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200MWe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分的238U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（τE）的乘积（常称为三重积）nTτE＞1021 m-3sKev；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，Efusion∝（nTτE）·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。由中、美、欧共体、俄、日、韩共建的国际热核实验堆（ITER）（图3），磁约束聚变的科学可行性已在托卡马克类型装置上得到实验证实（17 MW，Q~1），聚变能的开发研究进入了一个新的阶段：实现长时间的聚变燃烧，正在向聚变实验堆ITER（400 MW，Q=10)和最终建立原型聚变电站推进，必须深入进行聚变燃烧物理的理论和试验研究：包括稳态燃烧的基础与限制，加料效率的物理基础与限制；燃烧效率的物理基础与限制，稳态的加热与移能，燃烧等离子体中高能粒子的作用，破裂的物理与控制等；还必须要有强有力的过程技术支持。

惯性约束聚变在理论、实验、诊断、制靶和驱动器方面取得了长足进展。2009年美国建成国家点火装置（NIF），利用NIF装置开展了一系列靶物理实验和点火物理实验，取得重要的物理成果。实现实验室热核聚变点火，开展高温、高密度极端物理等基础前沿科学问题研究，将是未来惯性约束聚变研究的主要方向。

国际上通过合作和技术共享，共同进行核聚变研究。中国紧跟国际步伐，在受控核聚变方面开展全面而深入的研究。自2008年以来，在核能开发科学基金支持下，核聚变科学和工程成果显著。

在磁约束核聚变方面，中国建成了HL-2A和EAST实验装置，并成功实现高约束模（H-模）放电，这是中国磁约束聚变实验研究史上具有里程碑意义的重大进展，标志着中国在H-模物理机制研究和长脉冲H-模运行方面跻身国际最前沿。针对聚变科学，中国开展了约束和输运、磁流体不稳定、等离子体和器壁表面相互作用及偏滤器物理、高能量粒子物理等方面的研究，成功将电子回旋加热应用于HL-2A撕裂模主动控制，在HL-2A和EAST两大装置上实现了偏滤器位形，在高能电子激发的比压阿尔芬本征模、鱼骨模、高能量粒子模方面取得重要实验结果。在工程方面，中国设计了大型托卡马克HL-2M，建成后，将实现等离子体参数的大幅提高。大功率辅助加热系统、先进加料技术、聚变堆设计和材料的研究也取得重要进展。

在惯性约束聚变方面，中国先后研制了神光I、神光II/神光II 升级、神光III 原型/神光III 以及星光系列激光装置，形成了较完整的激光聚变研究体系，包括支撑激光器研制的元器件产生、加工和检测能力；开展了黑腔物理、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（2011—2020 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。