水下觀探測裝備核供能方案的思考

彭子龍 閻述學(xué) 殷建平 楊 磊 蔡翔舟 郁 杰

1 中國科學(xué)院贛江創(chuàng)新研究院 贛州 341119

2 中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所 沈陽 110169

3 中國科學(xué)院南海海洋研究所 廣州 510301

4 中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000

5 中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800

6 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 合肥 230031

海洋是生命的搖籃，資源的寶藏，風(fēng)雨的溫床，貿(mào)易的通道，國防的屏障。海洋作為地球系統(tǒng)的重要組成部分，是全球氣候變化和生態(tài)環(huán)境變化的主要驅(qū)動(dòng)力。海洋關(guān)乎絕大多數(shù)國家的國家安全及油氣、礦產(chǎn)等重大資源權(quán)益，更關(guān)乎世界和平、全球氣候變化、人類生存與發(fā)展等全人類共同面臨的前途命運(yùn)問題。

遺憾的是，人類對(duì)海洋的認(rèn)知還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)對(duì)上述重大問題的需要。作為海洋大國，我國擁有約1.8 萬公里的海岸線，近 300 萬平方公里的藍(lán)色國土。近年來，我國在海洋領(lǐng)域的科技水平得到了較快提升，但與海洋強(qiáng)國相比整體上還有很大差距，急需高水平科技創(chuàng)新的支撐保障，以滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國家安全的重大需求。在 2021 年發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和 2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中，“積極拓展海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間”單列一章，并明確提出“培育壯大海洋工程裝備”“加強(qiáng)深海戰(zhàn)略性資源和生物多樣性調(diào)查評(píng)價(jià)”“推動(dòng)構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體”。

1 長時(shí)穩(wěn)定供能是海洋水下觀探測裝備的核心挑戰(zhàn)之一

認(rèn)知海洋，就必須深入海洋。人類目前正處在無人與載人裝備觀探測并行快速發(fā)展的階段，未來必將走向深/遠(yuǎn)海載人駐留觀測——通過建設(shè)深海原位實(shí)驗(yàn)室甚至海底城市，開展“更廣、更深、更精、更久”的接觸或原位觀測與研究。得益于 21 世紀(jì)以來材料、能源、導(dǎo)航定位等技術(shù)的不斷發(fā)展，海洋原位觀測與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的技術(shù)和裝備研發(fā)正不斷取得突破；但是，受海水介質(zhì)的密度等內(nèi)稟性質(zhì)約束，時(shí)至今日海洋仍然是人類對(duì)自身所生活星球認(rèn)知中的短板之一。

海洋水下觀探測裝備通常是一個(gè)有限空間、有限重量的耐壓密閉體，除了直接面臨著壓力（每增加 10 米深度即增加約 1 個(gè)大氣壓）、腐蝕（包括海水和海洋生物腐蝕）、通信（高度依賴聲波）等特殊環(huán)境困難外，其能源系統(tǒng)不僅須滿足可靠性、安全性、耐低溫、抗震動(dòng)等條件，還受到體積和重量的強(qiáng)約束，由此也制約了裝備的有效觀測時(shí)長。

具體而言，① 對(duì)于小型水下移動(dòng)裝備（如水下滑翔機(jī)、Argo 浮標(biāo)、長航程 AUV 等①本文所用英文縮寫：Argo（Array for Real-time Geostrophic Oceanography），地轉(zhuǎn)海洋學(xué)實(shí)時(shí)觀測陣列；UUV（Unmanned Underwater Vehicle），無人水下航行器或無人潛航器；AUV（Autonomous Underwater Vehicle），自主式水下航行器或自主水下機(jī)器人；ROV（Remote Operated Vehicle），遙控?zé)o人潛水器或遙控水下機(jī)器人。），其能源需求以能量型為主，其能源系統(tǒng)不要求瞬間大功率，但需要較高能量密度，可長期穩(wěn)定安全使用；② 對(duì)于需要長期值守的水下固定裝備（如潛標(biāo)），一般采用一次性電池作為其能源來源，其能源系統(tǒng)需要長壽命周期和高可靠性；③ 對(duì)于需要高速機(jī)動(dòng)的水下裝備，由于要滿足推進(jìn)器等大功率機(jī)構(gòu)的用電需求，其能源需求以功率型為主，其能源系統(tǒng)需要能夠提供持續(xù)的大電流輸出；④ 對(duì)于載人潛器，其能源需求主要以安全性為主。圖 1 和 2 總結(jié)了各種海洋水下裝備的供能功率需求和各種能源的適用范圍[1]。

圖1 各種深?；顒?dòng)裝備的功率需求Figure 1 Demand of electric power for activities in deep sea

目前，絕大多數(shù)水下觀探測裝備使用電池（各類的一次/二次電池、燃料電池）供能[2,3]，其中一次/二次電池的比能量密度普遍在 230 Wh·kg-1以下：用于載人潛器的最大生命支持時(shí)間不超過 143 h（法國的“鸚鵡螺號(hào)”）；用于 UUV 的續(xù)航力普遍在 20—30 h@2—3 kn②kn（knot），節(jié)（1節(jié)=1海里/小時(shí)=1.852公里/小時(shí)）；https://www2.whoi.edu/site/osl/vehicles/remus-100/；https://gdmissionsystems.com/products/underwater-vehicles/bluefin-21-autonomous-underwater -vehicle；http://www.sia.cas.cn/kycg/cgzh/202008/t20200827_5677598.html。；用于水下滑翔機(jī)或 Argo 浮標(biāo)時(shí)的比能量密度可顯著提高（不超過 400 Wh·kg-1），并且水下滑翔機(jī)（如我國的“海翼 1000”、美國的 SLOCUM G3③http://www.teledynemarine.com/slocum-glider/.）續(xù)航力可達(dá) 90—120 天，Argo 浮標(biāo)（如美國的 APEX BioGeoChem④http://www.teledynemarine.com/apex-biogeochem?ProductLineID=61.）續(xù)航力則可達(dá) 4 年。燃料電池的比能量密度可大幅提高到約 400—500 Wh·kg-1，并顯著提高了噸量級(jí) UUV 的續(xù)航力（如挪威的 HUGIN-3000、美國的 Echo Ranger[4]）。

近年來，各海洋強(qiáng)國相繼推出了中長期海洋新戰(zhàn)略和新計(jì)劃，加快推進(jìn)高可靠性的長期無人/載人水下觀探測與開發(fā)裝備的研發(fā)。例如：美國正在規(guī)劃建造功能更加強(qiáng)大的長周期通用型深海實(shí)驗(yàn)室；俄羅斯針對(duì)北冰洋油氣開發(fā)的長周期水下固定平臺(tái)需求，制定了水下供能平臺(tái)、運(yùn)輸平臺(tái)等多類專用型深海實(shí)驗(yàn)室的研制方案等。我國在“十四五”期間也將推動(dòng)長期載人海底原位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和深海載人移動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的規(guī)劃建設(shè)。這其中，超長時(shí)水下供能源技術(shù)無疑是瓶頸挑戰(zhàn)：一次/二次電池和燃料電池技術(shù)，技術(shù)成熟，性能可靠，應(yīng)用廣泛，但其供能能力取決于化學(xué)能（儲(chǔ)電材料、燃料與氧化劑）的初始攜帶量。核能來自核反應(yīng)過程的能量釋放，具有能量密度高的本質(zhì)特征；同位素電池（或稱同位素電源）早在 1974 年即已應(yīng)用于美國的海洋裝備，核反應(yīng)堆電源也已經(jīng)成為競相發(fā)展的技術(shù)前沿。

圖2 各種能源的使用范圍Figure 2 Scope of use of various electric power

2 海洋水下觀探測裝備核供能技術(shù)及其前景

核供能泛指利用核反應(yīng)所釋放的能量來滿足熱能、電能等能量需求。當(dāng)前所能利用的核反應(yīng)主要是放射性同位素的自發(fā)核衰變反應(yīng)和裂變材料的人工核裂變反應(yīng)，前者的主要利用方式是同位素?zé)嵩春屯凰仉姵兀笳咧饕呛朔磻?yīng)堆[5]。

2.1 同位素電池

同位素電池的核心是放射性同位素材料，其選擇需結(jié)合裝置工作時(shí)長、體積與總量限制等實(shí)際需求，考慮衰變種類（α 衰變和/或 β 衰變）、半衰期、放射性強(qiáng)度等要素，同時(shí)為降低輻射防護(hù)成本應(yīng)盡量選擇無伴生高強(qiáng)度或高能 γ 衰變的材料。常用材料有 α 衰變的釙 -210、钚 -238 和 β 衰變的鍶 -90 等。放射性同位素材料可從反應(yīng)堆乏燃料中分離提取，也可通過反應(yīng)堆或加速器進(jìn)行定制化生產(chǎn)。

由于放射性同位素的自發(fā)衰變屬于固有的內(nèi)稟性質(zhì)，不受任何外界因素影響。因此，同位素電池具有性能穩(wěn)定性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)，同時(shí)其理想壽命只取決于放射性同位素的半衰期。具體而言，同位素電池的特點(diǎn)有：① 壽命長。例如，钚 -238 和鍶 -90 的半衰期分別為 87.74±0.04 年和 28.6±0.3 年，其同位素電池設(shè)計(jì)壽命可達(dá) 5—10 年——早期部署的電池實(shí)際已服役超過 41 年之久[6]。② 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。不依賴陽光或氧化劑，無須添加或更換放射性同位素材料，環(huán)境溫度、輻射損傷、海水靜壓及腐蝕等因素的影響程度只在于同位素電池的外圍材料與器部件。③ 易于小型化輕量化。電池結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小、重量輕、功率密度高。采用 α 衰變材料時(shí)無需放射性屏蔽措施。美國第一臺(tái)正式應(yīng)用的同位素電池僅重 2 kg，提供的電力卻相當(dāng)于 300 kg 的鎳-鎘電池。④ 可靠性高。同位素電池外殼設(shè)計(jì)堅(jiān)固、密封可靠，能經(jīng)受海水靜壓力和長期腐蝕等極端環(huán)境，并且能抵御機(jī)械撞擊、爆炸熱沖擊、高溫?zé)g等嚴(yán)酷考驗(yàn)。但是，同位素電池也存在功率較小的弱點(diǎn)，在滿足大功率需求時(shí)需要結(jié)合二次電池等技術(shù)。

1913 年英國科學(xué)家 Moseley[7]首次提出 β 放射性同位素電池概念，美國于 1956 年制定了“核動(dòng)力輔助計(jì)劃”（SNAP）[8]并于 1961 年首次將同位素電池成功應(yīng)用于空間探測領(lǐng)域[9]。同位素電池技術(shù)自此進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，被美國和蘇聯(lián)/俄羅斯廣泛部署于空間、海洋、地面等特種裝備中。美國自 1974 年起陸續(xù)在海底部署了多種 SNAP-21 和 Sentinel-25 同位素電池，建立了海底傳感系統(tǒng)和監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)。俄羅斯在白令海、北極等偏遠(yuǎn)地區(qū)共部署了 1 000 多個(gè)鍶 -90 同位素電池，用于無人氣象站、燈塔、觀測站和監(jiān)聽站的電力供應(yīng)。

我國同位素電池研發(fā)長期落后于美國、俄羅斯等國。1971 年 3 月12日，中國科學(xué)院原子核研究所（現(xiàn)“中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所”）研制成功我國首個(gè)同位素電池；該電池采用釙 -210 衰變源，電功率 1.4 W，熱電轉(zhuǎn)換效率 4.2%，填補(bǔ)了國內(nèi)空白[10]。2006 年，中國原子能科學(xué)研究院牽頭研制成功了百毫瓦級(jí)的钚 -238 同位素電池[11]。這類技術(shù)隨后被應(yīng)用在嫦娥三號(hào)（2013 年，同位素?zé)嵩矗12]和嫦娥四號(hào)（2019 年，同位素電源）[13]的探測器。目前，受強(qiáng)烈的需求驅(qū)動(dòng)，國內(nèi)已有多個(gè)高校和研究所正在開展相關(guān)研究并取得了可喜的成果。

2.2 反應(yīng)堆電源

顧名思義，反應(yīng)堆電源就是將核反應(yīng)堆內(nèi)自持核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，通常由反應(yīng)堆本體、輻射屏蔽體、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、廢熱排放系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等部分組成：反應(yīng)堆本體內(nèi)核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的熱能被傳輸?shù)綗犭娹D(zhuǎn)換系統(tǒng)后，一部分熱能被轉(zhuǎn)換為電能，其余熱能則可用于裝備熱平衡管理或由廢熱排放系統(tǒng)釋放到環(huán)境海水中；輻射屏蔽體位于反應(yīng)堆本體與裝備其他組成（包括乘員）之間以降低輻射劑量至安全水平；自動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)反應(yīng)堆電源系統(tǒng)的監(jiān)測與運(yùn)行控制。

與常規(guī)的電源相比，反應(yīng)堆電源具有能量密度高、持續(xù)高功率輸出能力強(qiáng)、功率可調(diào)范圍大、外界物質(zhì)依賴性低（無需氧化劑和核燃料儲(chǔ)備等）等特點(diǎn)，可顯著提高水下觀探測裝備的自持力、續(xù)航力、機(jī)動(dòng)性、隱蔽性等綜合能力。

按中子能譜，反應(yīng)堆電源可分為熱中子堆、超熱中子堆和快中子堆。采用快中子能譜能夠把鈾 -238 增殖轉(zhuǎn)換為核燃料钚 -239，可實(shí)現(xiàn)不換料供能壽命與裝備同壽期。

按冷卻方式，反應(yīng)堆電源可分為氣體冷卻堆、液態(tài)冷卻堆和熱管冷卻堆。氣體冷卻堆，技術(shù)成熟度高；但由于氣體的熱導(dǎo)和熱容相比液態(tài)金屬、水等常用液態(tài)冷卻劑小很多，要做到同等比能量或比功率的難度極大。因此，氣體冷卻堆較為適用于陸上固定式供能場景。液態(tài)冷卻堆，堆芯換熱能力強(qiáng)，大功率（＞10 MWe）情況具有輕量小型的優(yōu)勢（如鉛基堆）；但通常需要配置冷卻劑強(qiáng)迫循環(huán)泵，會(huì)帶來一定的振動(dòng)、噪聲和慣性矢量等問題。熱管冷卻堆，具有可靠性高、不依賴輔助系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、靜默運(yùn)行等優(yōu)勢。尤其是小功率（＜1 MWe）情況下的固態(tài)耦合熱應(yīng)力和裝配工藝問題較小，且水下環(huán)境天然存在著幾乎無限大的海水冷源，通過合理設(shè)計(jì)發(fā)揮這一優(yōu)勢的潛力極大[14]。熱管冷卻堆在航天領(lǐng)域已經(jīng)得到國內(nèi)外的廣泛研究。例如：美國的 HOMER 系列熱管冷卻堆，采用高富集度鈾燃料，鈉鉀熱管冷卻，斯特林循環(huán)發(fā)電，電功率可達(dá) 25 kW，熱電轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 20%；MSR 鋰熱管冷卻堆，電功率為百千瓦量級(jí)，堆外熱離子轉(zhuǎn)換發(fā)電，熱電轉(zhuǎn)換效率大于 10%；SAIRS 和 LEGO-LRCS 鈉熱管冷卻快堆，分別采用堿金屬熱電轉(zhuǎn)換和斯特林循環(huán)發(fā)電，電功率分別為約 100 kW 和 30 kW。在我國，中國原子能科學(xué)研究院也研究提出了多種可用于航天任務(wù)的熱管堆設(shè)計(jì)方案，如火星表面堆、月表核電站等。

2.3 核能到電能的轉(zhuǎn)換技術(shù)

同位素電池和反應(yīng)堆電源均需要把核反應(yīng)釋放的能量轉(zhuǎn)換為電能，轉(zhuǎn)換效率是最核心的指標(biāo)。換能方式按工作原理可分為熱轉(zhuǎn)換型和非熱轉(zhuǎn)換型，按結(jié)構(gòu)特征可分為靜態(tài)型和動(dòng)態(tài)型（圖 3）。

圖3 核能到電能的各種轉(zhuǎn)換方式Figure 3 Various approaches of converting nuclear energy to electricity

非熱轉(zhuǎn)換型是將核反應(yīng)所釋放的粒子的動(dòng)能直接或經(jīng)次級(jí)效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能，典型如 β 射線（即電子）直接收集利用。熱轉(zhuǎn)換型則是以熱能為中介將核能轉(zhuǎn)換為電能，典型如利用塞貝克（Seeback）效應(yīng)的溫差發(fā)電。

靜態(tài)型和動(dòng)態(tài)型的分類則主要依據(jù)換能系統(tǒng)中是否使用運(yùn)動(dòng)部件，如：動(dòng)態(tài)型朗肯循環(huán)和布雷頓循環(huán)均使用葉輪機(jī)械，以及斯特林循環(huán)使用往復(fù)式機(jī)械等。動(dòng)態(tài)型能量轉(zhuǎn)換方式[15,16]在地面應(yīng)用的技術(shù)成熟度很高，能量轉(zhuǎn)換效率也較高，但應(yīng)用于移動(dòng)式水下觀探測裝備時(shí)或?qū)碜藨B(tài)控制和振動(dòng)隔離的額外要求，因此更適合于固定式裝備；同時(shí)，針對(duì)水下特殊環(huán)境，小型化、緊湊式的整體設(shè)計(jì)和全壽期的可靠性要求也極為嚴(yán)苛。

靜態(tài)型能量轉(zhuǎn)換方式雖然在能量轉(zhuǎn)換效率上并無優(yōu)勢甚至不夠理想，但沒有運(yùn)動(dòng)部件的特點(diǎn)帶來了系統(tǒng)可靠性高、密封性好、模塊化設(shè)計(jì)潛力大、相對(duì)尺寸小/重量輕等諸多寶貴優(yōu)點(diǎn)；此外，還具有負(fù)載跟隨特性好等特點(diǎn)。因此，靜態(tài)型能量轉(zhuǎn)換方式是海洋水下觀探測裝備核供能系統(tǒng)優(yōu)先考慮的能量轉(zhuǎn)換方式。

各種轉(zhuǎn)換方式的具體工作原理[17-26]在此不再贅述。值得指出的是，為追求更高能量轉(zhuǎn)換效率，適用于更高熱源溫度（＞1 000 K）的輻射伏特效應(yīng)[27-30]、熱光伏發(fā)電[31-34]、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換[35]、磁流體發(fā)電[36]等新技術(shù)得到了大量的研究。

2.4 涉核安全問題

核安全問題是核供能系統(tǒng)必須面對(duì)的特有問題，是水下觀探測裝備采用核供能的核心和基礎(chǔ)。由于水下觀探測裝備在體積、重量方面的強(qiáng)約束，在設(shè)計(jì)上難以做到使其擁有足夠的安全冗余；同時(shí)，其裝備的全生命周期會(huì)經(jīng)歷陸上裝調(diào)、部署服役、回收處置等多個(gè)階段，特別是全球四大洋水體連通，洋流循環(huán)，一旦發(fā)生核泄漏事故造成海洋核污染，其影響必將超出一域一國，其后果也將由全人類共同承擔(dān)[37,38]。

國際法方面，除《聯(lián)合國海洋法公約》普適各國各類海洋活動(dòng)外，迄今為止還沒有一部專門針對(duì)海洋核污染問題的國際公約；現(xiàn)有的國際海洋環(huán)境法律體系中存在對(duì)海上核污染專門調(diào)整的法律空白，現(xiàn)有的國際民用核能法律制度和國際法實(shí)踐在海上核污染法律責(zé)任方面均存在缺陷[39]，須依賴國際原子能機(jī)構(gòu)的相關(guān)制度[40]。

鑒于涉核的特殊敏感性，以及核安全事故的廣域性、長期性和災(zāi)難性，我國作為負(fù)責(zé)任的大國和聯(lián)合國“五常”，必須高度重視、系統(tǒng)應(yīng)對(duì)水下觀探測裝備核供能的核安全問題，必須著眼核供能系統(tǒng)的全生命周期管控。除現(xiàn)行核安全管理體系適用的環(huán)節(jié)和內(nèi)容之外，還必須研究和解決海洋水下這一新應(yīng)用場景下的核安全新問題。

2.5 水下觀探測裝備的核供能適用性

綜上所述，根據(jù)核供能技術(shù)及其熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)與成熟度情況，從壽命角度核供能無疑更適合于單次長時(shí)甚至超長時(shí)工作的水下裝備，從功率角度則可定性小結(jié)為：① 千瓦級(jí)以下的核供能系統(tǒng)，適用于微型、小型的固定式、移動(dòng)式水下觀探測裝備，可采用同位素核熱源與靜態(tài)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)；② 千瓦級(jí)的核供能系統(tǒng)，適用于小型的移動(dòng)式水下觀探測裝備和中型的固定式水下觀探測裝備（如長航程 AUV 等），采用同位素或反應(yīng)堆核熱源與靜態(tài)或動(dòng)態(tài)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，須結(jié)合裝備的體積重量約束和工作時(shí)長要求綜合考量；③ 10 千瓦級(jí)及以上的核供能系統(tǒng)，適用于中大型移動(dòng)式和大型固定式水下觀探測裝備（如大型 UUV、ROV、載人深潛器、深海實(shí)驗(yàn)室等），宜采用反應(yīng)堆核熱源與動(dòng)態(tài)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)。

必須強(qiáng)調(diào)的是，除了成本因素，核安全是核供能應(yīng)用于水下觀探測裝備的強(qiáng)約束條件；以上關(guān)于適用性的定性分析，也必須以妥善解決相關(guān)和安全問題為前提。因此，從裝備場景角度看，應(yīng)用于深遠(yuǎn)海空間深度利用、海洋資源開發(fā)的超大潛深、超長航程（如大洋尺度甚至全球尺度）的移動(dòng)式無人觀探測裝備，以及大中型固定式有人/無人觀探測裝備（如深海實(shí)驗(yàn)室等）或平臺(tái)（如水下供能基站、水下工程作業(yè)平臺(tái)等），將更能充分地發(fā)揮核供能的不可替代性優(yōu)勢，成為其閃耀的舞臺(tái)。

3 思考與建議

海洋，事關(guān)國家民族現(xiàn)實(shí)利益，事關(guān)全人類共同命運(yùn)。2022 年 4 月，習(xí)近平總書記在視察海南時(shí)強(qiáng)調(diào)，“建設(shè)海洋強(qiáng)國是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重大戰(zhàn)略任務(wù)。要推動(dòng)海洋科技實(shí)現(xiàn)高水平自立自強(qiáng)，加強(qiáng)原創(chuàng)性、引領(lǐng)性科技攻關(guān)，把裝備制造牢牢抓在自己手里”。核供能應(yīng)用于水下觀探測裝備，在某些特殊應(yīng)用場景下有著不可替代性優(yōu)勢，也存在著亟待研究和解決的基礎(chǔ)科學(xué)問題和關(guān)鍵核心技術(shù)?；趪H國內(nèi)現(xiàn)狀，面向未來發(fā)展，提出 4 個(gè)方面的建議。

（1）重點(diǎn)發(fā)展放射性同位素制備和分離技術(shù)，建設(shè)專用加速器制備與熱室分離設(shè)施平臺(tái)。放射性同位素主要通過反應(yīng)堆輻照、加速器輻照和高放廢液提取 3 種方式制備。目前，我國僅有 5 座可生產(chǎn)放射性同位素的非專用反應(yīng)堆，但它們可制備的放射性同位素種類和產(chǎn)量均非常有限，尚不能滿足國內(nèi)醫(yī)療等同位素市場的需求。乏燃料后處理過程中可大量提取放射性同位素，經(jīng)濟(jì)性好，但我國目前尚未形成規(guī)?；姆θ剂虾筇幚砟芰Γ瑧?yīng)予以優(yōu)先發(fā)展。加速器方面，我國已建成 2 臺(tái) 30 MeV 專用加速器和 1 臺(tái) 100 MeV 醫(yī)用同位素生產(chǎn)裝置，但缺乏放射性同位素分離和組裝等流程所必需的大型熱室配套，因此尚不具備量產(chǎn)能力。

（2）重點(diǎn)發(fā)展個(gè)性化特種反應(yīng)堆技術(shù)，建設(shè)多用途零功率裝置、數(shù)字反應(yīng)堆模擬裝置、高通量廣譜中子輻照平臺(tái)等共性研發(fā)平臺(tái)。我國目前的反應(yīng)堆研發(fā)平臺(tái)基本由核電企業(yè)根據(jù)大型商用核動(dòng)力堆的堆型而建設(shè)，缺乏功能靈活、通用性強(qiáng)的共性研發(fā)平臺(tái)。模塊化的多用途通用型零功率物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅是適應(yīng)不同設(shè)計(jì)特征的微小型核反應(yīng)堆（如熱管堆、鉛基堆、熔鹽堆）研制的需要，也是特殊水下應(yīng)用場景的自主測控與運(yùn)行技術(shù)研發(fā)測試的需要?；诟呔饶M程序和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，開發(fā)高度集成的、多物理耦合的數(shù)字核電源模擬裝置，可全方位、全壽期模擬/預(yù)測核電源的性能參數(shù)和安全特性，加快提升技術(shù)成熟度。先進(jìn)加速器驅(qū)動(dòng)的高通量（約 1016n·cm-2· s-1）廣譜中子輻照平臺(tái)可大幅度縮短個(gè)性化特種反應(yīng)堆所需新型核燃料（更高的能量密度、物態(tài)穩(wěn)定性、放射性包容能力）的研發(fā)周期。

（3）重點(diǎn)支持熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)研究。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是水下觀探測、空間探測等場景下應(yīng)用核供能的核心關(guān)鍵技術(shù)，美歐發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開展了大量研究并取得了顯著進(jìn)展。我國在這一領(lǐng)域的研究組織性不夠，研究水平上的差距明顯，應(yīng)加大組織力度，支持高效、穩(wěn)定的靜態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)（如堿金屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)、熱光伏轉(zhuǎn)換技術(shù)等），緊湊、可靠的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)（如超臨界二氧化碳循環(huán)、熱聲發(fā)電技術(shù)等），以及耦合應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新研究和驗(yàn)證。

（4）重點(diǎn)支持水下特殊應(yīng)用場景下的核安全問題研究。包括但不限于：① 制定水下觀探測裝備核供能系統(tǒng)的核安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與審評(píng)導(dǎo)則，推動(dòng)海洋極端意外情況下安全指標(biāo)及其試驗(yàn)驗(yàn)證方法的確定等；② 服役過程中核供能系統(tǒng)全自主狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、事故容錯(cuò)、運(yùn)行控制的技術(shù)可靠性；③ 服役過程中事故工況下核供能系統(tǒng)的安全應(yīng)急技術(shù)，以確保在發(fā)生外力撞擊、電力失效、超限下沉等意外事故時(shí)核材料的完整包容和核熱的充分導(dǎo)出，不致發(fā)生放射性泄漏；④ 服役過程中切實(shí)有效的核材料實(shí)物保護(hù)，確保核材料被有意（如有預(yù)謀的盜搶）或無意（如捕魚時(shí)誤撈）獲取而致擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)足夠小，以及確保核材料一旦失去管控的應(yīng)急措施足夠及時(shí)和有效。

致謝感謝中國科學(xué)院院部詹文龍、中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所李碩和中國科學(xué)院重大科技任務(wù)局吳園濤在本文醞釀策劃與成稿過程中所給予的重要指導(dǎo)；感謝中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全技術(shù)研究所何梅生、余大利、汪振等協(xié)助收集整理相關(guān)資料。