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1 中 国 核 能 科 技 三 步 走 发 展 战 略 的 思 考 苏 罡 中 国 核 电 工 程 有 限 公 司, 北 京 摘 要 核 能 作 为 中 国 的 战 略 产 业, 通 过 坚 持 创 新 驱 动 战 略, 正 在 不 断 转 型 升 级 聚 焦 于 发 电 方 向, 中 国 推 出 自 主 三 代 压 水 堆 技 术, 在 快 堆 高 温 气 冷 堆 等 具 备 第 四 代 特 征 的 核 电 技 术 方 向 实 现 突 破, 作 为 核 心 成 员 参 加 国 际 ITER 计 划 并 顺 利 推 进 采 购 包 计 划, 为 热 堆 快 堆 聚 变 堆 三 步 走 奠 定 了 坚 实 的 基 础 本 文 在 总 结 阶 段 性 核 能 产 业 科 技 发 展 基 础 上, 提 出 了 十 三 五 乃 至 更 长 时 期, 落 实 三 步 走 战 略 的 发 展 趋 势 和 技 术 方 向, 特 别 是 对 如 何 实 现 热 堆 快 堆 第 二 步 跨 越 实 现 快 堆 和 聚 变 第 三 步 跨 越 进 行 了 思 考, 并 展 望 了 未 来 核 能 科 技 发 展 的 前 景 关 键 词 自 主 三 代 核 电 技 术 ; 第 四 代 核 电 技 术 ; 聚 变 技 术 ; 三 步 走 战 略 核 科 学 技 术 是 人 类 20 世 纪 最 伟 大 的 科 技 成 就 之 一, 以 核 电 为 主 要 标 志 的 核 能 和 平 利 用, 在 保 障 能 源 供 应 促 进 经 济 发 展 应 对 气 候 变 化 造 福 国 计 民 [1] 生 等 方 面 发 挥 了 不 可 替 代 的 作 用 进 入 21 世 纪 以 来, 核 科 学 技 术 作 为 一 门 前 沿 学 科, 始 终 保 持 旺 盛 的 生 命 力, 深 受 国 际 广 泛 的 重 视 和 关 注, 世 界 各 国 对 其 投 入 的 研 究 经 费 更 是 有 增 无 减, 推 出 大 量 的 创 新 反 应 堆 核 燃 料 循 环 和 核 能 多 用 途 等 方 案, 在 裂 变 和 聚 变 领 域 不 断 取 得 突 破 1 中 国 核 科 学 技 术 学 科 的 发 展 核 工 业 是 高 科 技 战 略 产 业, 是 国 家 安 全 的 重 要 基 石 通 过 60 多 年 的 艰 苦 创 业 开 拓 创 新, 中 国 建 立 了 世 界 上 少 数 国 家 拥 有 的 完 整 的 核 科 技 工 业 体 系, 实 现 了 发 展 中 国 原 子 能 事 业 的 战 略 目 标, 不 断 完 善 包 括 铀 资 源 勘 探 采 冶 转 化 浓 缩 和 核 燃 料 制 造 5 大 环 节 的 核 燃 料 供 应 体 系, 在 后 处 理 和 废 物 处 置 等 核 燃 料 循 环 后 段 关 键 环 节 取 得 技 术 突 破, 开 展 工 程 示 范 建 设 改 革 开 放 以 来, 核 工 业 逐 步 实 现 军 民 结 合, 重 点 转 向 为 国 民 经 济 服 务, 通 过 30 多 年 的 发 展, 中 国 核 电 产 业 已 经 初 具 规 模, 取 得 了 世 人 瞩 目 的 成 就 至 2015 年 底, 在 运 核 电 机 组 29 台, 总 装 机 容 量 GW, 世 界 排 名 第 5; 在 建 机 组 20 台, 总 装 机 容 量 GW, 占 世 界 在 建 总 装 机 容 量 的 36%, 居 世 界 第 1 核 能 具 有 清 洁 低 碳 稳 定 高 能 量 密 度 的 特 点, 作 为 战 略 新 兴 产 业 的 重 要 组 成 部 分, 是 非 化 石 能 源 中 增 加 能 源 供 给 的 重 要 支 柱, 也 是 治 理 雾 霾, 保 证 能 源 安 全 的 重 要 手 段 核 工 业 不 断 转 型 升 级, 坚 持 创 新 驱 动 战 略, 走 出 了 一 条 在 引 进 消 化 吸 收 基 础 上 进 行 自 主 研 发 再 创 新 的 技 术 发 展 路 线, 十 二 五 期 间, 研 制 出 具 有 自 主 知 识 产 权 的 三 代 百 万 千 瓦 核 电 技 术 华 龙 一 号, 具 有 第 四 代 特 征 的 中 国 实 验 快 堆 实 现 满 功 率 运 行, 高 温 气 冷 堆 开 工 建 设, 航 天 核 动 力 取 得 阶 段 性 成 果, 航 海 核 动 力 创 新 升 级 2011 年 3 月 11 日, 日 本 福 岛 发 生 核 事 故, 中 国 行 业 和 监 管 部 门 组 织 安 全 检 查, 结 果 表 明, 中 国 核 设 施 风 险 可 控 [2] 安 全 有 保 证 ; 发 布 了 福 岛 核 事 故 后 核 电 厂 改 进 行 动 通 用 技 术 要 求 [3], 已 在 中 国 所 有 运 行 与 在 建 核 电 厂 全 面 实 施 ; 发 布 了 核 安 全 与 放 射 性 污 染 防 治 十 二 五 规 划 及 2020 年 远 景 目 标 [4], 要 求 十 三 五 期 间 新 建 核 电 站 要 在 设 计 上 实 际 消 除 大 规 模 放 射 性 物 质 释 放 的 风 险, 行 业 发 展 进 入 理 性 健 康 的 发 展 阶 段 通 过 行 业 开 展 的 系 列 研 究 得 出 结 论 : 中 国 核 电 采 用 压 水 堆 技 术 路 线, 无 论 从 堆 型 自 然 灾 害 发 生 条 件 和 安 全 保 障 方 面 来 看, 切 尔 诺 贝 利 和 福 岛 事 故 序 列 在 中 国 不 可 能 发 生 中 国 核 能 技 术 研 究 百 花 齐 放, 科 技 成 果 得 到 实 际 应 用, 聚 焦 于 核 能 发 电 技 术, 推 出 了 自 主 三 代 压 水 堆 核 电 技 术 并 落 地 国 内 示 范 工 程, 成 功 走 向 国 际 并 进 入 大 规 模 应 用 阶 段, 可 满 足 当 前 和 今 后 一 段 时 期 核 电 发 展 的 基 本 需 要 ; 在 快 堆 高 温 气 冷 堆 熔 盐 堆 超 临 界 水 堆 等 第 四 代 核 电 技 术 方 面 全 面 开 展 研 究 工 作, 其 中 钠 冷 实 验 快 堆 已 经 实 现 并 网 发 电, 目 前 处 于 技 术 储 备 和 前 期 工 业 示 范 阶 段 ; 高 温 气 冷 堆 正 在 建 造 示 范 工 程 ; 全 超 导 托 卡 马 克 核 聚 变 实 验 装 置 EAST 成 功 实 现 了 5000 万 度 持 续 时 间 最 长 的 等 离 子 体 放 电, 成 为 国 际 上 稳 态 磁 约 束 聚 变 研 究 的 重 要 实 验 平 台, 作 为 核 心 成 员 参 加 国 际 ITER 计 划 并 顺 利 推 进 采 购 包 计 划 可 以 说, 本 阶 段 核 能 领 域 科 技 取 得 的 突 破, 为 未 来 核 能 技 术 的 发 展 与 实 现 热 堆 快 堆 聚 变 堆 三 步 走 奠 定 了 坚 实 的 基 础 收 稿 日 期 : ; 修 回 日 期 : 基 金 项 目 : 中 国 工 程 院 战 略 研 究 课 题 (2015-ZD-09-02) 作 者 简 介 : 苏 罡, 研 究 员 级 高 级 工 程 师, 研 究 方 向 为 核 安 全 与 核 电 发 展 战 略, 电 子 信 箱 :gang_su@126.com 引 用 格 式 : 苏 罡. 中 国 核 能 科 技 三 步 走 发 展 战 略 的 思 考 [J]. 科 技 导 报, 2016, 34(15): 33-41; doi: /j.issn

2 2 核 能 科 技 发 展 趋 势 2.1 核 能 领 域 技 术 发 展 路 线 图 核 能 发 电 始 于 20 世 纪 50 年 代 晚 期, 在 半 个 多 世 纪 中 经 历 了 不 同 阶 段 的 发 展 伴 随 着 核 电 发 展 的 不 同 阶 段, 核 电 厂 的 设 计 也 产 生 了 代 的 概 念 在 经 历 了 第 一 代 的 原 型 堆 和 第 二 代 的 商 业 堆 之 后, 第 三 代 轻 水 堆 核 电 厂 在 燃 料 技 术 热 效 率 以 及 安 全 系 统 等 方 面 采 用 [5] 了 现 代 化 的 技 术 ( 图 1) 目 前, 分 布 于 31 个 国 家 的 超 过 435 座 核 电 反 应 堆 提 供 了 全 世 界 11% 的 电 力, 国 际 上 正 处 于 二 代 核 电 技 术 向 三 代 核 电 技 术 过 渡 的 阶 段 考 虑 到 轻 水 堆 的 技 术 基 础 发 展 历 史 性 能 和 价 格 上 的 优 势, 在 未 来 20 年 乃 至 更 长 的 时 间 内, 轻 水 堆 技 术 仍 将 是 国 际 核 电 发 展 的 主 流 技 术 路 线 针 对 第 四 代 核 能 技 术 的 发 展, 第 四 代 核 能 国 际 论 坛 (GIF) 于 2002 年 提 出 了 第 四 代 核 电 的 6 种 堆 型 ( 包 括 各 自 的 燃 料 循 环 ) 和 研 究 开 发 路 线 图 ; 全 球 核 能 合 作 伙 伴 (GNEP) 致 力 于 推 动 安 全 可 持 续 发 展 经 济 和 防 止 核 扩 散 的 先 进 核 能 技 术 联 合 研 发 ;IAEA 发 起 的 革 新 型 反 应 堆 和 燃 料 循 环 国 际 项 目 (International Project on Innovative Nuclear Reactors and Fuel Cycles, INPRO), 目 标 是 发 展 可 持 续 的 革 新 核 能 系 统 (sustainable Innovative Nuclear Energy System,INES), 并 建 立 相 关 的 评 价 方 法 学 第 四 代 核 电 站 开 发 的 目 标 为 : 具 有 固 有 安 全 性, 充 分 利 用 核 资 源, 提 高 热 效 率, 开 发 核 能 制 氢 冶 金 化 工 等 多 种 用 途, 处 置 核 废 料, 防 止 核 扩 散 反 恐 [6] 2.2 中 国 确 定 的 热 堆 - 快 堆 和 聚 变 三 步 走 发 展 战 略 1983 年 6 月, 国 务 院 科 技 领 导 小 组 主 持 召 开 专 家 论 证 会, 提 出 了 中 国 核 能 发 展 三 步 ( 压 水 堆 快 堆 聚 变 堆 ) 走 的 战 略, 以 及 坚 持 核 燃 料 闭 式 循 环 的 方 针 ; 在 国 家 能 源 发 展 十 二 五 规 划 中, 提 出 了 安 全 高 效 发 展 核 电 的 主 要 任 务, 继 续 明 确 了 坚 持 热 堆 快 堆 聚 变 堆 三 步 走 的 技 术 路 线 从 核 能 所 使 用 的 资 源 角 度 来 看, 中 国 核 能 发 展 的 第 一 步, 发 展 以 压 水 堆 为 代 表 的 热 中 子 反 应 堆, 即 利 用 加 压 轻 水 慢 化 后 的 热 中 子 产 生 裂 变 的 能 量 来 发 电 的 反 应 堆 235 技 术, 利 用 铀 资 源 中 0.7% 的 U, 解 决 百 年 的 核 能 发 展 问 题 ; 第 二 步, 发 展 以 快 堆 为 代 表 的 增 殖 与 嬗 变 堆, 即 由 快 中 子 引 起 裂 变 反 应, 可 以 利 用 铀 资 源 中 % 的 U, 解 决 千 年 的 核 能 发 展 问 题 ; 第 三 步, 发 展 可 控 聚 变 堆 技 术, 希 望 是 人 类 能 源 终 极 解 决 方 案, 永 远 的 解 决 能 源 问 题 3 自 主 先 进 三 代 压 水 堆 技 术 跻 身 世 界 第 一 阵 营 中 国 目 前 在 运 核 电 技 术 多 样, 但 主 Fig. 1 Fig. 2 图 1 要 以 压 水 堆 为 主, 在 未 来 一 定 发 展 时 期 内, 仍 将 以 压 水 堆 堆 型 为 主 开 发 不 同 的 机 型 以 满 足 绿 色 低 碳 能 源 发 展 的 需 求 核 裂 变 反 应 堆 技 术 的 发 展 演 变 在 中 国 30 年 核 电 站 设 计 建 造 运 营 经 验 基 础 上, 充 分 借 鉴 AP1000 EPR 等 先 进 核 电 技 术 并 考 虑 福 岛 事 故 的 经 验 反 馈, 研 发 了 中 国 自 主 知 识 产 权 的 三 代 核 电 机 型 华 龙 一 号 HPR1000( 图 2), 其 示 范 工 程 已 开 工 建 设 华 龙 一 号 提 出 并 实 现 了 能 动 + 非 能 动 的 安 全 设 计 理 念, 采 用 177 堆 芯 设 计 和 自 主 核 燃 料 组 件, 相 比 国 内 在 运 核 电 机 组, 发 电 功 率 提 高 5% ~ History of nuclear fission reactor technology 图 2 自 主 三 代 核 电 技 术 华 龙 一 号 Hualong-1: the third generation nuclear reactor 34

3 10%, 不 仅 提 高 了 反 应 堆 的 安 全 性 和 运 行 性 能, 同 时 降 低 了 堆 芯 内 的 功 率 密 度, 提 高 了 核 电 站 的 安 全 性 ; 拥 有 双 层 安 全 壳, 可 以 抵 御 商 用 大 飞 机 的 撞 击 ; 设 计 寿 期 达 60 年, 堆 芯 采 用 18 个 月 换 料, 电 厂 可 用 率 高 达 90% 从 型 号 研 发 到 示 范 工 程 落 地, 华 龙 一 号 很 好 地 解 决 了 安 全 性 先 进 性 成 熟 性 和 经 济 性 等 一 系 列 难 题, 安 全 指 标 和 性 能 指 标 完 全 满 足 国 际 上 对 于 三 代 核 电 技 术 的 要 求 华 龙 一 号 的 成 功 落 地, 标 志 着 中 国 步 入 世 界 先 进 核 电 技 术 国 家 的 第 一 阵 营 中 国 核 电 走 出 去 已 上 升 为 国 家 战 略, 结 合 一 带 一 路 的 发 展 战 略, 华 龙 一 号 正 推 向 国 际 市 场, 已 与 巴 基 斯 坦 阿 根 廷 等 国 家 达 成 合 作 协 议 CAP1400 的 研 发 也 基 于 AP1000 技 术, 采 用 非 能 动 以 及 简 化 的 设 计 理 念, 遵 循 国 内 外 最 新 有 效 的 核 电 法 规 导 则 和 标 准, 满 足 URD 等 三 代 核 电 技 术 文 件 要 求, 充 分 反 映 了 国 内 外 目 前 AP1000 工 程 化 过 程 中 的 设 计 变 更 及 改 进 CAP1400 的 总 体 设 计 思 路 是 : 提 高 电 厂 容 量 等 级 优 化 电 厂 总 体 参 数 平 衡 电 厂 设 计 重 新 进 行 全 厂 安 全 系 统 设 计 和 关 键 设 备 设 计 全 面 推 进 设 计 自 主 化 与 设 备 国 产 化 积 极 应 对 福 岛 事 件 后 的 国 内 外 技 术 政 策 实 现 当 前 最 高 安 全 目 标 满 足 最 严 环 境 排 放 要 求, 进 一 步 提 高 经 济 性, 从 而 使 综 合 性 能 优 于 三 代 核 电 AP1000 CAP1400 综 合 HPR1000 和 CAP 系 列 安 全 设 计 特 点, 以 及 确 定 论 分 析 和 PSA 评 价 结 果, 分 析 满 足 国 际 原 子 能 机 构 (IAEA) 和 美 国 电 站 用 户 要 求 文 件 URD 和 欧 洲 用 户 要 求 文 件 EUR 的 相 关 要 求, 核 电 设 计 能 够 满 足 设 计 上 实 际 消 除 大 量 放 射 性 物 质 释 放 的 要 求, 具 备 规 模 化 建 设 的 条 件 中 国 政 府 积 极 支 持 自 主 的 模 块 式 小 型 堆 研 发, 并 将 模 块 式 小 型 堆 列 入 国 家 能 源 科 技 十 二 五 规 划 目 前 中 核 集 团 在 国 家 资 助 下 开 展 模 块 式 小 型 堆 的 研 发, 已 完 成 初 步 设 计, 正 在 积 极 推 动 示 范 工 程 建 设, 合 作 开 展 浮 动 核 电 站 研 究 ; 中 广 核 集 团 国 家 核 电 技 术 公 司 及 清 华 大 学 也 在 开 展 模 块 式 小 型 堆 的 研 发 工 作 4 具 备 第 四 代 特 征 的 核 电 技 术 发 展 自 第 四 代 核 能 系 统 国 际 论 坛 (GIF) 成 立 以 来, 论 坛 的 成 员 国 已 经 提 [7] 出 了 100 多 种 备 选 的 反 应 堆 系 统 根 据 各 项 标 准,GIF 遴 选 出 了 6 种 最 具 前 景 的 反 应 堆 系 统 ( 表 1 [8] ), 分 别 是 钠 冷 快 堆 (SFR) 超 高 温 反 应 堆 (VHTR) 气 冷 快 堆 (GFR) 铅 冷 或 铅 - 铋 共 熔 物 冷 却 的 快 堆 (LFR) 熔 盐 堆 (MSR) 和 超 临 界 水 堆 (SCWR) 4.1 中 国 实 验 快 堆 成 功 并 网, 示 范 快 堆 开 始 兴 建 中 国 实 验 快 堆 (CEFR) 工 程 坚 持 以 我 为 主 自 主 创 新 原 则, 在 前 期 关 键 技 术 研 究 和 部 分 国 际 合 作 的 基 础 上, 自 主 进 行 设 计 制 造 建 安 和 调 试 工 作, 于 2011 年 7 月 成 功 并 网 发 电 通 过 研 究, 中 国 掌 握 了 快 中 子 装 置 的 反 应 堆 物 理 特 性 和 相 关 理 论, 研 究 了 MOX 燃 料 的 设 计 及 制 造 技 术 并 形 成 了 一 定 的 技 术 基 础, 全 面 掌 握 了 核 级 钠 制 备 分 析 等 技 术 CEFR 项 目 在 实 施 过 程 中 突 破 了 大 量 的 关 键 技 术, 通 过 引 进 和 自 主 开 发,70% 的 设 备 实 现 了 国 产 化, 成 功 研 制 了 非 能 动 事 故 余 热 导 出 系 统 非 能 动 虹 吸 破 坏 装 置 换 料 系 统 全 自 动 化 控 制 系 统 和 小 型 氢 计 化 系 统, 部 分 指 标 已 达 到 第 四 代 先 进 核 能 系 统 的 要 求 中 国 快 堆 研 究 已 形 成 了 一 批 针 对 钠 冷 快 堆 技 术 的 研 究 试 验 设 施 和 工 业 配 套 能 力, 将 成 为 后 续 快 堆 电 站 建 设 的 重 要 基 础 中 国 快 堆 采 用 实 验 快 堆 示 范 快 堆 商 用 快 堆 三 步 走 路 线 CEFR 的 热 功 率 为 65 MW, 电 功 率 20 MW, 是 中 国 快 中 子 堆 发 展 的 第 一 步, 正 在 建 设 的 600 MWe 规 模 的 中 国 示 范 快 堆 (CFR600) 是 第 二 步, 在 示 范 快 堆 成 功 建 造 和 运 行 的 基 础 上, 将 进 一 步 发 展 商 用 快 堆, 实 现 快 堆 的 商 业 推 广 预 期 将 于 十 四 五 期 间 建 成 CFR600,2030 年 左 右 建 成 百 万 千 瓦 级 大 型 高 增 殖 商 用 快 堆,2035 年 实 现 规 模 化 建 造 为 保 证 CFR600 的 顺 利 建 造, 将 开 展 液 力 悬 浮 非 能 动 停 堆 棒 研 究 堆 内 自 然 循 环 研 究 堆 芯 解 体 事 故 进 程 研 究 以 及 雾 状 钠 火 研 究, 研 制 主 泵 蒸 汽 发 生 器 控 制 棒 驱 动 机 构 等 关 键 设 备, 提 高 中 国 快 堆 工 程 设 计 技 术 和 设 备 自 主 化 能 力 另 外, 将 逐 步 建 立 快 堆 电 站 规 范 标 准 体 系, 完 善 中 国 实 验 快 堆 实 验 和 运 行 配 套 条 件, 加 快 MOX 燃 料 制 备 技 术 研 究 4.2 高 温 气 冷 堆 技 术 实 现 发 展 的 第 一 步 发 电 中 国 高 温 气 冷 堆 技 术 研 究 始 于 20 世 纪 70 年 代,2006 年 高 温 气 冷 堆 核 电 站 示 范 工 程 ( 简 称 HTR-PM) 列 入 国 家 重 大 专 项, 经 过 持 续 研 发 实 践, 预 期 将 在 十 三 五 期 间 建 成 200 MWe 示 范 工 程 目 前, 中 国 的 高 温 气 冷 堆 技 术 处 于 世 界 领 先 的 地 位 近 年 来, 中 国 成 功 研 发 了 球 形 燃 料 元 件 中 试 生 产 线, 首 条 商 业 生 产 线 已 全 面 建 成 ; 建 成 的 大 型 氦 气 试 验 回 路, 是 世 界 上 规 模 最 大 的 高 温 氦 气 回 路 试 验 平 台 ; 在 反 应 堆 压 力 容 器 制 造 技 术 方 面 也 取 得 突 破 进 展 ; 另 外, 中 国 还 成 功 研 制 了 大 功 率 电 磁 轴 承 主 氦 风 机 工 程 样 机 并 达 到 世 界 领 先 水 平 中 国 现 已 掌 握 了 商 业 规 模 模 块 式 高 温 气 冷 堆 的 设 计 和 建 造 技 术,2012 年 开 工 建 造 的 200 MWe 级 模 块 式 高 温 气 冷 堆 商 业 示 范 工 程, 总 体 进 展 顺 利 高 温 气 冷 堆 未 来 的 主 要 2 个 发 展 方 向 主 要 是 多 模 块 高 温 气 冷 堆 热 电 联 产 和 超 高 温 气 冷 堆 技 术 在 HTR-PM 示 范 工 程 的 基 础 上, 将 启 动 600 MWe 模 块 式 高 温 气 冷 堆 热 电 联 产 机 组 总 体 方 案 研 究, 开 展 预 概 念 设 计 工 作, 发 展 安 全 高 效 经 济 的 产 业 化 多 模 块 高 温 气 冷 堆 ; 同 时 研 究 进 入 第 二 阶 段 制 氢, 即 在 当 前 技 术 基 础 上 进 行 超 高 温 气 冷 堆 技 术 的 预 研, 开 展 耐 更 高 温 度 的 燃 料 元 件 技 术 氦 气 透 平 技 术 高 温 氦 / 氦 中 间 换 热 器 技 术 高 温 电 磁 轴 承 技 术 高 温 制 氢 技 术 等 研 究 工 作, 以 实 现 高 温 制 氢, 以 及 氢 能 和 燃 料 电 池 应 用, 氢 作 35

4 Table 1 表 1 国 际 上 先 进 反 应 堆 概 念 的 主 要 特 点 Main features of advanced reactors in the world 反 应 堆 系 统 钠 冷 快 堆 超 高 温 反 应 堆 气 冷 快 堆 铅 冷 快 堆 / 铅 - 铋 共 熔 物 冷 却 快 堆 熔 盐 堆 超 临 界 水 堆 中 子 能 谱 快 慢 快 快 快 或 慢 快 或 慢 功 率 密 度 /(MW m -3 ) 300 5~ 慢 化 剂 石 墨 石 墨 轻 水 或 重 水 冷 却 剂 液 态 钠 气 态 氦 气 态 氦 液 态 铅 或 铅 铋 合 金 熔 盐 超 临 界 水 经 验 反 馈 20 反 应 堆 /400 堆 年 7 反 应 堆 运 行 / 2 在 建 少 量 核 潜 艇 已 建 2 机 组 235 U/ 238 U 233 U/ 232 Th 235 U/ 232 Th 裂 变 / 增 殖 材 料 235 U/ 238 U/Pu/ 238 U Pu/ 238 U 233 U/ 232 Th Pu/ 238 U Pu/ 238 U Pu/ 232 Th Pu/ 238 U 燃 料 状 态 芯 块 颗 粒 芯 块 芯 块 芯 块 / 液 态 芯 块 化 学 成 分 液 态 金 属 碳 氧 化 物, 氧 化 物 氮 化 物, 碳 化 物 氧 化 物, 氮 化 物, 碳 化 物 氟 化 物 氧 化 物 冷 却 剂 压 力 /MPa 铅 1745 冷 却 剂 沸 点 / 880(0.1 MPa) 铅 铋 合 金 (0.1 MPa) (0.1 MPa) 0.1 MPa 冷 却 剂 凝 固 温 度 / 98 铅 327 铅 铋 合 金 (150~ 200) 560 堆 内 冷 却 剂 温 度 范 围 / 400~ ~ ~ ~ ~ ~500 为 清 洁 的 二 次 能 源, 作 为 运 载 工 具 的 能 源, 有 可 观 的 发 展 前 景, 为 更 高 效 的 安 全 发 电 大 规 模 核 能 制 氢 奠 定 基 础 同 时, 围 绕 高 温 气 冷 堆 未 来 发 展 的 关 键 技 术, 积 极 参 与 国 际 合 作, 解 决 材 料 燃 料 设 计 及 设 备 等 方 面 的 问 题, 使 中 国 高 温 气 冷 堆 继 续 处 于 国 际 前 沿 4.3 钍 基 熔 盐 堆 核 能 专 项 取 得 显 著 进 展 2011 年 中 国 科 学 院 启 动 未 来 先 进 核 裂 变 能 战 略 性 先 导 科 技 专 项, 研 究 钍 基 熔 盐 堆 核 能 系 统 (TMSR) 目 前, 完 成 了 10 MW 固 态 燃 料 熔 盐 实 验 堆 和 2 MW 液 态 燃 料 熔 盐 实 验 堆 的 概 念 设 计, 开 始 进 行 10 MW 固 态 燃 料 熔 盐 实 验 堆 的 工 程 设 计 ; 研 制 了 部 分 关 键 设 备 的 原 理 机 以 及 个 别 设 备 的 工 程 样 机, 为 10 MW 固 态 燃 料 熔 盐 实 验 堆 和 2 MW 液 态 燃 料 熔 盐 实 验 堆 的 建 成 奠 定 了 基 础 中 国 熔 盐 堆 研 究 致 力 发 展 固 体 燃 料 和 液 态 燃 料 2 种 技 术, 以 最 终 实 现 基 于 熔 盐 堆 的 钍 资 源 高 效 利 用, 下 一 阶 段 将 在 钍 铀 循 环 核 数 据 结 构 材 料 后 处 理 技 术 等 方 面 开 展 基 础 性 研 究 工 作 依 托 TMSR 核 能 专 项, 未 来 将 建 设 TMSR 仿 真 装 置 (TMSR-SF0) 10 MW 固 态 燃 料 TMSR 实 验 装 置 (TMSR-SF1) 和 具 有 在 线 干 法 后 处 理 功 能 的 2 MW 液 态 燃 料 TMSR 实 验 装 置 (TMSR-LF1) 以 支 撑 未 来 中 国 熔 盐 堆 技 术 研 究, 实 现 关 键 材 料 和 设 备 产 业 化 预 计 2030 年 左 右, 全 面 掌 握 TMSR 设 计 技 术, 基 本 完 成 工 业 示 范 堆 建 设, 同 时 发 展 小 型 熔 盐 堆 模 块 化 技 术, 进 行 商 业 化 推 广 4.4 ADS 系 统 研 究 取 得 多 项 突 破 中 国 科 学 院 战 略 性 先 导 科 技 专 项 未 来 先 进 裂 变 核 能 - 加 速 器 驱 动 次 临 界 嬗 变 系 统 ( 简 称 ADS 先 导 专 项 ) 启 动 以 来, 在 超 导 直 线 加 速 器 重 金 属 散 裂 靶 次 临 界 反 应 堆 及 核 能 材 料 等 研 究 方 面 取 得 了 重 要 的 阶 段 进 展 和 突 破, 若 干 关 键 技 术 达 到 国 际 先 进 水 平, 使 中 国 具 备 了 建 设 ADS 集 成 装 置 的 工 程 实 施 基 础 在 ADS 先 导 专 项 实 施 的 基 础 上, 针 对 ADS 和 第 四 代 铅 冷 快 堆 (LFR) 的 技 术 发 展 目 标 和 实 验 要 求, 完 成 了 具 有 临 界 和 加 速 器 驱 动 次 临 界 双 模 式 运 行 能 力 的 10 MW 中 国 铅 基 研 究 堆 详 细 方 案 设 计 设 计 ; 建 成 了 系 列 铅 铋 回 路 实 验 36

5 平 台, 开 展 了 冷 却 剂 技 术 关 键 设 备 结 构 材 料 与 燃 料 反 应 堆 运 行 与 控 制 技 术 等 铅 基 堆 关 键 技 术 研 发 ; 正 在 开 展 铅 基 堆 工 程 技 术 集 成 试 验 装 置 铅 基 堆 零 功 率 物 理 试 验 装 置 铅 基 数 字 反 应 堆 的 建 设, 以 开 展 铅 基 堆 关 键 设 备 和 运 行 技 术 集 成 测 试 和 验 证 铅 基 反 应 堆 具 有 重 要 的 发 展 前 景, 包 含 核 废 料 嬗 变 核 燃 料 增 殖 能 量 生 产 等, 可 以 作 为 钠 冷 快 堆 的 另 一 发 展 选 项 4.5 正 在 开 展 超 临 界 水 冷 堆 基 础 技 术 研 究 中 国 2006 年 全 面 启 动 研 究 工 作, 将 SCWR 研 发 规 划 为 5 个 阶 段 : 基 础 技 术 研 发 关 键 技 术 研 发 工 程 技 术 研 发 工 程 试 验 堆 设 计 建 造 以 及 标 准 设 计 研 究 目 前 开 展 了 超 临 界 水 冷 堆 基 础 研 究, 提 出 了 超 临 界 水 冷 堆 总 体 技 术 路 线, 完 成 了 中 国 有 自 主 知 识 产 权 的 百 万 千 瓦 级 SCWR(CSR1000) 总 体 设 计 方 案 中 国 独 创 性 开 展 了 双 流 程 结 构 堆 芯 和 环 形 元 件 正 方 形 燃 料 组 件 等 设 计 和 论 证, 验 证 了 SCWR 结 构 可 行 性 ; 建 立 了 三 维 模 型 和 实 体 模 型, 完 成 了 超 临 界 流 动 传 热 恶 化 特 性 实 验 与 计 算 流 体 力 学 模 型 研 究, 为 总 体 设 计 方 案 的 优 化 提 供 了 支 撑 ; 全 面 开 展 了 材 料 筛 选, 掌 握 了 关 键 试 验 技 术, 构 建 了 试 验 分 析 平 台 和 数 据 库, 为 工 程 化 应 用 奠 定 了 基 础 按 照 SCWR 研 发 规 划, 中 国 下 一 步 将 进 入 研 发 第 2 阶 段, 即 进 行 关 键 技 术 攻 关 研 究, 全 面 掌 握 超 临 界 水 冷 堆 设 计 技 术 和 设 计 方 法, 完 成 CSR1000 的 工 程 实 验 堆 的 设 计 研 究 通 过 进 行 堆 外 实 验 材 料 优 化 及 工 程 应 用 堆 外 性 能 燃 料 元 件 辐 照 考 验 装 置 设 计 等 关 键 技 术 攻 关, 开 展 包 壳 和 堆 内 构 件 材 料 入 堆 辐 照 研 究, 为 工 程 设 计 和 工 程 试 验 堆 设 计 建 造 奠 定 基 础 4.6 第 四 代 核 电 技 术 利 用 方 向 GIF 推 荐 的 这 6 种 堆 型 及 ADS 有 着 各 自 的 特 点, 发 挥 的 作 用 也 不 完 全 相 同, 技 术 成 熟 度 也 存 在 着 明 显 的 差 异 ( 表 2) 第 四 代 堆 选 择 快 谱 反 应 堆 是 因 为 其 具 备 核 燃 料 增 殖 的 能 力, 钠 冷 快 堆 铅 冷 快 堆 气 冷 快 堆 和 熔 盐 堆 都 具 备 这 方 面 的 能 力, 明 显 提 高 铀 资 源 的 利 用 率 ; 并 能 够 嬗 变 以 实 现 废 物 最 小 化 而 超 高 温 气 冷 堆 的 作 用 是 能 够 实 现 高 温 制 氢 提 高 核 电 厂 的 发 电 效 率, 同 时 其 高 温 热 可 以 在 工 业 领 域 进 一 步 拓 展 核 能 的 应 用 行 波 堆 是 快 中 子 堆 的 一 种 特 殊 设 计, 利 用 高 性 能 燃 料 和 材 料 技 术, 通 过 长 寿 命 和 深 燃 耗, 使 占 天 然 铀 中 绝 大 部 238 分 的 U 在 堆 内 实 现 原 位 增 殖 和 焚 烧, 降 低 对 乏 燃 料 后 处 理 需 求 5 核 聚 变 研 究 水 平 大 幅 提 高 纵 观 人 类 社 会 发 展 的 历 史, 人 类 文 明 的 每 一 次 重 大 进 步 都 伴 随 着 能 源 的 改 进 和 更 替, 而 能 源 的 开 发 利 用 又 极 大 地 推 进 了 世 界 经 济 和 人 类 社 会 的 发 展 核 聚 变 因 资 源 丰 富, 相 比 裂 变 能 源 而 言, 聚 变 能 源 产 生 的 放 射 性 废 物 总 量 少 且 不 产 生 长 寿 命 放 射 性 核 素 处 置 更 加 容 易, 因 而 是 一 种 更 加 理 想 的 清 洁 能 源 受 控 核 聚 变 需 要 实 现 的 最 终 目 标 是 获 得 具 有 商 业 价 值 的 聚 变 能 源 首 堆 型 钠 冷 快 堆 铅 冷 快 堆 气 冷 快 堆 超 高 温 气 冷 堆 超 临 界 水 堆 熔 盐 堆 ADS Table 2 表 2 先 是 通 过 加 热 和 有 效 约 束 以 获 得 高 温 聚 变 等 离 子 体 能 够 达 到 发 生 聚 变 反 应 的 状 态, 以 实 现 热 平 衡 状 态 下 核 聚 变 反 应, 实 现 燃 烧, 获 得 聚 变 功 率, 实 现 条 件 是 等 离 子 体 的 温 度 (T) 密 度 (n) 和 维 持 时 间 (τ E) 的 乘 积 ( 常 称 为 三 重 积 ) ntτ E>10 21 m -3 skev; 并 且 聚 变 功 率 增 益 因 子 Q 1, 即 聚 变 产 生 的 能 量 大 于 为 创 造 实 现 聚 变 条 件 而 消 耗 的 能 量, 才 能 实 现 无 需 外 部 加 热 的 自 持 燃 烧, 即 实 现 点 火, 表 明 开 发 聚 变 能 源 的 科 学 可 行 性 得 到 证 实 ; 下 一 步 实 现 长 时 间 燃 烧, 获 得 聚 变 能 源 而 不 仅 仅 是 短 暂 的 聚 变 功 率,E fusion (ntτ E) t 燃 烧, 因 此 Q 越 大 越 好 [9] 目 前, 最 有 可 能 实 现 核 聚 变 的 2 种 约 束 方 法 包 括 磁 约 束 和 惯 性 约 束 聚 变 磁 约 束 装 置 维 持 燃 烧 以 获 得 可 实 用 聚 变 能 的 技 术 途 径 是 稳 态 运 行, 而 惯 性 约 束 装 置 获 得 可 实 用 聚 变 能 的 技 术 途 径 是 高 靶 丸 高 频 率 点 火 燃 烧 在 磁 约 束 核 聚 变 方 面, 经 过 多 年 的 探 索, 托 卡 马 克 成 为 主 要 途 径, 相 继 建 成 并 成 功 运 行 大 型 托 卡 马 克 装 置, 包 括 欧 共 体 的 JET 美 国 的 TFTR 日 本 的 JT-60U 等 第 四 代 堆 型 技 术 发 展 阶 段 Types of the fourth generation reactor 作 用 闭 式 燃 料 循 环 小 型 化 多 用 途 闭 式 燃 料 循 环 核 能 的 高 温 利 用 现 有 压 水 堆 的 基 础 上 提 高 经 济 性 与 安 全 性 钍 资 源 利 用 嬗 变 技 术 发 展 阶 段 商 业 示 范 验 证 BN800 于 12 月 10 日 并 网 发 电 关 键 工 艺 技 术 研 究 关 键 技 术 和 可 行 性 研 究 示 范 工 程 验 证 关 键 技 术 和 可 行 性 研 究 关 键 技 术 和 可 行 性 研 究 关 键 工 艺 技 术 研 究 GIF 作 为 候 选 堆 的 主 要 考 虑 安 全 性 增 殖 核 燃 料 嬗 变 安 全 性 增 殖 核 燃 料 嬗 变 可 持 续 性 安 全 性 制 氢 ( 高 温 利 用 ) 安 全 性 经 济 性 核 燃 料 增 殖 嬗 变 37

6 图 3 国 际 热 核 聚 变 实 验 堆 (ITER) Fig. 3 International thermonuclear experimental reactor(iter) 由 中 美 欧 共 体 俄 日 韩 共 建 的 国 际 显 著 热 核 实 验 堆 (ITER)( 图 3), 磁 约 束 聚 变 在 磁 约 束 核 聚 变 方 面, 中 国 建 成 了 的 科 学 可 行 性 已 在 托 卡 马 克 类 型 装 置 HL-2A 和 EAST 实 验 装 置, 并 成 功 实 现 上 得 到 实 验 证 实 (17 MW,Q~1), 聚 变 高 约 束 模 (H- 模 ) 放 电, 这 是 中 国 磁 约 能 的 开 发 研 究 进 入 了 一 个 新 的 阶 段 : 实 束 聚 变 实 验 研 究 史 上 具 有 里 程 碑 意 义 现 长 时 间 的 聚 变 燃 烧, 正 在 向 聚 变 实 验 的 重 大 进 展, 标 志 着 中 国 在 H- 模 物 理 堆 ITER(400 MW,Q=10) 和 最 终 建 立 原 机 制 研 究 和 长 脉 冲 H- 模 运 行 方 面 跻 身 型 聚 变 电 站 推 进, 必 须 深 入 进 行 聚 变 燃 国 际 最 前 沿 针 对 聚 变 科 学, 中 国 开 展 烧 物 理 的 理 论 和 试 验 研 究 : 包 括 稳 态 燃 了 约 束 和 输 运 磁 流 体 不 稳 定 等 离 子 烧 的 基 础 与 限 制, 加 料 效 率 的 物 理 基 础 体 和 器 壁 表 面 相 互 作 用 及 偏 滤 器 物 理 与 限 制 ; 燃 烧 效 率 的 物 理 基 础 与 限 制, 高 能 量 粒 子 物 理 等 方 面 的 研 究, 成 功 将 稳 态 的 加 热 与 移 能, 燃 烧 等 离 子 体 中 高 电 子 回 旋 加 热 应 用 于 HL-2A 撕 裂 模 主 能 粒 子 的 作 用, 破 裂 的 物 理 与 控 制 等 ; 动 控 制, 在 HL-2A 和 EAST 两 大 装 置 上 还 必 须 要 有 强 有 力 的 过 程 技 术 支 持 实 现 了 偏 滤 器 位 形, 在 高 能 电 子 激 发 的 惯 性 约 束 聚 变 在 理 论 实 验 诊 断 比 压 阿 尔 芬 本 征 模 鱼 骨 模 高 能 量 粒 制 靶 和 驱 动 器 方 面 取 得 了 长 足 进 展 子 模 方 面 取 得 重 要 实 验 结 果 在 工 程 2009 年 美 国 建 成 国 家 点 火 装 置 (NIF), 方 面, 中 国 设 计 了 大 型 托 卡 马 克 HL- 利 用 NIF 装 置 开 展 了 一 系 列 靶 物 理 实 2M, 建 成 后, 将 实 现 等 离 子 体 参 数 的 大 验 和 点 火 物 理 实 验, 取 得 重 要 的 物 理 成 幅 提 高 大 功 率 辅 助 加 热 系 统 先 进 加 果 实 现 实 验 室 热 核 聚 变 点 火, 开 展 高 料 技 术 聚 变 堆 设 计 和 材 料 的 研 究 也 取 温 高 密 度 极 端 物 理 等 基 础 前 沿 科 学 问 得 重 要 进 展 题 研 究, 将 是 未 来 惯 性 约 束 聚 变 研 究 的 在 惯 性 约 束 聚 变 方 面, 中 国 先 后 研 主 要 方 向 制 了 神 光 I 神 光 II/ 神 光 II 升 级 神 光 国 际 上 通 过 合 作 和 技 术 共 享, 共 同 III 原 型 / 神 光 III 以 及 星 光 系 列 激 光 装 进 行 核 聚 变 研 究 中 国 紧 跟 国 际 步 伐, 置, 形 成 了 较 完 整 的 激 光 聚 变 研 究 体 在 受 控 核 聚 变 方 面 开 展 全 面 而 深 入 的 系, 包 括 支 撑 激 光 器 研 制 的 元 器 件 产 研 究 自 2008 年 以 来, 在 核 能 开 发 科 生 加 工 和 检 测 能 力 ; 开 展 了 黑 腔 物 理 学 基 金 支 持 下, 核 聚 变 科 学 和 工 程 成 果 内 爆 物 理 辐 射 输 运 辐 射 不 透 明 度 和 流 体 力 学 不 稳 定 性 等 一 系 列 物 理 研 究, 研 制 了 以 二 维 LARED 集 成 程 序 为 代 表 的 激 光 聚 变 数 值 模 拟 程 序 体 系, 发 展 了 有 特 色 的 实 验 诊 断 方 法 和 技 术 ; 取 得 了 重 要 研 究 成 果 同 时, 中 国 还 研 制 了 聚 龙 一 号 装 置, 开 展 了 Z 箍 缩 惯 性 约 束 聚 变 物 理 研 究 目 前, 中 国 激 光 聚 变 研 究 正 在 向 实 现 聚 变 点 火 和 攻 克 高 能 量 密 度 极 端 条 件 下 的 科 学 技 术 难 题 的 重 要 目 标 稳 步 推 进 对 于 核 聚 变, 将 继 续 瞄 准 世 界 科 技 前 沿 和 国 家 对 战 略 能 源 需 求, 围 绕 国 家 核 聚 变 能 源 研 究 发 展 战 略 规 划, 积 极 开 展 进 一 步 的 研 究 在 磁 约 束 核 聚 变 方 面, 中 国 将 积 极 参 与 ITER 计 划, 深 入 开 展 聚 变 等 离 子 体 物 理 燃 烧 等 离 子 体 物 理 等 研 究, 进 行 广 泛 的 国 际 交 流 与 合 作 在 此 基 础 上 逐 步 独 立 开 展 核 聚 变 示 范 堆 的 设 计 和 研 发, 最 终 设 计 建 造 中 国 聚 变 示 范 堆, 实 现 核 聚 变 能 源 商 业 利 用 神 光 III 激 光 装 置 的 建 成 和 投 入, 标 志 着 中 国 惯 性 约 束 聚 变 研 究 进 入 新 层 次, 今 后 的 工 作 将 以 实 现 惯 性 约 束 聚 变 热 核 点 火 为 目 标, 开 展 理 论 实 验 诊 断 和 驱 动 器 等 技 术 攻 关, 充 分 利 用 神 光 III 激 光 装 置 和 其 它 装 置 开 展 辐 射 输 运 辐 射 流 体 力 学 高 压 状 态 方 程 等 高 能 密 度 物 理 研 究, 以 及 实 验 室 天 体 物 理 激 光 核 物 理 等 前 沿 基 础 科 学 探 索 研 究 6 实 现 热 堆 向 快 堆 第 二 步 跨 越 的 思 考 6.1 核 能 战 略 性 新 兴 产 业 中 长 期 发 展 展 望 根 据 中 国 核 电 中 长 期 发 展 规 划 ( 年 ) [10], 到 2020 年, 核 电 运 行 装 机 容 量 达 到 5800 万 kw, 在 建 3000 万 kw 同 时, 根 据 中 国 发 布 的 应 对 气 候 变 化 联 合 声 明 : 到 2030 年 非 化 石 能 源 消 费 在 一 次 能 源 中 的 比 重 提 升 到 20% 的 目 标, 预 计 到 2030 年 核 电 在 运 装 机 规 模 达 到 1.5 亿 kw 到 2020 年, 中 国 核 电 站 乏 燃 料 累 积 存 量 和 每 年 从 核 电 站 卸 出 的 乏 燃 料 将 随 核 电 站 总 装 机 容 量 的 增 加 而 递 38

7 增 目 前 中 国 乏 燃 料 堆 内 储 存 容 量 不 同 程 度 地 接 近 饱 和, 随 着 核 电 规 模 快 速 增 长, 面 临 着 乏 燃 料 存 储 和 处 理 日 益 增 加 的 需 求 6.2 建 设 基 于 快 堆 的 核 燃 料 闭 式 循 环 体 系 为 解 决 制 约 中 国 核 电 发 展 的 铀 资 源 利 用 最 优 化 和 放 射 性 废 物 最 小 化 两 大 问 题, 中 国 已 明 确 了 坚 持 核 燃 料 闭 式 循 环 ( 图 4) 的 政 策, 通 过 后 处 理 提 取 热 堆 乏 燃 料 中 的 铀 钚, 返 回 快 堆 复 用, 则 可 使 铀 资 源 的 利 用 率 提 高 60 [11] 倍 同 时, 通 过 后 处 理 分 离 出 的 长 寿 命 高 放 射 毒 性 的 次 锕 系 元 素 和 裂 变 产 物, 在 快 堆 中 以 焚 烧 和 嬗 变 等 方 式 消 耗, 可 使 最 终 地 质 处 置 核 废 物 最 小 化, 不 仅 能 够 有 效 降 低 乏 燃 料 对 环 境 的 影 响, 监 管 时 间 也 能 大 幅 缩 短, 减 少 经 济 和 社 会 成 本 为 实 现 第 二 步 战 略 以 保 证 中 国 核 电 可 持 续 发 展, 中 国 统 筹 考 虑 压 水 堆 和 快 堆 及 乏 燃 料 后 处 理 工 程 的 匹 配 发 展, 开 展 部 署 快 堆 及 后 处 理 工 程 的 科 研 和 示 范 工 程 建 设, 以 实 现 裂 变 核 能 资 源 的 高 效 利 用 在 实 验 快 堆 设 计 建 造 和 试 运 行 经 验 的 基 础 上, 中 国 快 堆 技 术 发 展 目 前 已 进 入 了 第 2 阶 段 设 计 建 造 中 国 自 主 示 范 快 堆 工 程 中 国 正 在 自 主 建 设 核 燃 料 循 环 科 技 示 范 项 目, 建 成 后 将 初 步 形 成 工 业 规 模 后 处 理 能 力 为 了 形 成 与 核 电 发 展 相 适 应 的 可 持 续 发 展 的 后 处 理 产 业, 中 国 正 在 积 极 实 施 大 型 后 处 理 厂 相 关 的 先 进 工 艺 关 键 设 备 设 计 和 安 全 等 技 术 攻 关 ; 同 时, 积 极 推 动 国 际 合 作 建 设 大 型 商 业 后 处 理 厂 鉴 于 中 国 核 能 发 展 和 后 处 理 能 力 建 设 情 况, 积 极 完 善 乏 燃 料 离 堆 贮 存 技 术 体 系, 开 展 干 法 储 存 技 术 研 究, 形 成 一 定 规 模 的 乏 燃 料 离 堆 贮 存 能 力, 确 保 核 电 站 可 持 续 安 全 稳 定 运 行 在 完 成 铀 钚 混 合 氧 化 物 (Mixed Oxide, MOX) 燃 料 元 件 生 产 试 验 线 研 发 的 基 础 上, 继 续 开 展 工 业 规 模 快 堆 MOX 燃 料 元 件 生 产 线 工 艺 及 检 测 研 发 设 计 工 作, 建 立 与 示 范 快 堆 匹 配 的 MOX 燃 料 生 产 线, 实 现 核 燃 料 的 闭 式 循 环, 最 终 实 现 核 能 绿 色 低 碳 可 持 续 发 展 变 能 商 业 应 用 尚 需 实 现 高 的 能 量 增 益, 6.3 实 现 模 块 化 小 堆 技 术 探 索 核 能 多 用 途 利 用 目 前 核 能 大 部 分 用 于 发 电, 只 有 少 研 发 耐 高 能 中 子 辐 照 材 料 聚 变 - 裂 变 混 合 堆 的 出 发 点 是 结 合 聚 变 与 裂 变 技 术 的 优 点, 大 幅 降 低 对 聚 变 堆 芯 参 数 于 1% 应 用 于 非 电 领 域, 其 他 潜 在 应 用 市 场 的 开 发 应 用, 将 很 大 程 度 上 影 响 核 能 发 展 现 已 在 国 际 上 开 展 小 批 量 的 核 能 供 热 制 冷 和 海 水 淡 化 ; 并 探 索 核 能 高 温 利 用, 开 发 核 电 高 温 工 艺 供 热 在 稠 油 热 采 煤 液 化 冶 金 等 领 域 应 用 ; 进 一 步 利 用 水 的 高 温 裂 解 制 氢 除 了 早 期 的 研 究 实 验 堆 以 及 标 准 核 电 站 外, 世 界 范 围 内 还 建 造 了 数 百 台 小 型 反 应 堆 用 于 海 上 舰 船 的 推 进 动 力 系 统 近 年 来, 工 业 化 国 家 的 发 电 容 量 日 趋 饱 和, 模 块 化 小 型 堆 能 更 好 地 适 应 这 些 国 家 的 电 力 负 荷 需 求 从 厂 址 适 用 性 上 说, 用 于 发 电 的 小 型 堆 可 以 建 造 在 远 离 主 电 网 的 偏 远 地 区 ; 用 于 热 电 联 产 的 小 型 堆 可 在 内 陆 厂 址 和 城 市 附 近 建 造 不 仅 能 为 中 小 电 网 极 地 岛 屿 和 偏 远 山 区 供 电, 还 可 以 为 城 市 供 热, 为 工 业 园 区 和 石 化 企 业 提 供 热 电, 为 破 冰 船 和 海 上 船 舰 提 供 动 力 等 小 型 堆 的 总 造 价 低, 建 造 周 期 短, 财 务 风 险 和 管 理 风 险 更 低 的 要 求, 促 进 聚 变 能 源 的 提 前 应 用 并 为 裂 变 能 源 面 临 的 资 源 短 缺 与 锕 系 核 素 嬗 变 问 题 提 供 解 决 方 案 聚 变 - 裂 变 混 合 堆 包 层 中 含 有 裂 变 材 料 或 可 转 换 材 料, 通 过 聚 变 中 子 引 起 的 裂 变 倍 增 能 量 和 中 子, 实 现 产 氚, 释 放 能 量, 易 裂 变 材 料 生 产 和 锕 系 核 素 嬗 变 混 合 堆 是 次 临 界 核 反 应 堆, 聚 变 堆 芯 是 独 立 的 外 部 高 能 中 子 源, 可 以 使 裂 变 包 层 以 次 临 界 态 运 行, 有 较 多 的 剩 余 中 子 可 用 来 产 氚, 实 现 氚 自 持 循 环 利 用 混 合 堆 能 谱 较 硬 以 及 高 能 区 有 效 裂 变 中 子 数 多 的 特 点, 裂 变 包 层 内 还 可 实 现 如 下 功 能 :(1) 能 源 生 产 ;(2) 核 废 料 嬗 变 ;(3) 易 裂 变 材 料 生 产 中 国 聚 变 - 裂 变 混 合 堆 研 究 始 于 20 世 纪 80 年 代, 先 后 探 索 了 增 殖 堆 和 嬗 变 堆 的 混 合 堆 概 念 2010 年 以 来, 在 ITER 项 目 国 内 配 套 研 究 的 支 持 下, 中 国 开 展 了 磁 约 束 聚 变 驱 动 混 合 堆 的 研 究, 提 出 了 次 临 界 能 源 堆 概 念 设 计 方 案, 形 成 了 磁 约 束 聚 变 的 混 合 堆 概 念 设 7 实 现 裂 变 向 聚 变 能 第 三 步 跨 越 的 思 考 计 方 案, 并 给 出 比 较 可 靠 的 安 全 性 经 济 性 和 工 程 可 行 性 分 析 该 方 案 系 统 分 析 了 传 统 的 增 殖 堆 与 嬗 变 堆 面 临 的 7.1 探 索 聚 变 - 裂 变 混 合 堆 技 术 过 去 几 十 年 聚 变 技 术 取 得 了 很 大 主 要 问 题, 对 未 来 堆 运 行 中 核 燃 料 的 一 系 列 提 出 了 解 决 思 路 并 进 一 步 提 出 发 展, 实 现 纯 聚 变 能 源 的 商 业 应 用, 仍 需 解 决 诸 多 工 程 技 术 方 面 的 挑 战 聚 与 先 进 次 临 界 能 源 包 层 技 术 结 合, 形 成 满 足 大 规 模 能 源 应 用 为 基 本 诉 求 的 新 0.723% 23.5 U 天 然 铀 3%~5% 铀 元 件 0.723% 23.5 (UFg) 0.85% 图 4 核 电 站 闭 式 燃 料 循 环 示 意 Fig. 4 Schematic diagram of fuel closed cycle of nuclear power station 39

8 型 聚 变 - 裂 变 混 合 堆 概 念, 逐 步 形 成 工 程 化 应 用 的 成 套 技 术, 为 聚 变 能 源 技 术 及 早 大 规 模 服 务 于 人 类 经 济 社 会 创 造 条 件 但 是 也 应 清 醒 地 看 到, 混 合 堆 的 建 造 要 以 大 力 开 展 受 控 聚 变 的 理 论 与 实 验 的 研 究 为 前 提 7.2 关 注 聚 变 和 裂 变 技 术 的 交 叉 研 究 随 着 聚 变 技 术 的 开 发, 聚 变 和 裂 变 的 研 究 在 很 多 领 域 有 协 同 增 效 的 研 究 效 果 目 前, 主 要 鼓 励 在 材 料 特 性 研 究 和 新 材 料 研 发 的 多 尺 度 建 模 领 域 开 展 更 紧 密 的 合 作 该 研 究 需 重 视 模 型 的 设 计 规 则, 并 验 证 建 模 方 法, 包 括 必 要 的 环 境 试 验 和 适 当 的 辐 照 该 活 动 有 助 于 核 裂 变 与 核 聚 变 的 核 材 料 研 究 领 域 的 交 流, 帮 助 克 服 限 制 聚 变 和 裂 变 开 发 中 的 障 碍 裂 变 和 聚 变 设 施 的 运 行 必 须 考 虑 氚 的 排 放 量 因 此 需 要 进 一 步 研 究 评 估 和 减 轻 限 制 氚 排 放 所 造 成 的 影 响 该 研 究 要 尽 量 减 少 氚 在 源 头 的 渗 透, 并 捕 获 和 储 存 金 属 废 物 液 态 和 气 态 流 出 物 中 的 氚, 该 研 究 将 有 助 于 解 决 聚 变 与 裂 变 设 施 中 氚 管 理 的 关 键 问 题, 满 足 监 管 要 求, 从 而 减 少 对 环 境 及 健 康 的 负 面 影 响, 提 供 可 靠 的 基 于 科 学 的 政 策 建 议 7.3 核 聚 变 中 间 技 术 的 应 用 开 发 在 核 聚 变 领 域 研 发 过 程 中 开 发 出 的 尖 端 技 术, 同 时 又 产 生 出 众 多 对 产 业 有 贡 献 的 革 新 技 术, 并 带 动 各 个 尖 端 科 技 领 域 的 进 步 就 ITER 而 言 涉 及 的 领 域 包 括 超 导 研 究 高 真 空 生 命 科 学 遥 控 密 封 环 境 科 学 等 离 子 体 信 息 通 信 加 热 技 术 纳 米 材 料 等 学 科 随 着 聚 变 研 究 开 发 的 深 入 进 行, 必 将 带 动 人 类 高 新 科 技 的 更 大 发 展, 同 时 在 各 个 领 域 对 人 类 做 出 积 极 的 贡 献 8 结 论 经 过 近 60 年 的 发 展, 核 电 及 配 套 的 核 燃 料 技 术 成 为 日 益 成 熟 的 产 业, 在 世 界 上 成 为 继 火 电 及 水 电 以 外 第 三 大 发 电 能 源, 能 够 规 模 化 提 供 能 源 并 实 现 CO 2 及 污 染 物 减 排 福 岛 核 事 故 5 年 后, 世 界 核 电 发 展 的 总 趋 势 和 格 局 是 稳 定 的, 面 对 全 球 广 阔 的 核 电 市 场, 中 国 核 能 走 出 去 成 为 必 然 的 选 择 中 国 已 经 制 定 了 宏 观 核 能 发 展 战 略, 核 能 作 为 比 较 清 洁 低 碳 环 境 友 好 的 能 源, 在 保 障 安 全 的 基 础 上, 进 一 步 规 模 化 发 展 能 够 加 强 中 国 能 源 多 元 化 清 洁 化 和 低 碳 化 趋 势 在 雾 霾 肆 虐 全 国 的 大 背 景 下, 选 择 既 清 洁 又 经 济 的 核 电, 将 对 大 气 污 染 的 治 理 做 出 重 大 贡 献 相 比 于 全 球 核 电 站 运 行 经 验 超 过 堆 年, 中 国 核 电 站 运 行 经 验 约 180 堆 年, 核 能 产 业 的 发 展 仍 处 在 初 级 阶 段, 需 要 认 识 到 中 国 核 能 基 础 研 究 薄 弱, 技 术 储 备 不 足, 对 长 远 发 展 目 标 和 路 线 图 的 论 证 还 不 够 深 入, 全 产 业 链 各 个 环 节 的 发 展 尚 未 协 调 配 套, 核 能 发 展 的 法 制 建 设 和 管 理 体 制 有 待 改 进 完 善 特 别 是 针 对 核 能 科 技 发 展 的 三 步 走 战 略 还 有 待 深 入 论 证, 通 过 科 技 规 划 来 落 实 ; 在 科 技 规 划 实 施 中 坚 持 自 主 创 新 和 集 成 创 新, 以 先 进 核 电 型 号 研 发 引 领, 以 基 础 研 究 的 原 始 创 新 推 动 核 科 技 规 划 的 快 速 稳 定 发 展 ; 仍 需 整 合 行 业 研 发 资 源, 统 筹 布 局, 建 立 国 家 实 验 室 与 国 家 科 学 中 心 科 技 创 新 中 心 国 家 重 点 实 验 室 等 科 技 平 台 ; 建 立 大 型 工 程 试 验 室, 夯 实 中 国 创 新 基 础 平 台 ; 建 立 企 业 级 创 新 研 发 平 台, 包 括 核 电 装 备 的 生 产 工 艺 和 产 品 制 造 创 新 为 更 好 促 进 核 工 业 的 未 来 发 展, 需 要 通 过 立 法 完 善 科 学 健 康 的 行 业 发 展 体 制, 通 过 标 准 化 和 建 立 经 验 反 馈 平 台, 建 设 提 高 安 全 水 平 和 运 行 性 能, 通 过 建 设 数 字 化 核 电 站 来 整 合 核 电 研 发 设 计 方 建 设 方 和 制 造 方, 保 证 全 寿 期 的 安 全 运 行 同 时, 必 须 考 虑 客 户 需 求, 还 要 考 虑 与 其 他 能 源 的 竞 争, 核 能 应 保 持 在 能 源 领 域 的 竞 争 力, 在 国 际 上 实 现 走 出 去 ; 在 能 源 格 局 中 发 挥 重 要 作 用, 与 可 再 生 能 源 协 调 发 展 ; 同 时, 核 燃 料 产 业 前 后 段 发 展 等 方 面 协 调 发 展, 探 索 核 能 和 核 技 术 的 多 用 途 利 用, 造 福 人 类 核 能 是 稳 定 且 丰 富 的 低 碳 能 源, 核 工 业 在 应 对 全 球 气 候 变 化 进 程 中 有 着 独 有 的 突 出 贡 献 中 国 核 工 业 将 坚 持 安 全 发 展 创 新 发 展, 通 过 科 技 创 新 和 体 制 机 制 创 新 驱 动, 构 建 行 业 创 新 体 系, 不 断 推 动 转 变 升 级, 全 面 提 升 核 工 业 的 核 心 竞 争 力, 最 终 实 现 将 为 人 类 提 供 可 永 续 发 展 的 核 能 参 考 文 献 (References) [1] 李 克 强. 致 第 二 十 届 太 平 洋 地 区 核 能 大 会 的 贺 信 [EB/OL] [ ]. Li Keqiang. A letter of congratulations to the 20th Pacific Nuclear Conference[EB/OL] [ ]. content_ htm. [2] 环 境 保 护 部 国 家 核 安 全 局, 国 家 能 源 局, 中 国 地 震 局. 关 于 全 国 民 用 核 设 施 综 合 安 全 检 查 情 况 的 报 告 [EB/OL] [ ]. gov.cn/gkml/hbb/qt/201206/t _ htm. People's Republic of China Ministry of Environmental Protection, National Energy Administration, China Seismological Bureau. Report on national civilian nuclear facilities comprehensive safety inspection[eb/ol] [ ] htm. [3] 国 家 核 安 全 局. 福 岛 核 事 故 后 核 电 厂 改 进 行 动 通 用 技 术 要 求 [EB/OL] [ ]. t _ htm. People's Republic of China Ministry of Environmental Protection. General technical requirements of improve operations after the Fukushima nuclear power plant[eb/ol] [ ]. [4] 环 境 保 护 部 国 家 核 安 全 局. 核 安 全 与 放 射 性 污 染 防 治 十 二 五 规 划 及 2020 年 远 景 目 标 [M]. 北 京 : 科 学 出 版 社,

9 China Ministry of Environmental Protection. Nuclear safety and radioactive pollution prevention: "Twelve Five Year Plan" and 2020 vision[m]. Beijing: Science Press, [5] 张 锐 平, 张 雪, 张 禄 庆. 世 界 核 电 主 要 堆 型 技 术 沿 革 [J]. 中 国 核 电, 2009, 2(3): Zhang Ruiping, Zhang Xue, Zhang Luqing. Technical evolution of leading nuclear power reactor types in the world[j]. China Nuclear Power, 2009, 2(3): [6] 中 国 工 程 科 技 发 展 战 略 研 究 院. 中 国 战 略 性 新 兴 产 业 发 展 研 究 报 告 2014[M]. 北 京 : 科 学 出 版 社, Chinese Academy of Engineering Science and Technology Development. China strategic emerging industry development report 2014[M]. Beijing: Science Press, [7] 中 国 科 学 技 术 协 会 核 科 学 技 术 学 科 发 展 报 告 [M]. 北 京 : 中 国 科 学 技 术 出 版 社, Chinese Association for Science and Technology. Report on advances in nuclear science and technology ( )[M]. Beijing: China Science & Technology Press, [8] IRSN Report. Review of generation IV nuclear energy systems[r]. Paris: IRSN, [9] 中 国 国 际 核 聚 变 能 源 计 划 执 行 中 心, 核 工 业 西 南 物 理 研 究 院. 国 际 核 聚 变 能 源 研 究 现 状 与 前 景 [M]. 北 京 : 中 国 原 子 能 出 版 社, China International Nuclear Fusion Energy Program Execution Center, Southwestern Institute of Physics. Current situation and prospect of international nuclear fusion energy research[m]. Beijing: China Atomic Press, [10] 国 家 能 源 局. 核 电 中 长 期 发 展 规 划 ( 年 )[R]. 北 京 : 国 务 院, People's Republic of China National Energy Administration. Medium and long term development plan of China nuclear power ( ). Beijing: State Council, [11] 中 国 工 程 科 技 发 展 战 略 研 究 院. 中 国 战 略 性 新 兴 产 业 发 展 研 究 报 告 2015[M]. 北 京 : 科 学 出 版 社, Chinese Academy of Engineering Science and Technology Development. China strategic emerging industry development report 2015[M], Beijing: Science Press, The "three steps development strategy" of China nuclear power science and technology SU Gang China Nuclear Power Engineering Company Limited, Beijing , China Abstract As a strategic industry of China, the nuclear power industry follows an innovation-driven strategy and keeps on reforming and upgrading. By focusing on the power generation technology, China has developed a Generation- III pressurized water reactor technology independently and achieved breakthroughs in the fast reactor and the high-temperature gas-cooled reactor with the features of Generation- IV reactor technology. As a key member in the international ITER program, China has successfully promoted the Planning Package program and achieved the delivery plan, laying a solid foundation for the thermal reactor-fast reactor and nuclear fusion three-step strategy. On the basis of summarizing the development stages of nuclear power science and technology, this paper points out the development tendency and the technical direction for implementing the three-step strategy in the 13th Five Year Plan periods and, especially, how to realize the second step of thermal reactor to fast reactor and the third step of fast reactor and nuclear fusion. Finally, this paper gives a prospective for the future development of the nuclear power science and technology. Keywords three-step strategy proprietary Generation- III nuclear power technology; Generation- IV nuclear power technology; nuclear fusion technology; ( 编 辑 韩 丹 岫 ) 41