發(fā)展，中國統(tǒng)籌考慮壓水堆和快堆及乏燃料后處理工程的匹配發(fā)展，開展部署快堆及后處理工程的科研和示范工程建設，以實現(xiàn)裂變核能資源的高效利用。

在實驗快堆設計、建造和試運行經(jīng)驗的基礎上，中國快堆技術(shù)發(fā)展目前已進入了第2階段——設計、建造中國自主示范快堆工程。中國正在自主建設核燃料循環(huán)科技示范項目，建成后將初步形成工業(yè)規(guī)模后處理能力。

為了形成與核電發(fā)展相適應的可持續(xù)發(fā)展的后處理產(chǎn)業(yè)，中國正在積極實施大型后處理廠相關(guān)的先進工藝、關(guān)鍵設備、設計和安全等技術(shù)攻關(guān)；同時，積極推動國際合作建設大型商業(yè)后處理廠。鑒于中國核能發(fā)展和后處理能力建設情況，積極完善乏燃料離堆貯存技術(shù)體系，開展干法儲存技術(shù)研究，形成一定規(guī)模的乏燃料離堆貯存能力，確保核電站可持續(xù)安全穩(wěn)定運行。在完成鈾钚混合氧化物（Mixed Oxide，MOX）燃料元件生產(chǎn)試驗線研發(fā)的基礎上，繼續(xù)開展工業(yè)規(guī)模快堆 MOX燃料元件生產(chǎn)線工藝及檢測研發(fā)設計工作，建立與示范快堆匹配的MOX燃料生產(chǎn)線，實現(xiàn)核燃料的閉式循環(huán)，最終實現(xiàn)核能綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展。

6.3 實現(xiàn)模塊化小堆技術(shù)探索核能多用途利用

目前核能大部分用于發(fā)電，只有少于1%應用于非電領域，其他潛在應用市場的開發(fā)應用，將很大程度上影響核能發(fā)展?，F(xiàn)已在國際上開展小批量的核能供熱、制冷和海水淡化；并探索核能高溫利用，開發(fā)核電高溫工藝供熱在稠油熱采、煤液化、冶金等領域應用；進一步利用水的高溫裂解制氫。

除了早期的研究實驗堆以及標準核電站外，世界范圍內(nèi)還建造了數(shù)百臺小型反應堆用于海上艦船的推進動力系統(tǒng)。近年來，工業(yè)化國家的發(fā)電容量日趨飽和，模塊化小型堆能更好地適應這些國家的電力負荷需求。從廠址適用性上說，用于發(fā)電的小型堆可以建造在遠離主電網(wǎng)的偏遠地區(qū)；用于熱電聯(lián)產(chǎn)的小型堆可在內(nèi)陸廠址和城市附近建造。不僅能為中小電網(wǎng)、極地島嶼和偏遠山區(qū)供電，還可以為城市供熱，為工業(yè)園區(qū)和石化企業(yè)提供熱電，為破冰船和海上船艦提供動力等。小型堆的總造價低，建造周期短，財務風險和管理風險更低。

7 實現(xiàn)裂變向聚變能第三步跨越的思考

7.1 探索聚變-裂變混合堆技術(shù)

過去幾十年聚變技術(shù)取得了很大發(fā)展，實現(xiàn)純聚變能源的商業(yè)應用，仍需解決諸多工程技術(shù)方面的挑戰(zhàn)。聚變能商業(yè)應用尚需實現(xiàn)高的能量增益，研發(fā)耐高能中子輻照材料。聚變-裂變混合堆的出發(fā)點是結(jié)合聚變與裂變技術(shù)的優(yōu)點，大幅降低對聚變堆芯參數(shù)的要求，促進聚變能源的提前應用并為裂變能源面臨的資源短缺與錒系核素嬗變問題提供解決方案。

聚變-裂變混合堆包層中含有裂變材料或可轉(zhuǎn)換材料，通過聚變中子引起的裂變倍增能量和中子，實現(xiàn)產(chǎn)氚，釋放能量，易裂變材料生產(chǎn)和錒系核素嬗變?；旌隙咽谴闻R界核反應堆，聚變堆芯是獨立的外部高能中子源，可以使裂變包層以次臨界態(tài)運行，有較多的剩余中子可用來產(chǎn)氚，實現(xiàn)氚自持循環(huán)。利用混合堆能譜較硬以及高能區(qū)有效裂變中子數(shù)多的特點，裂變包層內(nèi)還可實現(xiàn)如下功能：（1）能源生產(chǎn)；（2）核廢料嬗變；（3）易裂變材料生產(chǎn)。

中國聚變—裂變混合堆研究始于20世紀 80年代，先后探索了增殖堆和嬗變堆的混合堆概念。2010年以來，在 ITER項目國內(nèi)配套研究的支持下，中國開展了磁約束聚變驅(qū)動混合堆的研究，提出了次臨界能源堆概念設計方案，形成了磁約束聚變的混合堆概念設計方案，并給出比較可靠的安全性、經(jīng)濟性和工程可行性分析。該方案系統(tǒng)分析了傳統(tǒng)的增殖堆與嬗變堆面臨的主要問題，對未來堆運行中核燃料的一系列提出了解決思路。并進一步提出與先進次臨界能源包層技術(shù)結(jié)合，形成滿足大規(guī)模能源應用為基本訴求的新型聚變—裂變混合堆概念，逐步形成工程化應用的成套技術(shù)，為聚變能源技術(shù)及早大規(guī)模服務于人類經(jīng)濟社會創(chuàng)造條件。但是也應清醒地看到，混合堆的建造要以大力開展受控聚變的理論與實驗的研究為前提。

7.2 關(guān)注聚變和裂變技術(shù)的交叉研究

隨著聚變技術(shù)的開發(fā)，聚變和裂變的研究在很多領域有協(xié)同增效的研究效果。目前，主要鼓勵在材料特性研究和新材料研發(fā)的多尺度建模領域開展更緊密的合作。該研究需重視模型的設計規(guī)則，并驗證建模方法，包括必要的環(huán)境試驗和適當?shù)妮椪?。該活動有助于核裂變與核聚變的核材料研究領域的交流，幫助克服限制聚變和裂變開發(fā)中的障礙。

裂變和聚變設施的運行必須考慮氚的排放量。因此需要進一步研究評估和減輕限制氚排放所造成的影響。該研究要盡量減少氚在源頭的滲透，并捕獲和儲存金屬廢物、液態(tài)和氣態(tài)流出物中的氚，該研究將有助于解決聚變與裂變設施中氚管理的關(guān)鍵問題，滿足監(jiān)管要求，從而減少對環(huán)境及健康的負面影響，提供可靠的基于科學的政策建議。

7.3核聚變中間技術(shù)的應用開發(fā)

在核聚變領域研發(fā)過程中開發(fā)出的尖端技術(shù)，同時又產(chǎn)生出眾多對產(chǎn)業(yè)有貢獻的革新技術(shù)，并帶動各個尖端科技領域的進步。就ITER而言。涉及的領域包括超導研究、高真空、生命科學、遙控密封、環(huán)境科學、等離子體、信息通信、加熱技術(shù)、納米材料等學科。隨著聚變研究開發(fā)的深入進行，必將帶動人類高新科技的更大發(fā)展，同時在各個領域?qū)θ祟愖龀龇e極的貢獻。

8 結(jié)論

經(jīng)過近60年的發(fā)展，核電及配套 的核燃料技術(shù)成為日益成熟的產(chǎn)業(yè)，在世界上成為繼火電及水電以外第三大發(fā)電能源，能夠規(guī)?；峁┠茉床崿F(xiàn)CO2及污染物減排。福島核事故 5年后，世界核電發(fā)展的總趨勢和格局是穩(wěn)定的，面對全球廣闊的核電市場，中國核能“走出去”成為必然的選擇。中國已經(jīng)制定了宏觀核能發(fā)展戰(zhàn)略，核能作為比較清潔、低碳、環(huán)境友好的能源，在保障安全的基礎上，進一步規(guī)模化發(fā)展能夠加強中國能源多元化、清潔化和低碳化趨勢。在霧霾肆虐全國的大背景下，選擇既清潔又經(jīng)濟的核電，將對大氣污染的治理做出重大貢獻。

相比于全球核電站運行經(jīng)驗超過 16000堆年，中國核電站運行經(jīng)驗約 180堆年，核能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍處在初級階段，需要認識到中國核能基礎研究薄弱，技術(shù)儲備不足，對長遠發(fā)展目標和路線圖的論證還不夠深入，全產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的發(fā)展尚未協(xié)調(diào)配套，核能發(fā)展的法制建設和管理體制有待改進完善。特別是針對核能科技發(fā)展的“三步走”戰(zhàn)略還有待深入論證，通過科技規(guī)劃來落實；在科技規(guī)劃實施中堅持自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，以先進核電型號研發(fā)引領，以基礎研究的原始創(chuàng)新推動核科技規(guī)劃的快速穩(wěn)定發(fā)展；仍需整合行業(yè)研發(fā)資源，統(tǒng)籌布局，建立國家實驗室與國家科學中心、科技創(chuàng)新中心、國家重點實驗室等科技平臺；建立大型工程試驗室，夯實中國創(chuàng)新基礎平臺；建立企業(yè)級創(chuàng)新研發(fā)平臺，包括核電裝備的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品制造創(chuàng)新。

為更好促進核工業(yè)的未來發(fā)展，需要通過立法完善科學、健康的行業(yè)發(fā)展體制，通過標準化和建立經(jīng)驗反饋平臺，建設提高安全水平和運行性能，通過建設數(shù)字化核電站來整合核電研發(fā)設計方、建設方和制造方，保證全壽期的安全運行。同時，必須考慮客戶需求，還要考慮與其他能源的競爭，核能應保持在能源領域的競爭力，在國際上實現(xiàn)“走出去”；在能源格局中發(fā)揮重要作用，與可再生能源協(xié)調(diào)發(fā)展；同時，核燃料產(chǎn)業(yè)前后段發(fā)展等方面協(xié)調(diào)發(fā)展，探索核能和核技術(shù)的多用途利用，造福人類。

核能是穩(wěn)定且豐富的低碳能源，核工業(yè)在應對全球氣候變化進程中有著獨有的突出貢獻。中國核工業(yè)將堅持安全發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展，通過科技創(chuàng)新和體制機制創(chuàng)新驅(qū)動，構(gòu)建行業(yè)創(chuàng)新體系，不斷推動轉(zhuǎn)變升級，全面提升核工業(yè)的核心競爭力，最終實現(xiàn)將為人類提供可永續(xù)發(fā)展的核能。?

【作者單位：中國核電工程有限公司】

（摘自《科技導報》2016年第15期）

責任編輯：吳曉麗