中國新一代核能用材總體發(fā)展戰(zhàn)略研究

干勇，趙憲庚，徐匡迪

（中國工程院，北京 100088）

一、前言

核能主要分為核裂變和核聚變兩類。目前人類可駕馭的可控核裂變技術(shù)已用于工程建設(shè)核電站，為人類提供清潔能源供應。而核聚變技術(shù)還處于研發(fā)階段。本文所提到的核能技術(shù)主要指的是核裂變技術(shù)。

二、我國核能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

核能技術(shù)是國家核心競爭力的標志性技術(shù)，是戰(zhàn)略必爭的高科技領(lǐng)域，是軍民深度融合發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。新中國成立以來，我國核能行業(yè)從早期的自力更生、艱苦奮斗到近期的創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，走出了一條具有中國特色的“引進、消化、吸收、創(chuàng)新、超越”發(fā)展路線。我國已經(jīng)建立自主和完整的核工業(yè)體系，尤其是改革開放以來，我國核能技術(shù)研究更是呈現(xiàn)出百花齊放的局面。進入21世紀后，我國在引進、消化、吸收世界領(lǐng)先的AP1000和EPR第三代壓水堆核電技術(shù)基礎(chǔ)上，自主創(chuàng)新研發(fā)了同樣具有世界領(lǐng)先水平的“華龍一號”和CAP1400大型先進壓水堆核電技術(shù)，其中“華龍一號”國內(nèi)示范工程已開工建設(shè)，且“華龍一號”還成功出口巴基斯坦，國內(nèi)外首堆建設(shè)進展順利。CAP1400示范工程已經(jīng)具備開工建設(shè)條件；高溫氣冷堆和鈉冷快堆正在積極推進示范工程的建設(shè)；中國科學院先導計劃支持下的熔鹽堆和加速器驅(qū)動（ADS）次臨界裝置已完成示范工程選址；超臨界水堆、行波堆等核能系統(tǒng)正在加強基礎(chǔ)研究和工程設(shè)計[1,2]。

壓水堆是目前全球最成熟的商業(yè)核電技術(shù)。20世紀80年代，我國核電確定了以壓水堆技術(shù)為主的發(fā)展路線，迄今我國在運和在建的56臺核電機組中有52臺是壓水堆，在未來一定發(fā)展時期內(nèi)，第三代大型先進壓水堆核電技術(shù)將是建設(shè)的主力堆型。2016年3月，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016－2030年）》（下稱《行動計劃》），《行動計劃》將先進核能技術(shù)創(chuàng)新放在顯著的位置，明確：當前我國優(yōu)先發(fā)展壓水堆核電站，提高建成運行的第二代壓水堆核電站的安全性和經(jīng)濟性，引進消化國外第三代壓水堆核電技術(shù)，開發(fā)以“華龍一號”和CAP1400為代表的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代壓水堆核電技術(shù)，使我國第三代核電技術(shù)全面處于國際領(lǐng)先水平，實現(xiàn)系列化發(fā)展。總體上，我國核能產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步高效發(fā)展，已成為世界核能領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)和工程中心。在此基礎(chǔ)上，我國將繼續(xù)大力推進世界核能科技中心和創(chuàng)新高地建設(shè)，使我國早日成為世界核能科技強國。

三、我國核能用材發(fā)展的現(xiàn)狀及問題

新一代核能技術(shù)聚焦核能發(fā)電技術(shù)，涵蓋了大型先進壓水堆、模塊式小型堆、高溫氣冷堆、快堆、熔鹽堆、加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)、超臨界水堆、行波堆等。

（一）我國新一代核能用材發(fā)展現(xiàn)狀

近十余年，在有關(guān)企業(yè)的努力下，尤其在大型先進壓水堆和高溫氣冷堆國家重大科技專項和快堆專項的支持下，我國壓水堆、高溫氣冷堆和快堆的核島主設(shè)備材料技術(shù)取得了巨大進步。以壓水堆為主體的工程堆核島主設(shè)備材料技術(shù)問題已解決，實現(xiàn)了自主化和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。這些工程堆核島主設(shè)備材料技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈布局已完成，顯著提升了我國高端裝備制造業(yè)的核心競爭力。

熔鹽堆等處于研究階段堆型的主設(shè)備材料技術(shù)尚處于工業(yè)初試或?qū)嶒炇已芯侩A段。雖然壓水堆核燃料已實現(xiàn)了本地化批量生產(chǎn)，但包括壓水堆在內(nèi)的我國所有核反應堆核燃料及材料尚未最終形成自主化，乏燃料后處理過程所需材料技術(shù)尚需開展系統(tǒng)的研究。

（二）我國新一代核能用材發(fā)展存在的主要問題

1. 新一代核能用材發(fā)展存在的共性問題

我國從核能大國向核能強國邁進的主要標志是形成自主創(chuàng)新的可大規(guī)模布置的工程化核能技術(shù)，而核能工程化的最關(guān)鍵支撐是材料技術(shù)。我國目前尚無新一代核能用材的頂層設(shè)計和統(tǒng)籌規(guī)劃，即沒有國家層面的新一代核能用材發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，嚴重影響了我國核能用材的自主、高效、有序發(fā)展。凝聚共識和全局統(tǒng)籌的新一代核能用材發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃對我國核能產(chǎn)業(yè)盡早實現(xiàn)全面自主化和走向世界具有戰(zhàn)略性意義。

我國同時開展眾多堆型研究，造成核能相關(guān)研發(fā)力量和資源的分散；同時開展多種方式的第四代堆型研究，并在堆型技術(shù)并不十分成熟的情況下急于開展示范工程建設(shè)，這必將造成我國非常有限的核工程資源的浪費，也存在潛在的核安全風險。核工程堆技術(shù)研究需要巨大的人力和經(jīng)費投入，應在國家核能發(fā)展規(guī)劃頂層設(shè)計中進行協(xié)調(diào)，以提高我國核工程人力和經(jīng)費的使用效率。

我國工程級輻照實驗裝置能力嚴重不足，制約了核島材料、核燃料及包殼材料、增材制造材料的快速發(fā)展。

乏燃料后處理過程所需材料尚未系統(tǒng)開展研究?！叭A龍一號”和AP1000等壓水堆核島設(shè)備分別采用RCC-M和ASME標準體系，增加了材料研究、設(shè)備制造和核安全監(jiān)管的復雜度和工作量。

2. 工程化建設(shè)堆用材存在的主要問題

第三代壓水堆核島主設(shè)備結(jié)構(gòu)材料實現(xiàn)了自主化和產(chǎn)業(yè)化，但產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性尚需進一步提高。大型先進壓水堆核電站主體材料主要為核島和常規(guī)島的關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)材料，主要包括反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒驅(qū)動機構(gòu)、主管道、主泵、閥門、汽輪機發(fā)電機等設(shè)備材料。這些材料種類較多，屬于品種多、批量小、性能要求極高的材料，涵蓋碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鋯合金、鈦鋁合金、鎳基合金、高分子絕緣材料等，按品種則有鑄鍛件、板、管、圓鋼、焊材等。可以將大型先進壓水堆核電站主體材料分為三大類：一是復雜異形一體化特大型合金鋼鍛件材料。主要包括反應堆壓力容器SA508-3cl.1特大鍛件、蒸汽發(fā)生器SA508-3cl.2特大鍛件、常規(guī)島汽輪機轉(zhuǎn)子3.5NiCrMoV特大鍛件。此類材料要求具有合適的強度、優(yōu)異的低溫韌性以及良好的截面均勻性。制備工藝主要為組織細化與穩(wěn)定化和低溫韌性提升的熱處理技術(shù)、高純凈、高均勻鋼錠冶煉控制技術(shù)和復雜異形一體化特大鍛件的鍛造技術(shù)。二是異形整體不銹鋼大鍛件材料。主要包括整體鍛造主管道316LN奧氏體不銹鋼大鍛件和壓緊彈簧F6NM馬氏體不銹鋼大型環(huán)鍛件。此類材料要求具有足夠的強度、良好的塑性和斷裂韌性，特別是要求具有良好的抗應力腐蝕斷裂能力，以及良好的抗均勻腐蝕能力和焊接性能。核級不銹鋼大鍛件材料制備工藝主要為成分精控及高純凈冶煉控制技術(shù)、鍛造防開裂控制技術(shù)、內(nèi)孔加工及彎曲控制技術(shù)、組織晶粒均勻及均勻變形控制技術(shù)等。三是鎳基耐蝕合金精密管件材料。主要包括蒸發(fā)器690合金U形傳熱管，此類材料要求具有良好的抗應力腐蝕斷裂的性能、良好的抗均勻腐蝕能力、良好的加工性能（彎管、脹管等）、良好的制管性能和焊接性能。690合金U形管為制管皇冠上的明珠，其制備工藝主要為高均勻、超純凈冶煉工藝，熱擠壓成型質(zhì)量控制技術(shù)，超長薄壁小口徑管材冷加工技術(shù)，超長、薄壁、小口徑管的在線脫脂控制技術(shù)，TT（Thermal Technology）熱處理控制技術(shù)等。大型先進壓水堆核電站主體材料在服役期內(nèi)大多承受著高溫、高壓、流體沖刷腐蝕，甚至是強烈的中子輻照等惡劣條件，有些設(shè)備材料要求在60年全壽命周期內(nèi)不可更換。因此對設(shè)備材料的性能提出了極其嚴苛的要求，除了如傳統(tǒng)材料要求良好的強韌性匹配、優(yōu)良的焊接性、冷熱加工性能外，有些材料還要求具有優(yōu)良的抗輻照脆性、優(yōu)良的抗腐蝕性和耐時效性能以及優(yōu)異的截面均質(zhì)性能。

高溫氣冷堆核島結(jié)構(gòu)材料基本實現(xiàn)自主化，未來超高溫氣冷堆耐熱材料尚未開展研究，蒸發(fā)器傳熱管和石墨材料的應用性能研究尚需進一步研究。高溫金屬結(jié)構(gòu)材料是超高溫氣冷堆技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸。目前高溫氣冷堆堆芯氦氣出口溫度為750 ℃，未來超高溫氣冷堆堆芯氦氣出口溫度將提高到900～1000 ℃，相應的蒸汽發(fā)生器、堆內(nèi)金屬構(gòu)件、氦–氦中間換熱器等耐熱材料均需滿足高溫力學性能和物理性能的要求。鎳基耐熱耐蝕合金作為高溫氣冷堆傾向采用的高溫金屬結(jié)構(gòu)材料，其國產(chǎn)化和自主化研究工作尚未系統(tǒng)開展。我國在早期生產(chǎn)堆和HTR-10階段研發(fā)過核石墨，但其尺寸規(guī)格、輻照性能、輻照壽命均無法達到目前高溫氣冷堆技術(shù)發(fā)展要求，目前高溫氣冷堆示范工程HTR-PM采用的是日本東洋炭素的核石墨產(chǎn)品。近年我國核石墨研發(fā)已有了新進展，中鋼集團新型材料（浙江）有限公司、方大集團股份有限公司等國內(nèi)企業(yè)正在推進核石墨國產(chǎn)化的工作。

長期以來，我國壓水堆和快堆等核燃料及材料受制于國外，近年我國壓水堆核燃料取得較大進展，基本上可實現(xiàn)自給，但尚未最終實現(xiàn)完全自主化。雖然高溫氣冷堆核燃料基本實現(xiàn)自主化，但產(chǎn)能擴大和性能擴展等問題尚需進一步研究。這些材料研發(fā)周期長，需輻照考驗并需反復進行工程驗證。

3. 研發(fā)階段堆用材存在的主要問題

熔鹽堆和ADS次臨界裝置核島結(jié)構(gòu)材料初步確定了選材，并開展了工業(yè)試制，但材料在工程環(huán)境下的適用性尚需系統(tǒng)研究。熔鹽堆構(gòu)件，包括壓力容器、回路管道、熱交換管等，都須在高溫、熔鹽腐蝕和中子輻照等多重極端環(huán)境下長期、穩(wěn)定、有效工作，很難找到一種滿足上述條件的成熟工程材料，因此結(jié)構(gòu)材料是熔鹽堆研發(fā)過程中的一個非常突出的技術(shù)難題。20世紀40～60年代，美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）在專門為核動力飛機（ANP）和熔鹽堆項目（MSRE）研發(fā)了一種鎳基合金，也是世界上迄今為止唯一在熔鹽堆服役過的結(jié)構(gòu)合金——Hastelloy N 合金。超臨界水堆和行波堆核島選材尚處于實驗室篩選階段，工程化試制尚未開展。

熔鹽堆固態(tài)燃料和液態(tài)燃料尚處于實驗室研發(fā)階段。鉛冷快堆、鈉冷快堆、超臨界水堆和行波堆燃料及包殼材料尚在選材階段。

4. 核能用材發(fā)展存在的政策問題

核能材料（核島結(jié)構(gòu)材料、核燃料材料、后處理材料）安全可靠性要求高，需要特殊考核，研發(fā)周期長，資金需求量大，需反復進行工程驗證。在現(xiàn)有科研立項（五年計劃）體制下，難以連續(xù)完整地開展和完成核能材料的全鏈條研制，以致國產(chǎn)化進程經(jīng)常半途而廢。同樣的原因也制約了增材制造等新技術(shù)與核能材料技術(shù)的結(jié)合。

四、促進我國新一代核能用材發(fā)展的戰(zhàn)略支撐與保障建議

我國同時開展多種堆型研究，造成核能材料、技術(shù)研發(fā)力量和資源的分散。應加強我國核能技術(shù)發(fā)展的長遠謀劃和戰(zhàn)略布局，在2030年前堅持大型先進壓水堆第三代核電技術(shù)的主體地位，我國第四代核電技術(shù)和未來核能技術(shù)的研究開發(fā)應統(tǒng)籌規(guī)劃，有所側(cè)重。應加強科學評估，哪些技術(shù)處于基礎(chǔ)研究階段，哪些技術(shù)處于應用研究階段，如何協(xié)調(diào)推進，需開展充分論證。為此，提出促進我國新一代核能用材發(fā)展的戰(zhàn)略支撐和保障建議[3]。

（一）設(shè)立國家新一代核能用材專業(yè)指導委員會

設(shè)立國家新一代核能用材專業(yè)指導委員會，該委員會獨立于電力企業(yè)，由責任科學家、分管部門有關(guān)領(lǐng)導組成，其主要任務是根據(jù)國家核能中長期發(fā)展規(guī)劃，凝聚行業(yè)共識，負責制定國家新一代核能用材發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，在國家規(guī)劃層面做到材料先行，從科學、技術(shù)、工程、產(chǎn)業(yè)四個層面制定新一代核能用材的近、中、遠期發(fā)展目標及具體任務，并以五年周期對上述中、遠期發(fā)展目標及具體任務做出動態(tài)調(diào)整，確保我國新一代核能用材持續(xù)、有序、高效發(fā)展。

（二）設(shè)立新一代核能用材國家專項基金或長期穩(wěn)定支持的專項科技計劃

大型先進壓水堆和高溫氣冷堆國家重大科技專項的實施顯著促進了我國核能材料技術(shù)的進步和裝備制造業(yè)核心競爭力的提升。設(shè)立獨立于電力企業(yè)的由國家有關(guān)部門運作的國家新一代核能用材發(fā)展專項基金或長期穩(wěn)定支持的專項科技計劃，該基金或科技計劃的資金來源可由國家財政預算、企業(yè)和社會融資組成。通過該專項基金或科技計劃支持上述國家新一代核能用材專業(yè)指導委員會確定的近、中、遠期發(fā)展目標及具體任務的持續(xù)、有序、高效開展，保障我國新一代核能用材發(fā)展的支撐性、連續(xù)性、前瞻性、戰(zhàn)略性和創(chuàng)新性。這也是實現(xiàn)我國核能技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的關(guān)鍵之一。尤其是在新時代中國“強起來”的特殊國際環(huán)境下，通過長期穩(wěn)定基金或科技專項支持，自力更生，建立具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)和自主供應保障能力的新一代核能用材體系將越來越重要，對保障我國核工程持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。

（三）創(chuàng)建我國新一代核能用材先進完整標準體系

第三代百萬千瓦壓水堆工程首堆均在我國建設(shè)，工程實踐過程中大部分核島主設(shè)備材料技術(shù)問題是由我國獨立解決或參與合作解決的，積累了寶貴的經(jīng)驗和教訓。在ASME和RCC-M標準和我國現(xiàn)有能源行業(yè)標準基礎(chǔ)上，我國具備創(chuàng)新一整套新一代核能用材先進標準體系的條件。在確保核安全的前提下，兼顧核能材料標準的先進性和經(jīng)濟性，以適度先進的材料標準規(guī)范促進我國核能材料技術(shù)及其產(chǎn)品技術(shù)的進步和提升，拉升高端裝備制造業(yè)的核心競爭能力。形成全國統(tǒng)一的兼顧先進性和成熟性的新一代核能用材完整標準體系（包含材料試驗、表征和評價全過程標準），為我國核能技術(shù)盡早走出國門，引領(lǐng)世界核能技術(shù)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

（四）建設(shè)國家層面的共享型工程級輻照實驗裝置

工程級輻照試驗是我國核能用材研發(fā)和工程化的制約性瓶頸問題之一。我國應盡快建設(shè)國家層面共享型工程級核材料輻照實驗裝置（中心），通過優(yōu)化和提高裝置效率，加快材料工程化進程，促進材料創(chuàng)新。從長遠看，可考慮把即將到設(shè)計壽命期的秦山一期3h105kW核電站反應堆改造成工程級實驗研究堆。

（五）在獨立自主原則下，繼續(xù)開展新一代核能用材國際合作

在新的國際環(huán)境和形勢下，首先要繼續(xù)保持和發(fā)揚我國核工業(yè)獨立自主、自力更生的精神。同時，在國家統(tǒng)籌規(guī)劃的重大核能工程國際合作項目下，要繼續(xù)積極開展核燃料材料、乏燃料后處理材料等領(lǐng)域的國際合作。

致謝

衷心感謝團隊全體同志的辛勤勞動和貢獻。