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    工作研究丨國際組織在先進核能領域的作用與啟示
    時間:2023年12月14日 來源:本站 作者:李漢辰 點擊量: 分享:

    自黨的十九大提出“構建清潔低碳、安全高效的能源體系”的戰略要求以來,核電作為我國能源發展戰略的重要組成部分,發揮了不可替代的作用。近年來,科技競爭與大國博弈升級、生態惡化與能源危機加劇,迫使核能領域持續加大科技創新支持力度。根據國際原子能機構(IAEA)動力反應堆信息系統(PRIS)數據,截至2023年3月,38個成員國共有422個商用反應堆正在運行,總凈裝機容量為377 GWe;另有18個成員國正在建造57臺核電機組,總凈容量59 GWe。核電提供了全球10%的電力,是僅次于水電的第二大低碳電力來源,約占全球低碳電力的28%。從全球視角來看,核能利用將在未來能源科技發展中占據重要地位。為了更好地保障國家能源安全,形成綠色多元的能源供給體系至關重要。核能作為能源發展戰略的一個重要組成部分,既要從批量化、市場化角度建設成熟可靠的反應堆技術,滿足我國核電規?;l展的需要;又要從技術進步角度探索研發創新型反應堆技術,做好未來技術儲備,滿足長期可持續發展的需要。如何合理選擇下一代核能系統技術路線,集中力量突破關鍵環節,構建核能多用途應用場景,拓寬核能應用市場,將直接影響我國核工業的長遠發展,關系我國能否在核能領域占領技術制高點并形成引領優勢,也是未來較長時期內我國核能行業政策的重點關注內容。

    多年以來,國際原子能機構(IAEA)、經濟合作組織核能署(OECD-NEA)、第四代核能系統國際論壇(GIF)等國際組織在先進核能系統技術研發、市場推廣、監管協調等領域組織開展了大量工作,部分先進核能發展理念已形成全球核能行業共識。我國在開展相關研究過程中,有必要梳理國外發展情況、借鑒相關經驗,結合當下國情和未來發展需要,明確下一階段方向,合理規劃布局。

    一、國外先進核能技術發展概況

    2001年,在美、英、日等9個國家的高級政府代表的見證下,第四代核能系統國際論壇(GIF)宣告成立。GIF于2006年正式吸納我國為成員國,目前成員( 含歐盟 )總數為14個。

    GIF旨在尋求技術創新和先進的反應堆設計,通過挖掘市場需求等方式提升經濟性,提高設計靈活性和熱效率,減少放射性廢物體積和毒性,滿足第四代核能系統的可持續性、經濟性、安全可靠性和防擴散及實物保護的目標;在各成員國的政策與資金支持下,力爭2030年后實現先進核能系統的示范與商業化部署。

    為滿足對可持續性、經濟性、安全可靠性以及防擴散和實物保護方面的進一步提升要求,六種第四代反應堆技術路線入選GIF第四代核能系統選型,包括鈉冷快堆(SFR)、鉛冷快堆(LFR)、氣冷快堆(GFR)、超高溫氣冷堆(VHTR)、超臨界水堆(SCWR)以及熔鹽堆(MSR)。成員國針對六種概念的技術和產業發展進行合作,通過技術、體制和組織創新實現上述目標。經過20年的探索,部分第四代核能系統研發取得了實質性進展,并且對當前小型模塊化反應堆的開發起到指導性作用。

    近年來,IAEA不斷加大對小型模塊化反應堆發展與推廣的支持力度,為此開發了小型模塊化反應堆應用平臺,協助各國應對核能開發過程中所遇到的相關挑戰。2021年,IAEA先后發布了小型模塊化反應堆部署技術路線圖、小型模塊化快堆的優勢和挑戰等重要研究報告。2022年,為促進小堆技術、市場與監管協調發展,IAEA發起了“核協調與標準化倡議”,將決策者、監管者、設計者、供應商和營運者聚集在一起,為小堆制定共同的監管和工業界解決方案,促進中小型模塊堆和其他先進核技術的安全可靠部署。

    為應對氣候變化和能源危機,經濟合作組織核能署(OECD-NEA)于2015年發起了一項核創新倡議(Nuclear Innovation 2050, NI2050)。項目涵蓋了廣泛的技術領域,涉及反應堆系統設計和運行、燃料和燃料循環技術、廢物管理和退役以及發電以外的相關應用。此外,該項目還挖掘供熱市場的潛力,并力求提升反應堆運行的靈活性。

    隨著可再生能源、儲能等能源技術的發展,發電系統越來越多樣化。除電力部門外,各種低碳能源技術正在瞄準重工業和長途運輸等領域的減排需求快速發展。OECD/NEA于2021年發布《Advanced Nuclear Reactor Systems and Future Energy Market Needs( 先進核反應堆系統和未來能源市場需求 )》專題報告。報告針對先進核反應堆系統( 第三代/第三代+反應堆、小型模塊化反應堆和第四代核能系統 )技術特征,探討了如何滿足未來的能源市場需求。

    二、先進核能發展理念與研究進展

    面對氣候危機、能源危機以及先進核能技術提升需求,國際組織根據其性質和成員國訴求等因素提出了不同的先進核能發展理念與發展行動。

    ( 一 )國際原子能機構(IAEA)

    2018年,IAEA有針對性地成立了小型模塊化反應堆專項技術工作組(TWG-SMR),由核動力處下屬核動力技術發展科(NPTDS)牽頭負責該工作組運作。目前該工作組共有成員國21個,觀察員國1個,國際組織2個。工作組主要職能是就與IAEA SMR活動有關的具體議題向分管核能的副總干事提供咨詢意見;分享關于SMR的國家和國際計劃信息等。

    工作組下設三個小組,分別是:

    ·SG-1:通用用戶需求和標準(GURC)的開發;

    ·SG-2:研發與創新;法規與標準;

    ·SG-3:產業化、工程設計、調試、制造、供應鏈與建筑技術。

    結合以往二代、三代大型商用核電站運行經驗和能源市場情況,IAEA有針對性地設定了SMR發展目標(見表1)。

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    面對當前各國小堆發展所面臨的共性問題,IAEA將其提煉,并作為下一步亟待研究解決的方向:

    ·FOAK的安全性和運行性能示范,創造性的設計和技術;

    ·項目的連續性,與其他替代電/熱源的成本競爭力,穩健的供應鏈和可行的融資方案;

    ·監管框架,執照許可途徑:全球部署所需要的協調工作;

    ·發展核能基礎設施,加速部署,特別是在無核電的國家。

    為助推小型模塊化反應堆在全球安全可靠部署,IAEA于2022年面向成員國發起《核協調與標準化倡議(Nuclear Harmonisation and Standardisation Initiative, NHSI)》,旨在建立一個涵蓋全球核能監管機構、核能企業、技術持有者以及相關國際組織的交流平臺,在小型模塊化反應堆行業標準和監管要求方面開展廣泛討論,凝聚共識,形成通用的業界規范和統一的監管方法。

    具體工作分為兩個組別開展,一個面向監管機構,另一個面向工業界,包含技術持有者和運營商。兩組相互獨立但又互為補充支撐。

    監管組設立目標是加強國際監管合作,避免重復審查工作,在不損害核安全和國家主權的前提下提升效率并達成共同的監管立場。監管組設立三個工作組,分別負責共享信息框架構建、許可設計預審查以及監管經驗借鑒。

    工業組目標是為小堆的制造、建設和運營開發制定標準化程度更高的工業方案,從而縮短執照申請時間,降低成本,并最終縮短部署周期。SMR商業模式通?;谂可a,采用標準設計的首座反應堆部署后,周期與成本將得以縮減。該組任務劃分為四個議題,分別是通用用戶要求及準則協調、法規標準融合、實驗與模型驗證、基礎設施加速實施。

    除了SMR技術工作組和《核協調與標準化倡議》外,為促進小堆積極穩妥可持續發展,IAEA還發起多項協調研究項目,包括“制定確定小型模塊化反應堆部署應急規劃區技術基礎的方法、方法和標準”“增強小型模塊化反應堆競爭力和早期部署的技術”“小型模塊化反應堆(SMR)項目的經濟評估:方法和應用”等。


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    圖1 IAEA核協調與標準化倡議


    ( 二 )經濟合作組織核能署(OECD/NEA)

    與IAEA全方位關注小堆開發略有不同,OECD NEA更側重發展小堆技術以外的市場推廣、應用場景以及經濟效益等問題。

    2021年,OECD NEA發布《小型模塊化反應堆:挑戰與機遇》報告。報告詳述了SMR技術經濟特征、牌照頒發和監管事宜、法律框架、政策指引等核工業及能源投資領域所關注的話題。報告中列舉了小堆發展所面臨的主要問題:

    ·技術選型;

    ·法規許可框架;

    ·新技術所帶來的不確定性;

    ·供應鏈和燃料循環;

    ·公眾認知與參與。

    對此,NEA在報告中指出:小堆的開發,不僅有助于避免近年來大型核電項目所面臨的交付拖期等問題,而且還能擴大核能在能源體系中的應用范圍,從而為多個行業提供靈活、可調度的低碳電力和熱力服務;小堆經濟性的提升需要以大規模部署為前提,隨著技術日趨成熟,風險將逐步降低,促使政策、資金加大支持力度,供應鏈不斷完善;為確保小堆市場的良性發展,政府、監管機構、供應商與運營方等需共同努力,在確保安全的前提下建立適用于小堆的示范方案,適當調整審查機制,發展制造能力,協調公共關系。

    為了跟蹤各SMR型號開發進展,提供項目相對全面、準確的進度評估,NEA近期開發了一套綜合評價方法(NEA SMR Dashboard)。該方法結合小堆公開數據和專家判斷,評估了技術成熟度之外確保項目成功的六類關鍵條件,包括:1)執照申請準備;2)廠址狀態;3)融資情況;4)供應鏈完備度;5)合作方數量;6)燃料開發程度。每一類關鍵條件作為一項衡量尺度又分為1—5級,0級代表尚未取得進展或信息未公開,5級為進展程度最高。

    NEA對目前全球數十種小型模塊化反應堆和第四代核能系統進行了篩選,對21個小堆型號根據該方法進行了商業化和部署進展評估。目前NEA評估項目仍在進行中,尚未公開發布評估結果。

    NEA SMR Dashboard為業界衡量小堆開發進展提供了新視角,通過直觀的方式將開發進度拆解成不同指標,為小堆項目的整體評估提供了有益的補充。

    ( 三 )第四代核能系統國際論壇(GIF)

    GIF于2001年成立后,長期致力于推動六種先進核能系統的技術開發與國際合作。在全球達成碳減排共識前,盡管核能保持著一定比例的非電力應用( 如城鎮供暖、海水淡化等 ),但經濟性一直面臨著如廉價的天然氣等化石能源的強大沖擊。國際形勢的不斷變化使未來能源和環境充滿了不確定性,包括核能技術在內的未來能源系統,將進一步向更加可靠、環保、有彈性的綜合能源系統發展。在此情景下,GIF除了繼續保持對第四代核能系統的開發力度外,成立了核熱非電力應用任務組,負責核能非電力應用領域的研究拓展,并將在重新定義未來能源混合中的核能作用方面發揮關鍵作用。通過該任務組,GIF旨在向其簽署國提供適當的知識和分析工具,使決策者能夠針對不同的社會經濟和地理環境找到最佳的能源系統解決方案。

    按照工藝溫度劃分,可以對非電力應用場景和用途進行分類。圖2顯示了GIF框架下核能驅動的未來綜合能源系統,該系統可以利用熱、電和加工中間介質( 如氫氣 )來支持工業能源需求。

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     圖2 GIF框架下先進核反應堆與核能產品的應用路徑圖

    GIF試圖對復雜能源供應矩陣提出解決方案。第四代反應堆技術與非電力應用場景相結合的最優解,涉及多標準和多變量問題。圖3通過簡化的6×3×6矩陣說明了第四代核能技術的潛在應用領域。矩陣對應了3種功率等級、6種第四代核能技術和6種非電力應用場景。

    核熱非電力應用任務組采用了簡化的方式研究復雜能源供應矩陣,并總結出當前形勢下第四代核能技術現狀、熱電聯產或其他非電力應用方案需要開展的行動:

    ·突破現有技術與執照申請方面的障礙;

    ·確定非電力應用對反應堆運行等提出的具體要求和規范;或提出相應方案解決潛在的限制;

    ·從安全、執照申請、互通性、耦合系統的可靠性、過程控制、瞬態管理等方面分析第四代反應堆與核熱非電力應用過程耦合的結果;

    ·從政府行政角度分析支撐相關復雜系統的技術和經濟條件( 例如,國家政策、特定地理環境、發展工業所需的基礎設施等 );

    ·分析非電力應用生產設施與核電廠共用廠址/耦合在法規層面的挑戰;

    ·推動示范需求落實,促使投資方和最終用戶了解解決方案的技術和經濟特性。

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    圖3 第四代反應堆系統矩陣、反應堆尺寸和應用場景

    三、先進核能系統未來展望

    近年來,全球能源結構正在向綠色、清潔、低碳轉型,以小型模塊化反應堆為代表的先進核能系統將在未來能源系統中占據重要地位。小型模塊化反應堆概念的興起,催生了核能行業的一系列變革。安全、經濟、可持續等先進核能理念均被納入近期開發的小堆發展目標。與大型反應堆相比,小堆主要具有以下顯著優勢:

    ·小堆可以融入更豐富的模塊化屬性,增加工廠制造組件比例,替代高成本的現場施工;

    ·較低的功率水平使小堆系統設計更為簡化( 如采用完全非能動系統,縮小應急規劃區域 );

    ·供應鏈體系改進,具備批量建造更多小堆設備裝置的能力,使小堆進一步縮短建設周期、降低成本、提高質量;

    ·單堆/單模塊功率較低為小堆拓展了特定的用戶市場,能夠為工業活動提供脫碳解決方案,如采礦、化工、制氫等;

    ·降低SMR放射性源項和工作人員/公眾劑量,使應急計劃區范圍最小化,從而使SMR與工廠或化工設施等用戶共用廠址,提升聯產部署的可行性和經濟性。

    本文梳理了近期主要國際組織在先進核能領域的部分行動,通過以上特點可以看出,先進核能系統的開發更強調安全性、經濟性、可持續性等特征的協調統一。為達到這一目標,結合IAEA等國際組織的理念與經驗,本文嘗試對我國未來先進核能系統發展提出以下建議:

    1.技術開發、法規監管、供應鏈配套、市場推廣等方面的協同發展對開發下一代先進核能系統至關重要,在此過程中需要重視用戶要求文件的指導意義和標準化體系的促進作用;

    2.政府、監管機構、供應商與運營方等需共同努力,在確保安全的前提下建立適用于小堆的示范方案,合理制定法規審查機制,發展制造業與供應鏈,協調公共關系;

    3.結合各地實際情況,探索核能綜合利用場景與需求,開展核能與其他清潔能源的耦合,構建清潔低碳的綜合能源系統;

    4.建立有效的創新機制,加大研發投入,包括小堆燃料材料研制,AI等先進技術在小堆中的應用研究以及小堆設計和安全分析軟件開發等,全面推動先進核能系統實現技術突破。 

    (作者:李漢辰  單位:中國核能行業協會)


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