核能领域有几项前沿或者颠覆性的技术，可能会对未来能源结构产生深远影响，比如海水提铀、快堆、钍铀循环、聚变能源、聚变裂变混合能源。这几项技术理论上都存在解决全人类千年以上的能源供应的潜力
http://t.cn/A6NDNE2t
核能技术方向研究及发展路线图丨中国工程院院刊

中国工程院杜祥琬院士、叶奇蓁院士、徐銤院士、万元熙院士、彭先觉院士等研究人员在中国工程院院刊《中国工程科学》2018年第3期发表《核能技术方向研究及发展路线图》一文。文章分析了核能技术发展的现状、我国核能的安全性、核能技术的发展方向，并给出了核能技术发展路线图。文章建议，以第三代自主压水堆为依托，安全、高效、规模化发展核能；加快第四代核能系统研发，解决核燃料增殖与高水平放射性核素嬗变；积极发展模块化小堆，开拓核能应用范围；努力探索聚变能源。

图片

图片来自网络

一、引言
……

二、核能技术的发展现状

（一）压水堆是核电开发的首要选择
……

（二）现役机组性能不断改善
……
（三）高龄机组延寿成为趋势
……

（四）核电建设迎来热潮，第三代堆将成为主流技术
……

（五）小型模块化反应堆（SMR）研发掀起热潮
……

（六）乏燃料管理压力增大，核燃料循环后端需求日益迫切
……

（七）第四代先进核能系统初现端倪

美国于2000年发起“第四代核能系统国际论坛（GIF）”，希望能更好地解决核能发展中的可持续性（铀资源利用与废物管理）、安全与可靠性、经济性、防扩散与实体保护等问题。第四代核能系统最显著的特点是强调固有安全性，是解决核能可持续发展问题的关键环节。GIF提出六种堆型，包括钠冷快堆、铅冷快堆、气冷快堆、超临界水堆、超高温气冷堆和熔盐堆。行波堆和加速器驱动的次临界系统（ADS）也可以满足第四代堆的要求。

上述8种堆型处在不同的发展阶段，详见表1。其中钠冷快堆和高温气冷堆基础较好。超高温气冷堆和行波堆适宜采用一次通过，其他几种堆型都适宜采用闭式燃料循环。

图片
表1 第四代反应堆发展现状

三、我国核能的安全性
……

（一）在运核电机组的安全性有保障
……

（二）自主先进压水堆核电技术能够满足国际上最高核安全要求
……

（三）核电装备国产化能力不断提升
……

（四）核能安全研究是一个持续和渐进的过程
……

（五）发展先进核能系统及配套后处理技术是解决乏燃料安全和提高铀资源利用率的关键
……

四、核能技术的发展方向

（一）核能领域科技发展存在的重大技术问题

1.热堆规模化发展需要解决的技术问题
……

2.快堆和第四代堆发展需要解决的技术问题

裂变燃料的增殖。虽然短期内不存在铀资源制约问题，但我国核电长期规模化发展仍面临燃料供应不足的风险。快堆理论上可以将铀资源利用率提高到60%以上，有望成为一种千年能源。钠冷金属燃料快堆增殖比高，配合先进干法后处理和元件快速制造技术可以实现较短的燃料倍增时间，有利于核能快速扩大规模，应该及早开展相关的基础研究。

超铀元素分离与嬗变。超铀元素含有宝贵的核燃料，也是乏燃料长期放射性的主要来源，它的处理是影响公众核电接受度的重要问题。分离和嬗变是处理超铀元素的有效途径，需要发展先进的分离技术、废物整备技术、含MA元件/靶件制备技术，加快研发关键设备与材料。超铀元素的嬗变需要开发专用嬗变快堆或者ADS系统。

先进核能的多用途利用。除了发电，核能在供热（城市区域供热、工业工艺供热、海水淡化）和核动力领域都很有发展潜力。开发模块化压水堆、超高温气冷堆、铅冷快堆等小型化多用途堆型，可以作为核能发展的重要补充。

第四代堆堆型的定位和取舍。第四代堆堆型众多，且处于不同的发展阶段，一个国家没有必要、也没有能力全面发展。因此，应该加强核能战略研究，明确各种堆型的独特优势、技术成熟度和发展的空间。

3.聚变科学需要解决的技术问题

实现受控聚变主要有磁约束和惯性约束两种途径，二者均处于不同探索阶段，距离聚变能源的要求还比较远。磁约束聚变界正在联合建造国际热核聚变实验堆（ITER），将在ITER上研究稳态燃烧等离子体各类物理与技术问题，验证开发利用聚变能源的科学可行性和工程可行性。Z箍缩惯性约束聚变首先需要解决点火问题。

实现大量聚变反应所需的关键技术，对磁约束聚变而言是加热、约束（实现聚变）和维持（长时间或平均长时间的聚变反应）；对惯性约束而言则是压缩、点火和高重复频率点火。未来的磁约束聚变装置必须以长脉冲或者连续方式运行，以便获得可实用的聚变能量并稳定输出；惯性约束聚变要能获得大量聚变能量必须实现以高重复频率点火方式运行，具有相当大的挑战。

聚变能源在商业应用前还需研制能耐高能中子辐照的材料，建立能够实现氚自持的燃料循环等诸多工程技术挑战。发展聚变裂变混合堆有可能促进聚变能提前应用，其在未来能源中的竞争力应该和第四代堆及纯聚变堆比较。

（二）核能领域科技发展态势

压水堆是2030年前我国核电发展的主力。总体发展方向是围绕核能利用的长期安全稳定及效能最大化。安全性仍然是核电发展的前提，实现安全性与经济性的优化平衡是第三代核电发展面临的现实挑战。压水堆乏燃料的干式储存、运输、后处理、高水平放射性废物处置需要统筹考虑和合理布局。

快堆及第四代堆是核能下一步的发展方向。预计2030年前后将有部分成熟第四代堆推向市场，之后逐渐扩大规模。钠冷快堆是目前第四代堆中技术成熟度最高、最接近商用的堆型，也是世界主要核大国继压水堆之后的重点发展方向。钠冷快堆首先需要通过示范堆证明其安全性和经济性。快堆配套的燃料循环是关系快堆规模化发展的关键，涉及压水堆乏燃料后处理、快堆燃料元件生产、快堆乏燃料后处理等环节。如果非常规铀开发取得突破，如海水提铀技术，那么快堆能源供应的需求会弱化，嬗变超铀元素和长寿命裂变产物的需求会强化。即使快堆的定位从增殖转向嬗变，发展规模相应减少，但快堆及其燃料循环发展还是必需的。

考虑到快堆燃料循环的建立需要数十年的时间，应该及早开展相关研究工作，加强技术储备。我国的高温气冷堆技术世界领先，在此基础上发展超高温气冷堆，将是核能多用途利用的重要方式之一。其他第四代堆技术尚处于研发阶段，在某些技术上具有一定的优势，但也存在着需要克服的工程难题，应该首先加强共性基础问题研究。

聚变能是未来理想的战略能源之一。在磁约束聚变领域，托卡马克的研究目前处于领先地位。我国正式参加了ITER项目的建设和研究；同时正在自主设计、研发中国聚变工程试验堆（CFETR）。在惯性约束领域，Z箍缩作为能源更具有潜力，我国提出的Z箍缩驱动的聚变–裂变混合堆更有可能发展成具有竞争力的未来能源。实现聚变能的应用尚未发现任何捷径，但需要继续关注国际聚变能研究的新思想、新技术和新途径。

五、核能技术发展路线图

我国核能发展近中期目标是优化自主第三代核电技术；中长期目标是开发以钠冷快堆为主的第四代核能系统，积极开发模块化小堆、开拓核能供热和核动力等利用领域；长远目标则是发展核聚变技术。

根据课题研究成果，凝练出如下时间节点预期实现的关键技术：

创新性技术（到2020年）：自主第三代核电形成型谱化产品，带动核电产业链发展；模块化小型压水堆示范工程开工。

前瞻性技术（到2030年）：以耐事故燃料为代表的核安全技术研究取得突破、全面实现消除大规模放射性释放，提升核电竞争力；实现压水堆闭式燃料循环，核电产业链协调发展；钠冷快堆等部分第四代反应堆成熟，突破核燃料增殖与高水平放射性废物嬗变关键技术；积极探索模块化小堆（含小型压水堆、高温气冷堆、铅冷快堆）多用途利用。

颠覆性技术（到2050年）：实现快堆闭式燃料循环，压水堆与快堆匹配发展，力争建成核聚变示范工程。

图1按照压水堆、第四代堆、聚变技术三个领域的技术成熟度给出了核能技术发展路线图。

图片
图1 核能技术发展路线图

六、结论和建议

（一）主要结论

福岛核事故后，美国、欧盟等对境内的核电厂开展了压力测试，我国也开展了核电厂安全大检查，切实吸取事故经验反馈。世界核电增长的总趋势没有改变，核电仍然是理性、现实的选择。我国专家所做的分析表明，无论从堆型、自然灾害发生条件和安全保障方面来看，类似福岛的事故序列在我国不可能发生，我国核电的安全性是有保障的。

核能是安全、清洁、低碳、高能量密度的战略能源。发展核能对于我国突破资源环境的瓶颈制约，保障能源安全，实现绿色低碳发展具有不可替代的作用。我国核电发电量占比只有3.94%，远低于10.7%的国际平均水平。核电必须安全、高效、规模化发展，才能成为解决我国能源问题的重要支柱之一。

按照《核电中长期发展规划（2011—2020年）》，2020年我国核电运行装机容量将达到5.8×107 kW，在建为3×107kW。根据我国政府宣布的到2030年我国非化石能源将占一次能源消耗20%左右的承诺，结合国内核电设计、建造、装备供应能力，预计届时核电运行将达到1.5×108 kW，在建为5×107 kW，发电量约占10%~14%。2030—2050年，预期将实现快堆和压水堆匹配发展。

我国核电发展具有后发优势，在运机组安全水平和运行业绩均居国际前列。以“华龙一号”和CAP1400为代表的自主先进第三代压水堆系列机型，可实现从设计上实际消除大规模放射性物质释放，是未来核电规模化发展的主力机型。铀资源供应不会对我国核电发展形成根本制约。

核能发展仍面临可持续性（提高铀资源利用率，实现放射性废物最小化）、安全与可靠性、经济性、防扩散与实体保护等方面的挑战。国际上正在开发以快堆为代表的第四代核能系统，期待能更好地解决这些问题。快堆发展方向主要取决于对燃料增殖或者超铀元素嬗变紧迫性的认识，目前预测发展规模有较大的不确定性。

聚变能源开发难度非常大，需要长期持续攻关，乐观预计在2050年前后可以建成示范堆，之后再发展商用堆。

（二）重点技术发展建议

1.以第三代自主压水堆为依托，安全、高效、规模化发展核能

优化“华龙一号”和CAP系列自主第三代核电技术，2020年前后形成型谱化产品，开展批量建设，带动核电装备行业的技术提升和发展；通过开展核燃料产业园项目，整合核燃料前端产能，海水提铀、深度开采等技术取得突破；突破关键技术，实现后处理示范工程及商业规模工程的建设，开展乏燃料中间储存技术和容器研制，与后处理实现合理的衔接；全面实施中低水平放射性废物的处理，制定轻水堆的延寿和退役方案，积极推进核废物地质处置和嬗变技术，使核能利用的全生命周期能够保证公众和生态安全。

2030年前后，完成耐事故核燃料元件开发和严重事故机理及严重事故缓解措施研究，预期核安全技术取得突破，在运行和新建的核电站全面应用，实现消除大规模放射性释放；海水提铀形成产业化规模，支持核能规模化发展；形成商业规模的后处理能力，闭合压水堆核燃料循环，建立地质处置库。

2.加快第四代核能系统研发，解决核燃料增殖与高水平放射性废物嬗变

建议我国现阶段以技术成熟度最高的钠冷快堆为主，尽快实现商业示范，不断提高经济性并产业化推广，同时发展以干法后处理为核心的燃料循环技术，争取在2050年实现快堆与压水堆匹配发展。适时开发用于嬗变的专用快堆或者ADS系统，紧密跟踪行波堆燃料研发情况。

3.积极发展模块化小堆，开拓核能应用范围

小型模块化压水堆、高温气冷堆、铅冷快堆等堆型，固有安全性好，在热电联产、供热（城市区域供热、工业工艺供热、海水淡化）、浮动核电站、开拓海洋资源等特殊场合有独特优势。

4.努力探索聚变能源

深入参加ITER计划，全面掌握聚变实验堆技术；积极推进CFETR主机关键部件研发、适时启动CFETR全面建设。鼓励Z箍缩尽快实现点火，探索Z箍缩驱动惯性约束聚变裂变混合堆，加强聚变新概念的跟踪。

（三）存在的问题和政策建议

核电产业链包括前端（含铀矿勘查、采冶、转化、铀浓缩，燃料元件生产）、中端（含反应堆建造和运营，核电设备制造）、后端（乏燃料储存、运输、后处理、放射性废物处理和处置，核电站退役）等环节。核电站从建设到退役要历经百年时间；放射性废物处置历经时间更长，需要及早统筹规划。我国核电发展存在“重中间，轻两头”的情况，随着核电规模化发展，前端和后端能力不足的现象将更加严重。

核能领域有几项前沿或者颠覆性的技术，可能会对未来能源结构产生深远影响，比如海水提铀、快堆、钍铀循环、聚变能源、聚变裂变混合能源。这几项技术理论上都存在解决全人类千年以上的能源供应的潜力。……国内研究全面铺开，造成力量分散，各自为战。