“雙碳”目標(biāo)下我國核能“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略思考

核能是高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是兌現(xiàn)減排承諾的重要支撐。“雙碳”目標(biāo)下，核能在低碳轉(zhuǎn)型、能源安全等方面發(fā)揮著更重要的作用。面向“雙碳”目標(biāo)，核能中長期發(fā)展對鈾資源供應(yīng)保障、乏燃料安全管理等關(guān)鍵問題提出新要求，積極發(fā)展快堆是應(yīng)對核能乃至能源新挑戰(zhàn)的必由之路。當(dāng)前，應(yīng)立足我國國情，加快推動(dòng)核能“三步走”（熱堆、快堆、聚變堆）戰(zhàn)略實(shí)施，大力建設(shè)核能強(qiáng)國，落實(shí)能源強(qiáng)國戰(zhàn)略。

 

我國核能“三步走”戰(zhàn)略歷史沿革與成績

 

我國始終堅(jiān)持核能“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。1983年1月，原國家科委、原國家計(jì)委、原國家經(jīng)委在北京召開“核能發(fā)展技術(shù)政策論證會(huì)”，制定《核能發(fā)展技術(shù)政策要點(diǎn)》，提出核能“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。當(dāng)時(shí)認(rèn)為，根據(jù)我國核工業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)合理的原則，我國第一代核電站堆型主要采用壓水堆；為適應(yīng)核能進(jìn)一步發(fā)展需求，開展快中子增殖堆研究，作好技術(shù)儲(chǔ)備，適當(dāng)安排快中子增殖堆科研，為21世紀(jì)建設(shè)商用快堆作好技術(shù)準(zhǔn)備；能源發(fā)展的長遠(yuǎn)方向是受控核聚變反應(yīng)堆的利用。核能“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施以來，我國先后安排了鈉冷實(shí)驗(yàn)快堆、鈉冷快堆示范工程、聚變科研、放化大樓、CF燃料元件、MOX燃料、金屬燃料等環(huán)節(jié)的科研與重大工程專項(xiàng)，為核能“三步走”發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

 

自1980年代以來，我國充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢與基礎(chǔ)科研能力，以秦山一期30萬千瓦起步，同時(shí)吸收法國M310技術(shù)，研發(fā)60萬千瓦、百萬千瓦的二代熱堆核能機(jī)型，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化批量化發(fā)展。本世紀(jì)以來，我國積極推進(jìn)“華龍一號(hào)”“國和一號(hào)”自主三代核電技術(shù)研發(fā)?，F(xiàn)階段，我國熱堆已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了二代向三代升級換代，實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化、批量化、國產(chǎn)化發(fā)展。截至2023年6月底，我國在運(yùn)核電機(jī)組55臺(tái)，總裝機(jī)容量為5700萬千瓦，位列全球第三；在建核電機(jī)組23臺(tái)，總裝機(jī)容量為2600萬千瓦，接近全球總量的一半，多年位居全球首位。

 

我國快堆技術(shù)研究始于1960年代，經(jīng)過基礎(chǔ)研究階段、實(shí)驗(yàn)快堆應(yīng)用研究階段、實(shí)驗(yàn)快堆工程研發(fā)和建造階段、示范快堆科研設(shè)計(jì)與建造階段，建成了6.5萬千瓦熱功率的中國實(shí)驗(yàn)快堆，實(shí)現(xiàn)了快堆技術(shù)從0到1的突破，建成了快堆及核燃料閉式循環(huán)試驗(yàn)的循環(huán)體系，形成了完備的科研技術(shù)體系，基本掌握了大型鈉冷快堆的工藝技術(shù)、工程設(shè)計(jì)、關(guān)鍵設(shè)備研制、建造、調(diào)試和運(yùn)行技術(shù)。此外，我國600兆瓦電功率的快堆示范工程分別于2017年、2019年開工建設(shè)，預(yù)計(jì)“十四五”期間將建成投入運(yùn)行。

 

我國核聚變能研究開始于1950~1960年代，以實(shí)現(xiàn)受控核聚變能為主要目標(biāo)，磁約束的研究基本基于托卡馬克裝置。國際上，我國是最早參與國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）設(shè)計(jì)的國家之一，全面參與了ITER的建設(shè)，實(shí)施了一系列聚變堆制造技術(shù)的攻關(guān)，工程技術(shù)和核聚變研究能力不斷提升。國內(nèi)，我國從1970年代開始，先后建成并運(yùn)行了CT—6、KT—5、HT—6B、HL—1、HT—6B、EAST、HL-2M等核聚變裝置，工程技術(shù)研發(fā)不斷提升，在聚變理論與物理實(shí)驗(yàn)、關(guān)鍵技術(shù)研究等方面取得了階段性成果。

 

“三步走”的定位

 

熱堆技術(shù)最成熟且具有顯著的經(jīng)濟(jì)性，是近中期核電建設(shè)的主力堆型，是百年尺度的能源。熱堆利用的是中子能量小于0.1 eV的熱中子，使用的燃料是鈾-235。熱堆技術(shù)應(yīng)用已達(dá)70年歷史，其技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)性、安全性不斷提升，已成為全球在運(yùn)在建的主要堆型。天然鈾中鈾-235占比0.711%，根據(jù)《2022鈾資源供需紅皮書》顯示，全球已查明可回收鈾資源總量約792萬tU（開采成本<260美元/千克鈾），全球已探明鈾資源可供全球核電機(jī)組使用130年。

 

快堆是富有潛力的核能技術(shù)，將成為中遠(yuǎn)期核能建設(shè)的主力堆型，被認(rèn)為是千年尺度能源?？於牙玫氖侵凶幽芰看笥?00000 eV的快中子，具有燃料增殖、高放廢物嬗變、固有安全等優(yōu)勢，經(jīng)過快堆及配套的燃料循環(huán)，理論上可提升鈾資源利用率40倍以上。目前快堆正由實(shí)驗(yàn)堆（原型堆）轉(zhuǎn)向示范堆、商業(yè)堆，其潛在的商業(yè)價(jià)值被核能界寄予厚望，2040年以后核電建設(shè)宜以快堆為主力堆型。

 

聚變堆是顛覆性的核能技術(shù)，是遠(yuǎn)期建設(shè)的主力堆型，能夠解決萬年尺度的能源問題。聚變能資源豐富、環(huán)境友好、固有安全，以氘氚為初裝料，理論上聚變能被認(rèn)為是萬年尺度的能源，是未來的理想能源。一旦聚變能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，將對人類能源產(chǎn)生顛覆性影響。根據(jù)當(dāng)前ITER計(jì)劃進(jìn)展及技術(shù)難點(diǎn)，初步判斷，2050年以后，聚變堆能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)電。

 

“雙碳”目標(biāo)下我國核能總體規(guī)模與“三步走”思路

 

“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要核能，裝機(jī)規(guī)模增長空間很大。核電運(yùn)行穩(wěn)定，換料周期長，是當(dāng)前乃至未來一段時(shí)間內(nèi)唯一可以大規(guī)模替代化石能源的基荷電源，也是全生命周期碳排放最少的電源，在清潔替代和能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命的轉(zhuǎn)型中具有突出的優(yōu)勢。從我國當(dāng)前的發(fā)展階段來看，科學(xué)安全有序推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)離不開核能。從脫碳需求及電力裝機(jī)電量平衡預(yù)測，2060年核電裝機(jī)規(guī)模需要達(dá)到4億千瓦以上才能實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

 

從總體裝機(jī)規(guī)?？矗覈?035年，預(yù)計(jì)在運(yùn)在建核電裝機(jī)合計(jì)約2億千瓦，其中在運(yùn)核電裝機(jī)約1.65億千瓦，在建裝機(jī)約4315萬千瓦，發(fā)電量占比達(dá)到10%，與當(dāng)前全球的平均水平（10%）保持一致。到2060年，預(yù)計(jì)我國在運(yùn)在建核電裝機(jī)容量合計(jì)達(dá)到4.76億千瓦，其中在運(yùn)裝機(jī)容量4.28億千瓦，在建裝機(jī)容量4720萬千瓦，發(fā)電量占比達(dá)到21.3%，超過當(dāng)前全球發(fā)達(dá)國家的平均水平（20%），達(dá)到全球先進(jìn)水平。

 

熱堆機(jī)組已經(jīng)為我國能源轉(zhuǎn)型作出了重要貢獻(xiàn)，面向“雙碳”目標(biāo)，仍將作為在運(yùn)核電機(jī)組的主力堆型，為我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和發(fā)揮重要作用。到2060年，我國熱堆在運(yùn)在建裝機(jī)規(guī)模將達(dá)3億千瓦，其中在運(yùn)裝機(jī)規(guī)模約2.75億千瓦，在建裝機(jī)規(guī)模約1920萬千瓦，核能多用途利用在更廣泛領(lǐng)域支持清潔低碳轉(zhuǎn)型，核能供熱規(guī)模不斷增大，核能海水淡化技術(shù)不斷突破，規(guī)?；瘧?yīng)用初現(xiàn)成效，核能制氫實(shí)現(xiàn)多場景應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)性不斷提升。

 

快堆是維持核能大規(guī)模發(fā)展的必然選擇，與熱堆構(gòu)成“二元”核能體系，推進(jìn)核能可持續(xù)發(fā)展。快堆核能系統(tǒng)發(fā)展按照“實(shí)驗(yàn)堆-示范堆-商用堆-一體化快堆”推進(jìn)，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升經(jīng)濟(jì)性，成為我國核能系統(tǒng)重要組成。到2060年，預(yù)計(jì)我國快堆在運(yùn)在建裝機(jī)規(guī)模約1.8億千瓦，其中在運(yùn)裝機(jī)規(guī)模1.53億千瓦，在建裝機(jī)規(guī)模2800萬千瓦。

 

聚變技術(shù)以實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兡転橹饕繕?biāo)，以發(fā)展托卡馬克可控磁約束聚變?yōu)橹饕夹g(shù)路線，以發(fā)展氘氚聚變?yōu)榫圩兡艿闹饕@取方式，充分吸收ITER計(jì)劃的經(jīng)驗(yàn)，掌握核聚變技術(shù)。2030年，實(shí)現(xiàn)可控核聚變；2040年，建成聚變先導(dǎo)工程實(shí)驗(yàn)堆，實(shí)現(xiàn)聚變能量輸出；2045年，我國聚變示范堆建成，演示氚自持；2050年及以后，建成聚變商用堆，實(shí)現(xiàn)聚變能源應(yīng)用，逐步提升經(jīng)濟(jì)性，積極推廣商業(yè)化。

 

發(fā)展建議

 

加強(qiáng)頂層統(tǒng)籌，制定國家層面《中國核能“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略》。根據(jù)國家發(fā)展需求，充分考慮我國核工業(yè)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展?jié)摿?，編制《核?ldquo;三步走”發(fā)展戰(zhàn)略》，制定出具有前瞻性、全局性、權(quán)威性和可操作性的核能“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施技術(shù)路線，制定面向長遠(yuǎn)的發(fā)展規(guī)劃，引領(lǐng)我國核能長遠(yuǎn)發(fā)展。

 

實(shí)施重大專項(xiàng)牽引，將一體化快堆核能系統(tǒng)列入國家科技重大專項(xiàng)。盡快推進(jìn)一體化快堆國家科技專項(xiàng)和金屬燃料等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工作；設(shè)立具有固有安全、經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)境友好、資源節(jié)約特征的先進(jìn)快堆技術(shù)專項(xiàng)工程。

 

優(yōu)化基礎(chǔ)科研條件，建設(shè)一批核領(lǐng)域重大工程。建設(shè)（超）高通量快中子研究堆、核能系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備可靠性研究設(shè)施等大型核科研設(shè)施，設(shè)立鉛基快堆示范工程、嬗變堆、聚變中子源、聚變先導(dǎo)工程實(shí)驗(yàn)堆等重大工程。