吳宜燦,李亞洲,金 鳴,陳珊琦,王明煌,鄒小亮,汪 進(jìn),王 芳,周 濤,蔣潔瓊,宋 勇,宋 婧,楊 琪,吳慶生,劉 超,灑榮園,張 勇,王 磊,陳建偉,高 勝,李春京,柏云清,趙柱民,胡麗琴,FDS鳳麟核團(tuán)隊(duì)

(1.中子科學(xué)國(guó)際研究院,山東 青島266041;2.中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所,安徽 合肥230031)

能源是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的重要支柱之一。近年來(lái)全球氣候變暖已成為威脅人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一,向低碳結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型逐漸為全球共識(shí)[1]。為減少溫室氣體排放,增強(qiáng)應(yīng)對(duì)氣候變化能力,全球195個(gè)國(guó)家共同締結(jié)“巴黎協(xié)定”,旨在未來(lái)將全球氣溫升高幅度控制在2℃的范圍內(nèi)。2020年9月,國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出中國(guó)將努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[2],為我國(guó)減排工作設(shè)置了時(shí)間表。核能作為一種發(fā)電過程中不產(chǎn)生CO2等溫室氣體的低碳能源,未來(lái)發(fā)展前景廣闊。截至2020年12月,全球共442座核發(fā)電機(jī)組在運(yùn),裝機(jī)容量為391 GW,年減少CO2排放量20多億噸[3]。

然而,核能發(fā)展自身也存在一些挑戰(zhàn),比如核安全問題、核廢料處置問題和公眾接受度問題等。為了解決這些問題和挑戰(zhàn),不同的核能系統(tǒng)概念不斷被提出,新的技術(shù)也不斷發(fā)展。2002年,美國(guó)牽頭相關(guān)國(guó)家發(fā)起了第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇(GenerationⅣInternational Forum,GIF),約定合作研究開發(fā)第四代核能系統(tǒng)。GIF組織在提出第四代核能系統(tǒng)概念的同時(shí),也對(duì)其他各代核能系統(tǒng)進(jìn)行劃分[4],如圖1所示。將20世紀(jì)50～60年代建設(shè)的原型核電站稱為第一代核能系統(tǒng)。20世紀(jì)70～80年代建設(shè)的商用核電站稱為第二代核能系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代按照用戶要求文件(Utility R equirement Document,URD)等開發(fā)的更安全、更經(jīng)濟(jì)的先進(jìn)輕水堆稱為第三代核能系統(tǒng)。URD是由工業(yè)界牽頭組織制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),推動(dòng)他們?yōu)檎碱I(lǐng)核電市場(chǎng)而開發(fā)更安全、更經(jīng)濟(jì)、更先進(jìn)的核電系統(tǒng),體現(xiàn)了一種政府和工業(yè)界之間合作的新模式[5]。第四代核能系統(tǒng)主要解決核能同當(dāng)時(shí)美國(guó)新興起的天然氣相比,在經(jīng)濟(jì)性上不具競(jìng)爭(zhēng)力,以及政府在核擴(kuò)散方面的擔(dān)憂和公眾在核安全和核廢料處置方面的擔(dān)憂等問題[6]。

圖1 GIF國(guó)際組織提出第四代核能系統(tǒng)路線圖[4]Fig.1 Roadmap of generationⅣby GIF[4]

2020年國(guó)際能源署(IEA)的研究報(bào)告表明,受新冠疫情沖擊全球能源需求短期內(nèi)有所下降[7]。其實(shí),2011年日本福島核事故后,已經(jīng)有部分國(guó)家摒棄了核能的發(fā)展,而且核能在現(xiàn)今能源結(jié)構(gòu)中面臨著技術(shù)不斷成熟且價(jià)格不斷下降的可再生能源的激烈競(jìng)爭(zhēng),核能系統(tǒng)亟需技術(shù)革新和代際突破[8]。因此,本文將對(duì)此進(jìn)行探討,通過未來(lái)能源結(jié)構(gòu)對(duì)于核能需求的分析,剖析現(xiàn)有核能系統(tǒng)的局限性,在此基礎(chǔ)上提出第五代核能系統(tǒng)“核5G”(N5G)的概念以及所需具備的技術(shù)特征,并梳理未來(lái)發(fā)展所需的關(guān)鍵技術(shù)。

1 未來(lái)能源結(jié)構(gòu)對(duì)于核能的需求

1.1 核能作為一種低碳高密度能源,具有廣闊的應(yīng)用前景

在全球共同面對(duì)氣候變暖和減少碳排放的背景下,低碳能源的需求將達(dá)到新的高峰。然而,目前核能在終端能源中的占比較低。根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)報(bào)告[9],2018年電力在世界的終端能源中的占比約為18.8%,而核能發(fā)電量在電力中的占比為10.2%。換言之,核電在終端能源中的占比不足2%,并沒有充分發(fā)揮出核能在低碳方面的優(yōu)勢(shì)。另外,隨著能源網(wǎng)絡(luò)的全球化,能源的傳輸與分配過程愈發(fā)引起關(guān)注,如何降低該過程中的能量傳輸損失和成本,是在不同能源選項(xiàng)中決策的重要依據(jù)。在近期可預(yù)見的時(shí)間內(nèi),即使考慮核能低碳屬性,充分發(fā)揮其滿足電力需求和應(yīng)對(duì)氣候變化方面的作用,目前全球鈾資源仍不會(huì)成為制約核能發(fā)展的限制因素[10]。而且核資源的儲(chǔ)能密度高,極少質(zhì)量的燃料就能釋放出巨大的能量,這是目前的化石能源和可再生能源難以相提并論的,因此在實(shí)現(xiàn)能源在全球范圍的低能耗、快速、經(jīng)濟(jì)部署方面,核能具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

美、法、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家均經(jīng)歷了以煤炭等化石能源為主導(dǎo)逐步向低碳能源為主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,現(xiàn)在這一轉(zhuǎn)變逐步擴(kuò)展到發(fā)展中國(guó)家和地區(qū)。Mallapaty等研究中國(guó)如何在2060年之前達(dá)到碳中和問題時(shí)[2],發(fā)現(xiàn)不同研究機(jī)構(gòu)的共識(shí)是中國(guó)應(yīng)該從采用低碳資源發(fā)電做起,之后再將電應(yīng)用于其他領(lǐng)域。清華大學(xué)張希良課題組的能源情景建模分析認(rèn)為:中國(guó)要實(shí)現(xiàn)2060年達(dá)到碳中和的目標(biāo),電力生產(chǎn)較之于目前需要增加1倍以上,其中核電需要增加6倍。根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所的能源情景建模,為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)到2050年發(fā)電量將翻一番,核電需要增加10倍。此外,能源網(wǎng)絡(luò)全球化也為核能的發(fā)展帶來(lái)了動(dòng)力。研究表明,采用純電力模式實(shí)現(xiàn)全球能源的再分配將面臨長(zhǎng)距離電力傳輸能量損失大,輸電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本高的困難,Shih等在研究中重點(diǎn)考慮了能量傳輸與分配環(huán)節(jié),并推薦采用能量密度較高的液態(tài)燃料來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳輸與分配[11]。依此類推,作為高能量密度的固態(tài)能源模式,核能也是理想的能量傳輸與分配的類型。

1.2 傳統(tǒng)核能供給體現(xiàn)出“單一孤立”特點(diǎn)

核能在面臨發(fā)展機(jī)遇同時(shí),也面臨著可再生能源的挑戰(zhàn)。2010年至2019年期間世界太陽(yáng)能總裝機(jī)容量從41.55 GW擴(kuò)展到584.84 GW,以年均超過20%的速度遞增;風(fēng)能總裝機(jī)容量從180.85 GW擴(kuò)展到622.41 GW,以年均超過10%的速度遞增[12]。根據(jù)2019年《國(guó)家發(fā)改委關(guān)于完善風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》和《國(guó)家發(fā)改委關(guān)于完善光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)機(jī)制有關(guān)問題的通知》,無(wú)論風(fēng)能還是太陽(yáng)能,其設(shè)定的標(biāo)桿電價(jià)指導(dǎo)價(jià)都已經(jīng)接近甚至優(yōu)于核電的標(biāo)桿電價(jià)0.43元/千瓦時(shí),而且兩者的價(jià)格變化趨勢(shì)處于相反的方向。即可再生能源的經(jīng)濟(jì)成本隨技術(shù)成熟在不斷降低[13],而核能的經(jīng)濟(jì)成本卻由于核事故發(fā)生以及對(duì)于核安全的關(guān)注不斷提高。如果核能繼續(xù)延續(xù)過去數(shù)十年的“單一孤立”發(fā)展模式,未來(lái)發(fā)展無(wú)疑將面臨極大的挑戰(zhàn)[14]。

核能系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)在實(shí)際供能中逐步遠(yuǎn)離終端用戶,基本上收縮到“單一”地向大型電網(wǎng)供電的模式上,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明目前僅不到1%的核能用于供熱等非電應(yīng)用[15],變成了一種與消費(fèi)市場(chǎng)相對(duì)隔離的、與用戶“孤立”的能源供給方式。此外,核能“單一孤立”發(fā)展模式還體現(xiàn)在與其他能源的匹配與互動(dòng)方面,核能一直以基荷能源的形式存在,即它不參與能源供給過程中的調(diào)節(jié)與分配,在一定程度上導(dǎo)致了核能走向固化死板的發(fā)展路線。同時(shí),新建反應(yīng)堆單堆功率水平多在GW量級(jí),無(wú)法適用于電力需求增速較快的新興經(jīng)濟(jì)體國(guó)家中普遍存在的中小型能源網(wǎng)絡(luò),以及廣闊的非電應(yīng)用市場(chǎng)。如何打破當(dāng)前核能的“單一孤立”困境,實(shí)現(xiàn)核能與化石能源、可再生能源等的協(xié)同發(fā)展,是突破核能發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵課題。

1.3 未來(lái)能源需求體現(xiàn)出“多元共生”特點(diǎn)

任何國(guó)家從能源安全角度都不可能僅發(fā)展一種能源,未來(lái)能源需求必將體現(xiàn)出多元共生的特點(diǎn)。下一代核能系統(tǒng)為打破“單一孤立”的束縛,實(shí)現(xiàn)與其他能源以及用戶需求更加緊密的有機(jī)結(jié)合,可以從兩個(gè)維度著手,一是與其他能源的關(guān)系,二是與用戶的關(guān)系。

在與其他能源關(guān)系方面,需要建立混合能源系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)同其他低碳能源的“多元共生”關(guān)系。隨可再生能源份額的不斷上漲,其能源形式的自身局限也逐步顯現(xiàn),例如以風(fēng)、水、光和生物質(zhì)能等為代表的可再生能源的能量密度低、資源稟賦不穩(wěn)定,無(wú)法連續(xù)穩(wěn)定地提供電力。因此,核能與可再生能源具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性。經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織核能署(OECD/NEA)啟動(dòng)的核能創(chuàng)新2050計(jì)劃,重點(diǎn)就核能與可再生能源結(jié)合形成的混合能源系統(tǒng)展開研究[16],國(guó)家能源局的榮健等也建議形成低碳系統(tǒng)混合系統(tǒng)[17],其通過結(jié)合核能和可再生能源的各自優(yōu)點(diǎn),將核能用作一種可靈活調(diào)節(jié)的低碳能源,與可再生能源在同一電網(wǎng)中使用以維持電網(wǎng)的穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)核能與可再生能源的“共生”,當(dāng)然這要求核能不只作為基荷進(jìn)行發(fā)電,還必須具備靈活、快速的功率調(diào)節(jié)能力。近年唐志永等也提出了可以利用核能的高溫制氫,將煤等高含碳資源和核能耦合,可以協(xié)助把煤轉(zhuǎn)化為高端的化工原料,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了核能-碳基低碳復(fù)合能源系統(tǒng)[18]。因此,沒有任何一種能源具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),但通過核能與其他能源或產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的“共生”,可以將多種能源整合形成混合能源系統(tǒng),可以充分發(fā)揮各種能源形式的優(yōu)勢(shì),是未來(lái)發(fā)展的方向。

在用戶角度的能源需求方面,對(duì)于核能發(fā)展的關(guān)注應(yīng)逐步從供給側(cè)過渡到需求側(cè),直接瞄準(zhǔn)用戶需求輸出多元產(chǎn)品。核能本身就是一種高溫、高功率密度、長(zhǎng)期穩(wěn)定的能源,未來(lái)的核能應(yīng)可以與多元化的用戶需求直接結(jié)合(電力、熱、淡水、化工產(chǎn)品等),進(jìn)行從供給側(cè)到需求側(cè)的改革,實(shí)現(xiàn)核能更廣泛的應(yīng)用,與用戶共生發(fā)展:

(1)一站式供能。核能可實(shí)現(xiàn)電/冷/熱等不同終端能源的多元聯(lián)供,直接供給周邊用戶。例如化石能源供暖導(dǎo)致的霧霾,若采用核能供暖將有利于問題的解決;還可以使用核熱進(jìn)行海水淡化,以服務(wù)于海島或?yàn)I海的淡水缺乏地區(qū),比如我國(guó)500 m2以上的海島約7 000個(gè),核能系統(tǒng)有望成為區(qū)域能源中心。

(2)微電網(wǎng)供電。在不易進(jìn)行補(bǔ)給的地區(qū),可利用核能長(zhǎng)時(shí)間供電。例如戰(zhàn)略基地需要確保供電的隱蔽和持久,海上平臺(tái)可使用核能替代化石能源從而提高經(jīng)濟(jì)性;核能系統(tǒng)也可作為多能源架構(gòu)分布式微電網(wǎng)的重要組成部分。

(3)非動(dòng)力工業(yè)供給。高溫工藝供熱一直是工業(yè)領(lǐng)域的重要耗能方向,核能可作為高溫工藝供熱的低成本熱源。比如氫能是未來(lái)能源的潛在儲(chǔ)存方式之一,在儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能時(shí)間上優(yōu)勢(shì)顯著,而利用核能有望提供實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫儲(chǔ)能的新路徑。

(4)移動(dòng)伴隨式供電。以深空探測(cè)等為代表的移動(dòng)裝備需要伴隨式、長(zhǎng)續(xù)航的供電,以解決現(xiàn)有太陽(yáng)能供電功率密度低,且遠(yuǎn)離太陽(yáng)時(shí)功率逐步下降的問題。另外車載移動(dòng)高功率電源、無(wú)人車輛、潛航器的驅(qū)動(dòng)力也是小型化核能未來(lái)潛在的應(yīng)用場(chǎng)景。

(5)戰(zhàn)略平臺(tái)動(dòng)力。以核能作為艦船、水下潛航器、航空器的動(dòng)力,可實(shí)現(xiàn)數(shù)年無(wú)須補(bǔ)充燃料,擺脫距離約束,大幅提升戰(zhàn)略平臺(tái)的效能。

1.4 核能系統(tǒng)在多元共生能源結(jié)構(gòu)中應(yīng)發(fā)揮的作用

目前,傳統(tǒng)的以化石能源為基礎(chǔ)的能源系統(tǒng)以電網(wǎng)為中心,間接將能源傳輸和轉(zhuǎn)化到用戶。為了更好的實(shí)現(xiàn)能源安全保障,提升多元能源需求的供給能力,降低能源傳輸?shù)膿p耗,建議結(jié)合核能低碳、穩(wěn)定、高功率密度的特征,構(gòu)建包含下一代核能在內(nèi)的多元共生的能源系統(tǒng)構(gòu)架和分配體系,如圖2所示。

其中,傳統(tǒng)核能在能源系統(tǒng)中主要連接大型電網(wǎng),不參與用戶的直接需求。用戶的多元需求或由其他能源直接供給,或由電網(wǎng)轉(zhuǎn)化后再進(jìn)行分配,兩條能源分配路徑中,核能都無(wú)法直接參與。并且其他低碳能源未來(lái)快速發(fā)展將使得能源供給存在不穩(wěn)定性,必須依賴儲(chǔ)能或大型電網(wǎng)消納,這也限制了低碳能源的整體發(fā)展。

新一代核能應(yīng)在整個(gè)能源體系中直接參與多元直接供給,與其他低碳能源共生,提供直接面向用戶的能源,實(shí)現(xiàn)對(duì)能源分配和傳輸路徑的大幅簡(jiǎn)化。一方面通過與其他低碳能源結(jié)合互補(bǔ),整體滿足區(qū)域供電,并向大型電網(wǎng)的輸出,另一方面核能也可直接參與多元的直接供給,減少對(duì)于化學(xué)能的依賴。

核能參與整體能源系統(tǒng)的分配中,可大幅減少能源傳輸和分配路徑,無(wú)論在電力線還是其他能源線都直接參與到用戶需求中,另一方面隨著低碳能源份額不斷上升,電網(wǎng)不穩(wěn)定性面臨的問題愈發(fā)顯著,利用核能自身優(yōu)勢(shì)形成共生系統(tǒng),可提升電力系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

1.5 早期多元應(yīng)用嘗試因核安全理念未獲突破而以失敗告終

事實(shí)上傳統(tǒng)核能自20世紀(jì)50年代開始,在之后的60～70年代也曾進(jìn)入一輪發(fā)展高潮,但受三哩島、切爾諾貝利、福島核事故的影響,核能在能源結(jié)構(gòu)中的作用一直未得到充分發(fā)揮,如圖3所示。

圖3 世界核電機(jī)組數(shù)量變化圖Fig.3 The trend of nuclear power plants in the world

其實(shí),核能早期也曾被嘗試應(yīng)用于諸多領(lǐng)域,例如陸上移動(dòng)小型核電站、空間核電源、核潛艇和核航母以及民用船舶等。甚至還曾經(jīng)出現(xiàn)過更激進(jìn)的概念,比如20世紀(jì)50～70年代提出核動(dòng)力汽車和核動(dòng)力飛機(jī)的構(gòu)想等。然而上述絕大應(yīng)用構(gòu)想已經(jīng)消亡,究其根本原因在于未能在核安全方面,特別是公眾接受方面獲得根本性突破。

雖然一些概念未能獲得實(shí)際應(yīng)用,但也為擴(kuò)展核能應(yīng)用方向積累了經(jīng)驗(yàn),以小型模塊化堆(Small Modular Reactors,SMR)為代表的發(fā)展方向,選擇了與越來(lái)越大單堆功率的核電站相悖的技術(shù)路徑,提出了非能動(dòng)安全、模塊化建造、單堆功率限制與多堆組合等創(chuàng)新思路,其蘊(yùn)含了多元共生的部分思想,借鑒SMR的一些發(fā)展理念,可以更好的服務(wù)于第五代核能系統(tǒng)。

2 “核5G”概念與技術(shù)特征

2.1 多元共生需要核安全的理念革新

核安全是核能發(fā)展的生命線,新一代核能系統(tǒng)為滿足人類社會(huì)對(duì)能源的多元化需求,實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用,最重要、最根本的就是確保核安全。

回顧整個(gè)安全理念的發(fā)展歷史,從三哩島核事故到切爾諾貝利核事故,再到福島核事故,一方面事故反映了人類的認(rèn)知缺陷所在;另一方面也在不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),試圖通過不斷增加安全系統(tǒng)提高核能系統(tǒng)的安全性。三哩島核事故使得人類認(rèn)識(shí)到嚴(yán)重事故是可能發(fā)生的,于是在設(shè)計(jì)中增加安全系統(tǒng)的冗余度和應(yīng)對(duì)嚴(yán)重事故的系統(tǒng)和設(shè)備;切爾諾貝利核事故揭示了體制和組織失效的重要性,從而提出了核安全文化的概念;日本福島核事故后,人們意識(shí)到極端自然災(zāi)害可能造成嚴(yán)重后果,于是著手在共因失效、陡邊效應(yīng)、全場(chǎng)斷電等方面進(jìn)行補(bǔ)丁式的設(shè)計(jì)加強(qiáng)。

總結(jié)這些歷史教訓(xùn),可看出前期的核安全理念被緊緊束縛在縱深防御(Defense-In-Depth,DID)之上,通過不斷疊加新的防御層次、措施和系統(tǒng),試圖通過這種方式阻止下一次重大核事故。然而,這種基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)改進(jìn),能夠預(yù)防下一次核事故的發(fā)生嗎?這個(gè)問題被反復(fù)提出和思考,但依賴層累式的安全模式卻可能使得我們離預(yù)知下一次核事故原因愈來(lái)愈遠(yuǎn)。

因此在縱深防御之外,也出現(xiàn)了安全理念的新思路和新方向。即從“復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善”轉(zhuǎn)向“反應(yīng)堆設(shè)計(jì)根本變革”,通過物理參數(shù)、概念設(shè)計(jì)、材料特性等,從物理源頭消除原來(lái)通過工程手段才能化解的風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)無(wú)需干預(yù)的安全,并從流程上確保核安全。因此,應(yīng)該在新一代的核能系統(tǒng)中采用“從源頭確保核安全”的安全理念[19],并貫徹于系統(tǒng)的全生命周期,來(lái)保障安全的內(nèi)在一致性,一方面要盡可能的利用和設(shè)計(jì)物理上的本質(zhì)安全來(lái)消除不斷累加工程措施帶來(lái)的復(fù)雜性,另一方面要從設(shè)計(jì)之初就將固有安全性融入方案中進(jìn)而避免在后續(xù)過程中不斷補(bǔ)丁式增加手段,這應(yīng)是核能滿足多元共生需求所需的根本安全理念[20,21]。

2.2 “核5G”概念的提出

在安全理念革新的基礎(chǔ)上,為實(shí)現(xiàn)多元共生的目標(biāo),下一代反應(yīng)堆應(yīng)基于以往堆型例如第三代核能系統(tǒng)、第四代核能系統(tǒng)技術(shù)要求的基礎(chǔ)上,在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中具備一些新的技術(shù)特征,具體如下:

單單是想通過新文人流派來(lái)實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)粉彩人物到現(xiàn)代粉彩人物的轉(zhuǎn)型還是相對(duì)困難的，其處境于新文人畫相似。新文人畫由于轉(zhuǎn)型的失敗逐漸衰退。這個(gè)時(shí)期一些新的流派悄然興起，猶如雨后春筍一般屹立在陶瓷繪畫行業(yè)。其中有很大一部分畫家起初就是師承傳統(tǒng)的民間藝術(shù)風(fēng)格，之后也融入了些許現(xiàn)代元素，這部分畫家可以稱作現(xiàn)代民間粉彩人物瓷畫流派。

(1)親近性(Proximity)。多元化應(yīng)用場(chǎng)景中,需要一定程度擺脫現(xiàn)有核能系統(tǒng)與人員苛刻的距離限制,例如在多能源中心的微電網(wǎng)中,需要接近其他能源和用戶;供熱堆如果距離遠(yuǎn)則會(huì)導(dǎo)致熱損失大;核動(dòng)力船舶、浮動(dòng)核電站等平臺(tái)需載人運(yùn)行,要求系統(tǒng)安全性達(dá)到足夠高的水平,滿足對(duì)周邊人員的健康保護(hù)等。因此核能系統(tǒng)本身應(yīng)超出“技術(shù)上消除場(chǎng)外應(yīng)急”的安全要求,充分利用發(fā)展的設(shè)計(jì)和安全優(yōu)勢(shì),并最大限度減少高放廢物產(chǎn)生和處置量,消除系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境的可能影響以及人們對(duì)于核能長(zhǎng)期發(fā)展的擔(dān)憂,為此提出親近性的要求。

(2)靈活性(Flexibility)。為滿足多元化應(yīng)用的需求,適用不同場(chǎng)景、環(huán)境和運(yùn)行模式,例如在海陸空天等不同場(chǎng)景下的移動(dòng)式應(yīng)用等,要求供能系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)、一堆多用和功率快速調(diào)節(jié)等能力,同時(shí)借鑒小型模塊化堆/第四代核能系統(tǒng)的發(fā)展理念,實(shí)現(xiàn)功率水平的拓延和不同品種燃料的綜合利用。為此提出靈活性的要求,這是滿足多元化應(yīng)用的基礎(chǔ)特性。

(3)智能性(Intelligence)。為了進(jìn)一步降低設(shè)計(jì)和運(yùn)行難度,需綜合處理多元化、分布式或多節(jié)點(diǎn)能源網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性,例如分布式能源控制、模塊式多堆系統(tǒng)或多元能源聯(lián)供運(yùn)行模式,并需在各個(gè)環(huán)節(jié)擺脫對(duì)人員、技能的依賴,減少人因失誤,此外在太空核電源或水下核動(dòng)力等特種應(yīng)用場(chǎng)合,對(duì)人員數(shù)量有嚴(yán)格要求。為此提出智能性的要求,也是提升經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要手段。

根據(jù)能源需求的分析,以及核能發(fā)展的回顧和未來(lái)新要求的展望,在此提出“核5G”(N5G)概念:“核5G”是基于“從源頭確保核安全”的理念,發(fā)展具備親近性、靈活性、智能性等技術(shù)特征的,可滿足未來(lái)能源多元共生應(yīng)用需求的第五代核能系統(tǒng)。其核心思想如下:

(1)基于向電網(wǎng)供電的優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ),應(yīng)從單一孤立到多元共生進(jìn)行跨越,實(shí)現(xiàn)在終端能源中的占比上升;

(2)核能更廣泛的應(yīng)用勢(shì)必對(duì)安全提出了更高要求,需基于“從源頭確保核安全”等先進(jìn)思想,突破縱深防御安全理念的局限;

(3)為了從技術(shù)上滿足多元共生的應(yīng)用需求,新特征可繼承第三代、第四代核能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)特征,并借鑒小型模塊堆的一體化、模塊化等先進(jìn)設(shè)計(jì)理念,以實(shí)現(xiàn)功率和尺度的多場(chǎng)景適配。

3 “核5G”關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)前述分析,親近性、靈活性、智能性是“核5G”區(qū)別于已有核能系統(tǒng)的重要技術(shù)特征,反映了核能系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。在此對(duì)其具體內(nèi)涵進(jìn)行闡述,并初步討論“核5G”的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)思路。

3.1 親近性

以上所述的為從技術(shù)角度出發(fā)的物理親近性,同時(shí)在核能利用過程中,特別是直接服務(wù)于用戶而不通過大型電網(wǎng)轉(zhuǎn)接時(shí),公眾能否在心理上接受則更為重要,這就表現(xiàn)為心理親近性。核能相關(guān)知識(shí)的復(fù)雜性、事故影響的深遠(yuǎn)性、以及人類在核能發(fā)展初期將其用于攻擊性武器的行為在公眾心理上留下了刻板印象。因此,核安全問題不僅是技術(shù)問題,歷來(lái)也是社會(huì)問題[26]。英國(guó)社會(huì)心理學(xué)家Pidgeon 等提出了“被動(dòng)接受”:當(dāng)人們考慮到風(fēng)險(xiǎn)問題的時(shí)候,由于選擇有限,他們會(huì)選擇被動(dòng)接受[27]。無(wú)論是對(duì)于核武器的刻板印象還是對(duì)于核能的被動(dòng)接受,都使得加強(qiáng)核能風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知研究尤其重要,使得科普和教育成為核能發(fā)展所必需的工作。為此,心理親近性也應(yīng)是“核5G”重要技術(shù)特征之一。

3.2 靈活性

無(wú)論是第四代核能系統(tǒng),還是其他先進(jìn)核能系統(tǒng),都將靈活性作為重要特征之一。例如,GIF組織為了實(shí)現(xiàn)與其他可再生能源共生(Integration)及提升與其他能源的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力,開展了第四代核能系統(tǒng)靈活性的討論[28]。2017年,美國(guó)電力研究所(Electric Power Research Institute,EPRI)發(fā)布的對(duì)先進(jìn)核能系統(tǒng)靈活性的評(píng)估報(bào)告中對(duì)靈活性有系統(tǒng)闡述[29],其對(duì)靈活性的區(qū)分了三個(gè)層面,分別是運(yùn)行靈活性、部署靈活性和產(chǎn)品靈活性,并對(duì)每個(gè)層面給出了內(nèi)涵定義。但EPRI定義仍以提高大型核電站經(jīng)濟(jì)性為目的,并未適應(yīng)前述的多元應(yīng)用場(chǎng)景需求,因此我們認(rèn)為還有部分使用過程中的特殊需求需要在其內(nèi)涵中有所體現(xiàn)。為此,本文通過對(duì)EPRI的定義進(jìn)行了適當(dāng)修改和補(bǔ)充,提出了“核5G”的靈活性及其相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)如下:

(1)運(yùn)行靈活性。包括:①功率靈活調(diào)節(jié),通過提高燃料PCI(Pellet-Cladding I nteraction)耐受能力、功率變化速度等方式,實(shí)現(xiàn)堆跟機(jī)運(yùn)行以及輸出隨著負(fù)載的快速變化;②通過發(fā)展氮化物、高性能金屬燃料等先進(jìn)燃料,使反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中可使用更多樣的燃料設(shè)計(jì)、燃料結(jié)構(gòu)材料和燃料組合物運(yùn)行;③通過發(fā)展與地方、區(qū)域或國(guó)家配電網(wǎng)絡(luò)隔離運(yùn)行的能力,支持孤島模式運(yùn)行;④通過對(duì)新生產(chǎn)燃料、乏燃料、貧鈾等不同品質(zhì)燃料的適配使用,采用高增殖設(shè)計(jì)思路,極大提高燃料利用率,延長(zhǎng)一次裝料運(yùn)行時(shí)間的同時(shí)改善經(jīng)濟(jì)性。

(2)部署靈活性。包括:①功率擴(kuò)展的靈活性,通過模塊化的可擴(kuò)展布置設(shè)計(jì),使反應(yīng)堆系統(tǒng)能夠調(diào)整大小以滿足不同功率需求,或能夠逐步增加機(jī)組規(guī)模以適應(yīng)區(qū)域需求的增長(zhǎng);②選址靈活性,系統(tǒng)必須在安全上具備足夠大的裕度(例如高抗震性)和減小外部影響(大幅減少與用戶距離),且與具體環(huán)境具有較少的相關(guān)性(例如較好的包容、或空冷作為熱阱而無(wú)需大量水源),以實(shí)現(xiàn)在大多地域的可部署性,特別地,可通過發(fā)展優(yōu)異的小型化、輕量化和抗振動(dòng)手段,實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的可移動(dòng)能力,最大限度地不受地域約束進(jìn)行部署,以適配移動(dòng)供能目標(biāo);③制造靈活性,根據(jù)不同的訂購(gòu)需求,通過模塊化設(shè)計(jì)及相應(yīng)技術(shù)的提升,實(shí)現(xiàn)在工廠選配組裝大部分甚至全部部件,降低現(xiàn)場(chǎng)建造周期和費(fèi)用,并提升資金靈活性。

(3)產(chǎn)品靈活性。通過發(fā)展新型材料提高出口溫度,以及發(fā)展新型熱電轉(zhuǎn)化技術(shù)可提供更多的電能,以及提供更多高品質(zhì)或更多量的工藝熱,如溫度足夠高,還可以提供氫氣、化工產(chǎn)品等;此外,反應(yīng)堆還可以在放射性同位素的生產(chǎn)方面產(chǎn)生效益,例如生產(chǎn)60Co、89Sr、99Mo、192Ir和惰性氣體等,這將基于更為靈活的設(shè)計(jì)堆芯。

3.3 智能性

智能性體現(xiàn)貫穿在核能系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等全周期環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)智能化方面,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字反應(yīng)堆、虛擬核電站等概念和技術(shù)研究已成為目前熱門[30,31],其結(jié)合了云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)手段模擬反應(yīng)堆的物理復(fù)雜物理過程,使得在設(shè)計(jì)階段甚至運(yùn)行階段對(duì)運(yùn)行、環(huán)境影響、過程變化進(jìn)行仿真,達(dá)到系統(tǒng)化的驗(yàn)證方案、優(yōu)化設(shè)計(jì)、構(gòu)建管理模式等目的。除了在反應(yīng)堆運(yùn)行的物理方面,一般通過多層次協(xié)同,結(jié)合了多物理耦合、實(shí)時(shí)仿真等技術(shù),也可以引入社會(huì)性的、環(huán)境性、人員動(dòng)作等內(nèi)容,或結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步,發(fā)展實(shí)體堆構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的管控系統(tǒng),構(gòu)建運(yùn)行管理、核應(yīng)急規(guī)劃體系。

在制造智能化方面,無(wú)論大型核電還是小型反應(yīng)堆模塊化制造都是提高建造速度、提升經(jīng)濟(jì)性的手段和重要方向。針對(duì)小型結(jié)構(gòu)的設(shè)備而言,由于部件一體化程度的提升,結(jié)構(gòu)耦合度更高、復(fù)雜度也可能提升,3D打印等近年發(fā)展出來(lái)的先進(jìn)加工技術(shù)應(yīng)更多的得以應(yīng)用。此外,向智能制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)已成為高端裝備制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì),現(xiàn)有加工、組裝工藝技術(shù)發(fā)展中的自動(dòng)焊接等新技術(shù)、新裝備同樣可應(yīng)用于“核5G”,以提升部件質(zhì)量,降本增效,極大限度地提升建造效率。

在運(yùn)維智能化方面,美俄已在空間堆上論證了自主運(yùn)行的裂變反應(yīng)堆控制的可行性,智能性在運(yùn)行過程中的引入有助于減少或不依賴于人的干預(yù),并能容納一個(gè)完整的、全系統(tǒng)方法的控制,將智能診斷方法、自主運(yùn)行系統(tǒng)等技術(shù)推廣到“核5G”上將有利于降低運(yùn)行成本、實(shí)現(xiàn)無(wú)人操控;在維修過程中,很多工作環(huán)境人無(wú)法到達(dá),利用檢修機(jī)器人代替人進(jìn)行故障診斷和維修作業(yè)將是必然發(fā)展方向;在耦合其他能源方面,建立利用現(xiàn)代信息技術(shù)、控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化已成為普遍的共識(shí),以實(shí)現(xiàn)安全、可靠地連接各種可再生能源電源、分布式能源電源和分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)等。

因此,未來(lái)“核5G”應(yīng)具備親近性、靈活性和智能性的技術(shù)特征。近年來(lái)也已經(jīng)出現(xiàn)了在此方面的探索和實(shí)踐,比如具有超安全、超小型、超長(zhǎng)效的技術(shù)特點(diǎn)、采用特種液態(tài)金屬(鉛/鉍/鋰等)作為冷卻工質(zhì)的超小型可移動(dòng)式先進(jìn)核能系統(tǒng)“核電寶”[32,33],已被世界核協(xié)會(huì)(WNA)收錄,相信未來(lái)將有更多具備上述技術(shù)特征的反應(yīng)堆概念出現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

能源利用與環(huán)境相容是可持續(xù)發(fā)展關(guān)注的重要問題。核能作為一種低碳能源,將是未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的重要組成之一。核能歷經(jīng)七十余年的發(fā)展,目前第三代核能系統(tǒng)已經(jīng)建成,第四代核能系統(tǒng)也在緊鑼密鼓的研發(fā)中。近期中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)布的2020年十個(gè)重大科學(xué)問題,其中“第五代核能系統(tǒng)”作為能源領(lǐng)域唯一入選的科學(xué)問題,反映了對(duì)下一代核能系統(tǒng)的集中關(guān)切[34]。然而,目前核能系統(tǒng)仍然體現(xiàn)出單一孤立的特點(diǎn),一方面缺少靈活性,未能實(shí)現(xiàn)與其他能源耦合互動(dòng)。另一方面,與能源用戶實(shí)際需求缺少直接關(guān)聯(lián)。為此,如何實(shí)現(xiàn)從單一孤立到多元共生的跨越,成為下一代核能系統(tǒng)需要關(guān)注與回答的問題。本文在分析未來(lái)能源結(jié)構(gòu)對(duì)核能需求以及核能自身發(fā)展所面臨問題的基礎(chǔ)上,提出了“核5G”概念?！昂?G”是基于“從源頭確保核安全”的基本理念,具備親近性、靈活性、智能性等技術(shù)特征,可滿足未來(lái)能源多元化應(yīng)用需求的第五代核能系統(tǒng)?？傊?第五代核能系統(tǒng)概念及其特征需要很好的提煉和總結(jié),這對(duì)于未來(lái)核能的發(fā)展至關(guān)重要,本文的工作尚屬初步探討,很多內(nèi)容和觀點(diǎn)還不夠成熟,后續(xù)還需要行業(yè)內(nèi)共同努力研討和進(jìn)一步完善。

致謝

本工作得到FDS鳳麟核團(tuán)隊(duì)其他成員的大力支持。