競(jìng)逐第四代核能

張慧

在全球在建核電都逐步過(guò)渡到三代技術(shù)的同時(shí)，第四代核能系統(tǒng)已經(jīng)成為全球核能研究人員在未來(lái)多年內(nèi)重點(diǎn)研究的課題。

2014年4月中旬，在北京舉辦的第十三屆中國(guó)國(guó)際核工業(yè)展覽會(huì)上，中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中國(guó)核建”）在其展臺(tái)展示的主角是60萬(wàn)千瓦球床模塊式高溫氣冷堆商用核電站主題模型。

作為當(dāng)前中國(guó)核建重點(diǎn)推薦的堆型之一，高溫氣冷堆被稱(chēng)為“具有第四代核能系統(tǒng)特征”的先進(jìn)堆型，在這個(gè)以“三代核電技術(shù)”為主流的展廳內(nèi)，引來(lái)不少參展觀眾對(duì)它的關(guān)注。

而與此同時(shí)，其示范工程——位于山東榮成的石島灣高溫氣冷堆項(xiàng)目正在抓緊時(shí)間建設(shè)中。2007年1月，中國(guó)核建和中國(guó)華能集團(tuán)公司、清華大學(xué)合作，各出資32.5%、47.5%、和20%組建了石島灣核電公司，負(fù)責(zé)示范工程的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理。

此示范項(xiàng)目被冠以“世界首臺(tái)具備第四代核能系統(tǒng)安全特性的商用核電機(jī)組”的稱(chēng)號(hào)。雖然裝機(jī)容量只有20萬(wàn)千瓦， 中國(guó)核建、華能集團(tuán)、清華大學(xué)對(duì)此都寄予厚望，因?yàn)檫@決定了它的擴(kuò)大機(jī)組——60萬(wàn)千瓦裝機(jī)容量的高溫氣冷堆項(xiàng)目能否向前推進(jìn)。

受2011年福島核事故的影響，核電的安全性成為發(fā)展核電國(guó)家最為重視的問(wèn)題。在全球在建核電都逐步過(guò)渡到三代技術(shù)的同時(shí)，第四代核能系統(tǒng)已經(jīng)成為全球核能研究人員在未來(lái)多年內(nèi)重點(diǎn)研究的課題。在他們看來(lái)，第四代核能系統(tǒng)代表了先進(jìn)核能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)前沿。

反觀我國(guó)，除上述三家致力于高溫氣冷堆的企業(yè)、學(xué)校外，多家核能研究機(jī)構(gòu)都對(duì)第四代核能系統(tǒng)頗感興趣?！拔覈?guó)對(duì)于第四代核能系統(tǒng)的研究，技術(shù)上不是最先進(jìn)的，但熱情度絕對(duì)是最高的。”中國(guó)原子能科學(xué)研究院一不愿具名的工程師對(duì)《能源》雜志記者笑稱(chēng)。

多家技術(shù)并存

1999年，美國(guó)能源部（DOE）首次提出了第四代核電站的倡議，并于2000年1月，發(fā)起組織了巴西、加拿大、法國(guó)、日本等九個(gè)國(guó)家，就開(kāi)發(fā)第四代核電的國(guó)際合作問(wèn)題進(jìn)行了討論。6個(gè)月后，這九個(gè)國(guó)家成立了第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇（簡(jiǎn)稱(chēng)GIF）并簽署了協(xié)議。

根據(jù)GIF的定義，所謂第四代核能系統(tǒng)，必須具有四個(gè)重要的特征：核能的可持續(xù)利用——通過(guò)對(duì)核燃料的有效利用，實(shí)現(xiàn)提供持續(xù)生產(chǎn)能源的手段、實(shí)現(xiàn)核廢物量的最少化；經(jīng)濟(jì)性——發(fā)電成本優(yōu)于其他能源，資金的風(fēng)險(xiǎn)水平能與其他能源相比；安全與可靠性——大幅度降低堆芯損傷的概率及程度，并具有快速恢復(fù)反應(yīng)堆運(yùn)行的能力，取消在廠(chǎng)址外采取應(yīng)急措施的必要性；防擴(kuò)散與實(shí)物保護(hù)——保證難以用于核武器或被盜竊。

此外，2002年9月在東京召開(kāi)的GIF會(huì)議上，與會(huì)的十個(gè)國(guó)家（瑞士于2002年2月加入GIF），在94個(gè)概念堆的基礎(chǔ)上，確定了六種第四代核電站概念堆系統(tǒng)，即為：氣冷快堆系統(tǒng)；鉛合金液態(tài)金屬冷卻快堆系統(tǒng)；熔鹽反應(yīng)堆系統(tǒng)；液態(tài)鈉冷卻快堆系統(tǒng)；超高溫氣冷堆系統(tǒng)；超臨界水冷堆系統(tǒng)。

2006年11月，我國(guó)科技部原部長(zhǎng)徐冠華于代表中國(guó)政府簽署了GIF《憲章》。2007年11月楊潔篪外長(zhǎng)簽署了《第四代核能系統(tǒng)研究和開(kāi)發(fā)國(guó)際合作框架協(xié)定》加入書(shū)。因此，作為GIF的成員國(guó)之一，我國(guó)于2008年10月和2009年3月分別加入了超高溫氣冷堆和鈉冷快堆兩個(gè)系統(tǒng)安排。

“但實(shí)際上，除氣冷快堆外，其余5種系統(tǒng)堆型，我國(guó)都有相關(guān)的機(jī)構(gòu)在關(guān)注和研究。”在2014年3月4日舉辦的中國(guó)參與第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇（GIF）工作研討會(huì)上，中國(guó)工程院院士葉奇蓁對(duì)記者表示。

2014年3月5日，中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)和中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所聯(lián)合舉辦了“鉛基反應(yīng)堆專(zhuān)題研討會(huì)”。在此會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所所長(zhǎng)吳宜燦介紹了中國(guó)鉛基反應(yīng)堆研究進(jìn)展情況。

其十分推崇鉛基反應(yīng)堆的發(fā)展前景，認(rèn)為有望成為首個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)利用的第四代核能系統(tǒng)。

“經(jīng)濟(jì)性好，適合作為高效增殖核燃料及嬗變核廢料的快中子反應(yīng)堆冷卻劑；作為冷卻劑能夠使反應(yīng)堆堆芯更緊湊，適合小型模塊化及船用核動(dòng)力的發(fā)展；化學(xué)穩(wěn)定性好，在事故條件下能夠依靠自然對(duì)流導(dǎo)出堆芯余熱，使反應(yīng)堆具有固有安全性?！眳且藸N表示。

然而，在此之前，對(duì)于第四代核能系統(tǒng)，我國(guó)業(yè)界一直看好鈉冷快堆系統(tǒng)。它是中國(guó)原子能科學(xué)研究院主攻的技術(shù)。2010年，中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆首次臨界成功，標(biāo)志了中國(guó)在第四代核電技術(shù)方面取得了重大突破，因此被國(guó)內(nèi)業(yè)界認(rèn)為最有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的第四代核能系統(tǒng)。

至于另外兩種系統(tǒng)——熔鹽堆和超臨界水冷堆的研究開(kāi)發(fā)，我國(guó)也不甘落后。中科院上海應(yīng)用物理研究所積極投入到了釷基熔鹽堆項(xiàng)目研究。而超臨界水冷堆技術(shù)，則吸引了中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院、中廣核旗下的中科華核電技術(shù)研究院以及上海交通大學(xué)等多家研究單位的關(guān)注。2013年年底，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院承擔(dān)的“超臨界水冷堆技術(shù)研發(fā)（第一階段）”項(xiàng)目已通過(guò)了國(guó)防科工局的驗(yàn)收，項(xiàng)目提出了超臨界水冷堆的總體技術(shù)路線(xiàn)。

一時(shí)間，我國(guó)多種第四代核電技術(shù)并存，即使是業(yè)內(nèi)人士，亦有不能準(zhǔn)確說(shuō)出哪種系統(tǒng)更具有發(fā)展前景的。

對(duì)于此種局面，部分業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，按照目前GIF對(duì)第四代核電的發(fā)展計(jì)劃，第四代核能系統(tǒng)將在2025年建成示范電站，2030年實(shí)現(xiàn)商用并廣泛推廣。因此，6種核能系統(tǒng)均處在研究發(fā)展當(dāng)中，多線(xiàn)路的研究和關(guān)注是十分必要的。

但也有憂(yōu)慮的聲音?！皩?duì)于第四代核能系統(tǒng)，我國(guó)處于一個(gè)比較混亂、沒(méi)人管理的局面，國(guó)家層面并沒(méi)有好好的組織。只要有興趣、能向國(guó)家申請(qǐng)到資金，核能研究單位就可以去研究?！鄙鲜霾辉妇呙闹袊?guó)原子能科學(xué)研究院工程師對(duì)記者說(shuō)，“這種局面帶來(lái)的不好之處在于研究力量分散，錢(qián)花不到刀刃上?！?/p>

據(jù)了解，其余國(guó)外國(guó)家，目前雖然也都關(guān)注第四代核能系統(tǒng)，但一般集中于一兩種技術(shù)，大多也是學(xué)校機(jī)構(gòu)做一些科研項(xiàng)目，真正大規(guī)模投資要建設(shè)示范項(xiàng)目的并不多。

一直關(guān)注核電發(fā)展的大唐國(guó)際發(fā)電股份有限公司賈小波曾撰文指出：“我國(guó)應(yīng)明確研發(fā)目標(biāo)，集中力量摸索出中國(guó)自己的第四代道路。選定兩種適合中國(guó)國(guó)情的第四代堆型，考慮中國(guó)的核燃料資源狀況，考慮國(guó)內(nèi)研發(fā)基礎(chǔ)、技術(shù)成熟度和堆型本身的優(yōu)缺點(diǎn)?！?/p>

國(guó)防科工局一不愿具名的人士建議，在國(guó)家還沒(méi)有一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)第四代核能系統(tǒng)有管理組織的情況下，應(yīng)該聯(lián)合各家單位組建第四代核能系統(tǒng)辦公室或者召開(kāi)一年一度的論壇。“現(xiàn)在政府頂層交流很少，大家都在各干各的，如果都在用國(guó)家的投資，會(huì)重復(fù)投資，浪費(fèi)資金。”

受期盼的2017年

雖然GIF對(duì)第四代核電的發(fā)展目標(biāo)聚焦在2030年前后，但事實(shí)上，多家研究第四代核能系統(tǒng)的企業(yè)、機(jī)構(gòu)已經(jīng)有些迫不及待，希望能夠盡快建立示范項(xiàng)目。而在記者的采訪(fǎng)中發(fā)現(xiàn)，2017年是個(gè)關(guān)鍵年份。因?yàn)槎喾N第四代核能技術(shù)主導(dǎo)方都希望在這一年實(shí)現(xiàn)自己技術(shù)的突破發(fā)展。

據(jù)介紹，中國(guó)原子能科學(xué)研究院下的實(shí)驗(yàn)鈉冷快堆已經(jīng)在2012年通過(guò)了國(guó)家科技部的驗(yàn)收，目前正在接受?chē)?guó)防科工局的8項(xiàng)驗(yàn)收。

該實(shí)驗(yàn)快堆已經(jīng)獲得了國(guó)家核安全局的同意，目前正在積極做各方面調(diào)試，爭(zhēng)取在今年年底做到100%功率運(yùn)行，為示范電站做準(zhǔn)備。

按照中國(guó)原子能科學(xué)研究院的規(guī)劃，如一切順利，將在2017年準(zhǔn)備開(kāi)工建設(shè)我國(guó)第一臺(tái)鈉冷快堆示范電站。而其第一候選廠(chǎng)址為福建的三明市。

對(duì)于石島灣的高溫氣冷堆項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，2017年則是其原計(jì)劃建成發(fā)電投產(chǎn)的年份。而鉛基反應(yīng)堆之所以被中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所認(rèn)為有望成為首個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)利用的第四代核能系統(tǒng)，是因?yàn)槎砹_斯代表明確表示計(jì)劃于2017年建成國(guó)際上首個(gè)液態(tài)鉛鉍冷卻示范反應(yīng)堆。

此外，在此次第十三屆中國(guó)國(guó)際核工業(yè)展覽會(huì)上，美國(guó)泰拉能源公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“泰拉能源”）的展位雖小，卻也吸引了不少關(guān)注。泰拉能源由比爾·蓋茨投資成立，其主推的行波堆技術(shù)，雖然不在GIF確定的6大第四代核能系統(tǒng)之中，但也屬于快堆技術(shù)，具有第四代核能系統(tǒng)特征。

泰拉能源高級(jí)副總裁、中國(guó)首席代表王定南向《能源》記者表示，泰拉能源已經(jīng)與中核集團(tuán)達(dá)成初步合作意向，計(jì)劃將行波堆首個(gè)示范堆建在中國(guó)，如合作順利，最早將于2017年開(kāi)始開(kāi)工建設(shè)。

據(jù)了解，泰拉能源的行波堆項(xiàng)目在美國(guó)難以落地，所以，其寄希望于中國(guó)。在泰拉能源看來(lái)，中國(guó)市場(chǎng)能為其行波堆技術(shù)成功推向商業(yè)化運(yùn)行提供很好的條件?！爸挥兄袊?guó)才能使比爾·蓋茨的核電夢(mèng)成真。中國(guó)需要核能的現(xiàn)實(shí)使核能的發(fā)展獲得政府的支持?！蓖醵险f(shuō)。

各家第四代核能技術(shù)似乎都在力推示范項(xiàng)目以及實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的進(jìn)程。事實(shí)上，對(duì)于這幾種技術(shù)本身，目前都存在需要克服的瓶頸。

被認(rèn)為最有可能商業(yè)化的鈉冷快堆，安全性問(wèn)題一直備受擔(dān)憂(yōu)，因?yàn)榇嬖诎l(fā)生鈉水反應(yīng)事故的隱患。行波堆由于其目標(biāo)在于30—40年不更換燃料，所以關(guān)鍵設(shè)備和材料的質(zhì)量和壽命期限是需要解決的問(wèn)題。

對(duì)于高溫氣冷堆，經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題則十分突出。原計(jì)劃投資30億的石島灣項(xiàng)目，目前看還需再投入30多億?！敖ㄔO(shè)成本能夠達(dá)到3—4萬(wàn)元/千瓦時(shí)，”某業(yè)內(nèi)人士表示，“示范項(xiàng)目是可以承受，要達(dá)到商業(yè)化推廣，成本太高。”

此外，在葉奇蓁看來(lái)，其最擔(dān)心的問(wèn)題是第四代核能系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈在未來(lái)會(huì)存在短板。“目前的資源都集中在研究核能系統(tǒng)上，但到了實(shí)際的工程建設(shè)上，會(huì)發(fā)現(xiàn)還有差距。如果系統(tǒng)可以商業(yè)化了，但是所需設(shè)備、燃料跟不上，還是沒(méi)辦法運(yùn)行?！?/p>

多位業(yè)內(nèi)人士向記者指出，當(dāng)前第四代核能研究與實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的研發(fā)過(guò)程不能形成有效的產(chǎn)業(yè)化鏈，如何把研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用企業(yè)連接起來(lái)是關(guān)鍵，否則將容易出現(xiàn)規(guī)模放大的工程可實(shí)現(xiàn)性、設(shè)備制造等問(wèn)題，帶來(lái)前期投入“打水漂”的風(fēng)險(xiǎn)。