苏  罡（中国核电工程有限公司，北京100840）

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、造福国计民生等方面发挥了不可替代的作用[1]。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28.46 GW，世界排名第5；在建机组20台，总装机容量23.17 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、安全有保证[2]；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。

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了现代化的技术[5]（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 InnovativeNuclearReactors and Fuel Cycles ，INPRO），目标是发展可持续的革新核能系统（sustainable Innovative NuclearEnergy 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技术，利用铀资源中0.7%的235U，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99.3%的238U，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。

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%~ 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出了100多种备选的反应堆系统[7]。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。