自黨的十九大提出“構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系”的戰(zhàn)略要求以來，核電作為我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，發(fā)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(tài)惡化與能源危機加劇，迫使核能領(lǐng)域持續(xù)加大科技創(chuàng)新支持力度。根據(jù)國際原子能機構(gòu)（IAEA）動力反應(yīng)堆信息系統(tǒng)（PRIS）數(shù)據(jù)，截至2023年3月，38個成員國共有422個商用反應(yīng)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(fā)展中占據(jù)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(guān)重要。核能作為能源發(fā)展戰(zhàn)略的一個重要組成部分，既要從批量化、市場化角度建設(shè)成熟可靠的反應(yīng)堆技術(shù)，滿足我國核電規(guī)模化發(fā)展的需要；又要從技術(shù)進(jìn)步角度探索研發(fā)創(chuàng)新型反應(yīng)堆技術(shù)，做好未來技術(shù)儲備，滿足長期可持續(xù)發(fā)展的需要。如何合理選擇下一代核能系統(tǒng)技術(shù)路線，集中力量突破關(guān)鍵環(huán)節(jié)，構(gòu)建核能多用途應(yīng)用場景，拓寬核能應(yīng)用市場，將直接影響我國核工業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展，關(guān)系我國能否在核能領(lǐng)域占領(lǐng)技術(shù)制高點并形成引領(lǐng)優(yōu)勢，也是未來較長時期內(nèi)我國核能行業(yè)政策的重點關(guān)注內(nèi)容。

多年以來，國際原子能機構(gòu)（IAEA）、經(jīng)濟(jì)合作組織核能署（OECD-NEA）、第四代核能系統(tǒng)國際論壇（GIF）等國際組織在先進(jìn)核能系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)、市場推廣、監(jiān)管協(xié)調(diào)等領(lǐng)域組織開展了大量工作，部分先進(jìn)核能發(fā)展理念已形成全球核能行業(yè)共識。我國在開展相關(guān)研究過程中，有必要梳理國外發(fā)展情況、借鑒相關(guān)經(jīng)驗，結(jié)合當(dāng)下國情和未來發(fā)展需要，明確下一階段方向，合理規(guī)劃布局。

一、國外先進(jìn)核能技術(shù)發(fā)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(tǒng)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(shù)為14個。

GIF旨在尋求技術(shù)創(chuàng)新和先進(jìn)的反應(yīng)堆設(shè)計，通過挖掘市場需求等方式提升經(jīng)濟(jì)性，提高設(shè)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(tǒng)的可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性和防擴散及實物保護(hù)的目標(biāo)；在各成員國的政策與資金支持下，力爭2030年后實現(xiàn)先進(jìn)核能系統(tǒng)的示范與商業(yè)化部署。

為滿足對可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性以及防擴散和實物保護(hù)方面的進(jìn)一步提升要求，六種第四代反應(yīng)堆技術(shù)路線入選GIF第四代核能系統(tǒng)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(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行合作，通過技術(shù)、體制和組織創(chuàng)新實現(xiàn)上述目標(biāo)。經(jīng)過20年的探索，部分第四代核能系統(tǒng)研發(fā)取得了實質(zhì)性進(jìn)展，并且對當(dāng)前小型模塊化反應(yīng)堆的開發(fā)起到指導(dǎo)性作用。

近年來，IAEA不斷加大對小型模塊化反應(yīng)堆發(fā)展與推廣的支持力度，為此開發(fā)了小型模塊化反應(yīng)堆應(yīng)用平臺，協(xié)助各國應(yīng)對核能開發(fā)過程中所遇到的相關(guān)挑戰(zhàn)。2021年，IAEA先后發(fā)布了小型模塊化反應(yīng)堆部署技術(shù)路線圖、小型模塊化快堆的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)等重要研究報告。2022年，為促進(jìn)小堆技術(shù)、市場與監(jiān)管協(xié)調(diào)發(fā)展，IAEA發(fā)起了“核協(xié)調(diào)與標(biāo)準(zhǔn)化倡議”，將決策者、監(jiān)管者、設(shè)計者、供應(yīng)商和營運者聚集在一起，為小堆制定共同的監(jiān)管和工業(yè)界解決方案，促進(jìn)中小型模塊堆和其他先進(jìn)核技術(shù)的安全可靠部署。

為應(yīng)對氣候變化和能源危機，經(jīng)濟(jì)合作組織核能署（OECD-NEA）于2015年發(fā)起了一項核創(chuàng)新倡議（Nuclear Innovation 2050， NI2050）。項目涵蓋了廣泛的技術(shù)領(lǐng)域，涉及反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計和運行、燃料和燃料循環(huán)技術(shù)、廢物管理和退役以及發(fā)電以外的相關(guān)應(yīng)用。此外，該項目還挖掘供熱市場的潛力，并力求提升反應(yīng)堆運行的靈活性。

隨著可再生能源、儲能等能源技術(shù)的發(fā)展，發(fā)電系統(tǒng)越來越多樣化。除電力部門外，各種低碳能源技術(shù)正在瞄準(zhǔn)重工業(yè)和長途運輸?shù)阮I(lǐng)域的減排需求快速發(fā)展。OECD/NEA于2021年發(fā)布《Advanced Nuclear Reactor Systems and Future Energy Market Needs（ 先進(jìn)核反應(yīng)堆系統(tǒng)和未來能源市場需求 ）》專題報告。報告針對先進(jìn)核反應(yīng)堆系統(tǒng)（ 第三代/第三代+反應(yīng)堆、小型模塊化反應(yīng)堆和第四代核能系統(tǒng) ）技術(shù)特征，探討了如何滿足未來的能源市場需求。

二、先進(jìn)核能發(fā)展理念與研究進(jìn)展

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

（ 一 ）國際原子能機構(gòu)（IAEA）

2018年，IAEA有針對性地成立了小型模塊化反應(yīng)堆專項技術(shù)工作組（TWG-SMR），由核動力處下屬核動力技術(shù)發(fā)展科（NPTDS）牽頭負(fù)責(zé)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(guān)的具體議題向分管核能的副總干事提供咨詢意見；分享關(guān)于SMR的國家和國際計劃信息等。

工作組下設(shè)三個小組，分別是：

·SG-1：通用用戶需求和標(biāo)準(zhǔn)（GURC）的開發(fā)；

·SG-2：研發(fā)與創(chuàng)新；法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)；

·SG-3：產(chǎn)業(yè)化、工程設(shè)計、調(diào)試、制造、供應(yīng)鏈與建筑技術(shù)。

結(jié)合以往二代、三代大型商用核電站運行經(jīng)驗和能源市場情況，IAEA有針對性地設(shè)定了SMR發(fā)展目標(biāo)（見表1）。

面對當(dāng)前各國小堆發(fā)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(chuàng)造性的設(shè)計和技術(shù)；

·項目的連續(xù)性，與其他替代電/熱源的成本競爭力，穩(wěn)健的供應(yīng)鏈和可行的融資方案；

·監(jiān)管框架，執(zhí)照許可途徑：全球部署所需要的協(xié)調(diào)工作；

·發(fā)展核能基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)堆在全球安全可靠部署，IAEA于2022年面向成員國發(fā)起《核協(xié)調(diào)與標(biāo)準(zhǔn)化倡議（Nuclear Harmonisation and Standardisation Initiative， NHSI）》，旨在建立一個涵蓋全球核能監(jiān)管機構(gòu)、核能企業(yè)、技術(shù)持有者以及相關(guān)國際組織的交流平臺，在小型模塊化反應(yīng)堆行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管要求方面開展廣泛討論，凝聚共識，形成通用的業(yè)界規(guī)范和統(tǒng)一的監(jiān)管方法。

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

監(jiān)管組設(shè)立目標(biāo)是加強國際監(jiān)管合作，避免重復(fù)審查工作，在不損害核安全和國家主權(quán)的前提下提升效率并達(dá)成共同的監(jiān)管立場。監(jiān)管組設(shè)立三個工作組，分別負(fù)責(zé)共享信息框架構(gòu)建、許可設(shè)計預(yù)審查以及監(jiān)管經(jīng)驗借鑒。

工業(yè)組目標(biāo)是為小堆的制造、建設(shè)和運營開發(fā)制定標(biāo)準(zhǔn)化程度更高的工業(yè)方案，從而縮短執(zhí)照申請時間，降低成本，并最終縮短部署周期。SMR商業(yè)模式通常基于批量生產(chǎn)，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的首座反應(yīng)堆部署后，周期與成本將得以縮減。該組任務(wù)劃分為四個議題，分別是通用用戶要求及準(zhǔn)則協(xié)調(diào)、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)融合、實驗與模型驗證、基礎(chǔ)設(shè)施加速實施。

除了SMR技術(shù)工作組和《核協(xié)調(diào)與標(biāo)準(zhǔn)化倡議》外，為促進(jìn)小堆積極穩(wěn)妥可持續(xù)發(fā)展，IAEA還發(fā)起多項協(xié)調(diào)研究項目，包括“制定確定小型模塊化反應(yīng)堆部署應(yīng)急規(guī)劃區(qū)技術(shù)基礎(chǔ)的方法、方法和標(biāo)準(zhǔn)”“增強小型模塊化反應(yīng)堆競爭力和早期部署的技術(shù)”“小型模塊化反應(yīng)堆（SMR）項目的經(jīng)濟(jì)評估：方法和應(yīng)用”等。

圖1　IAEA核協(xié)調(diào)與標(biāo)準(zhǔn)化倡議

（ 二 ）經(jīng)濟(jì)合作組織核能署（OECD/NEA）

與IAEA全方位關(guān)注小堆開發(fā)略有不同，OECD NEA更側(cè)重發(fā)展小堆技術(shù)以外的市場推廣、應(yīng)用場景以及經(jīng)濟(jì)效益等問題。

2021年，OECD NEA發(fā)布《小型模塊化反應(yīng)堆：挑戰(zhàn)與機遇》報告。報告詳述了SMR技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征、牌照頒發(fā)和監(jiān)管事宜、法律框架、政策指引等核工業(yè)及能源投資領(lǐng)域所關(guān)注的話題。報告中列舉了小堆發(fā)展所面臨的主要問題：

·技術(shù)選型；

·法規(guī)許可框架；

·新技術(shù)所帶來的不確定性；

·供應(yīng)鏈和燃料循環(huán)；

·公眾認(rèn)知與參與。

對此，NEA在報告中指出：小堆的開發(fā)，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(yīng)用范圍，從而為多個行業(yè)提供靈活、可調(diào)度的低碳電力和熱力服務(wù)；小堆經(jīng)濟(jì)性的提升需要以大規(guī)模部署為前提，隨著技術(shù)日趨成熟，風(fēng)險將逐步降低，促使政策、資金加大支持力度，供應(yīng)鏈不斷完善；為確保小堆市場的良性發(fā)展，政府、監(jiān)管機構(gòu)、供應(yīng)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(dāng)調(diào)整審查機制，發(fā)展制造能力，協(xié)調(diào)公共關(guān)系。

為了跟蹤各SMR型號開發(fā)進(jìn)展，提供項目相對全面、準(zhǔn)確的進(jìn)度評估，NEA近期開發(fā)了一套綜合評價方法（NEA SMR Dashboard）。該方法結(jié)合小堆公開數(shù)據(jù)和專家判斷，評估了技術(shù)成熟度之外確保項目成功的六類關(guān)鍵條件，包括：1）執(zhí)照申請準(zhǔn)備；2）廠址狀態(tài)；3）融資情況；4）供應(yīng)鏈完備度；5）合作方數(shù)量；6）燃料開發(fā)程度。每一類關(guān)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(jìn)展或信息未公開，5級為進(jìn)展程度最高。

NEA對目前全球數(shù)十種小型模塊化反應(yīng)堆和第四代核能系統(tǒng)進(jìn)行了篩選，對21個小堆型號根據(jù)該方法進(jìn)行了商業(yè)化和部署進(jìn)展評估。目前NEA評估項目仍在進(jìn)行中，尚未公開發(fā)布評估結(jié)果。

NEA SMR Dashboard為業(yè)界衡量小堆開發(fā)進(jìn)展提供了新視角，通過直觀的方式將開發(fā)進(jìn)度拆解成不同指標(biāo)，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(tǒng)國際論壇（GIF）

GIF于2001年成立后，長期致力于推動六種先進(jìn)核能系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)與國際合作。在全球達(dá)成碳減排共識前，盡管核能保持著一定比例的非電力應(yīng)用（ 如城鎮(zhèn)供暖、海水淡化等 ），但經(jīng)濟(jì)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(huán)境充滿了不確定性，包括核能技術(shù)在內(nèi)的未來能源系統(tǒng)，將進(jìn)一步向更加可靠、環(huán)保、有彈性的綜合能源系統(tǒng)發(fā)展。在此情景下，GIF除了繼續(xù)保持對第四代核能系統(tǒng)的開發(fā)力度外，成立了核熱非電力應(yīng)用任務(wù)組，負(fù)責(zé)核能非電力應(yīng)用領(lǐng)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(fā)揮關(guān)鍵作用。通過該任務(wù)組，GIF旨在向其簽署國提供適當(dāng)?shù)闹R和分析工具，使決策者能夠針對不同的社會經(jīng)濟(jì)和地理環(huán)境找到最佳的能源系統(tǒng)解決方案。

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

　圖2　GIF框架下先進(jìn)核反應(yīng)堆與核能產(chǎn)品的應(yīng)用路徑圖

GIF試圖對復(fù)雜能源供應(yīng)矩陣提出解決方案。第四代反應(yīng)堆技術(shù)與非電力應(yīng)用場景相結(jié)合的最優(yōu)解，涉及多標(biāo)準(zhǔn)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(shù)的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。矩陣對應(yīng)了3種功率等級、6種第四代核能技術(shù)和6種非電力應(yīng)用場景。

核熱非電力應(yīng)用任務(wù)組采用了簡化的方式研究復(fù)雜能源供應(yīng)矩陣，并總結(jié)出當(dāng)前形勢下第四代核能技術(shù)現(xiàn)狀、熱電聯(lián)產(chǎn)或其他非電力應(yīng)用方案需要開展的行動：

·突破現(xiàn)有技術(shù)與執(zhí)照申請方面的障礙；

·確定非電力應(yīng)用對反應(yīng)堆運行等提出的具體要求和規(guī)范；或提出相應(yīng)方案解決潛在的限制；

·從安全、執(zhí)照申請、互通性、耦合系統(tǒng)的可靠性、過程控制、瞬態(tài)管理等方面分析第四代反應(yīng)堆與核熱非電力應(yīng)用過程耦合的結(jié)果；

·從政府行政角度分析支撐相關(guān)復(fù)雜系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件（ 例如，國家政策、特定地理環(huán)境、發(fā)展工業(yè)所需的基礎(chǔ)設(shè)施等 ）；

·分析非電力應(yīng)用生產(chǎn)設(shè)施與核電廠共用廠址/耦合在法規(guī)層面的挑戰(zhàn)；

·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(shù)和經(jīng)濟(jì)特性。

圖3　第四代反應(yīng)堆系統(tǒng)矩陣、反應(yīng)堆尺寸和應(yīng)用場景

三、先進(jìn)核能系統(tǒng)未來展望

近年來，全球能源結(jié)構(gòu)正在向綠色、清潔、低碳轉(zhuǎn)型，以小型模塊化反應(yīng)堆為代表的先進(jìn)核能系統(tǒng)將在未來能源系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。小型模塊化反應(yīng)堆概念的興起，催生了核能行業(yè)的一系列變革。安全、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)等先進(jìn)核能理念均被納入近期開發(fā)的小堆發(fā)展目標(biāo)。與大型反應(yīng)堆相比，小堆主要具有以下顯著優(yōu)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(xiàn)場施工；

·較低的功率水平使小堆系統(tǒng)設(shè)計更為簡化（ 如采用完全非能動系統(tǒng)，縮小應(yīng)急規(guī)劃區(qū)域 ）；

·供應(yīng)鏈體系改進(jìn)，具備批量建造更多小堆設(shè)備裝置的能力，使小堆進(jìn)一步縮短建設(shè)周期、降低成本、提高質(zhì)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(yè)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(yīng)急計劃區(qū)范圍最小化，從而使SMR與工廠或化工設(shè)施等用戶共用廠址，提升聯(lián)產(chǎn)部署的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

本文梳理了近期主要國際組織在先進(jìn)核能領(lǐng)域的部分行動，通過以上特點可以看出，先進(jìn)核能系統(tǒng)的開發(fā)更強調(diào)安全性、經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)性等特征的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。為達(dá)到這一目標(biāo)，結(jié)合IAEA等國際組織的理念與經(jīng)驗，本文嘗試對我國未來先進(jìn)核能系統(tǒng)發(fā)展提出以下建議：

1.技術(shù)開發(fā)、法規(guī)監(jiān)管、供應(yīng)鏈配套、市場推廣等方面的協(xié)同發(fā)展對開發(fā)下一代先進(jìn)核能系統(tǒng)至關(guān)重要，在此過程中需要重視用戶要求文件的指導(dǎo)意義和標(biāo)準(zhǔn)化體系的促進(jìn)作用；

2.政府、監(jiān)管機構(gòu)、供應(yīng)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(guī)審查機制，發(fā)展制造業(yè)與供應(yīng)鏈，協(xié)調(diào)公共關(guān)系；

3.結(jié)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(gòu)建清潔低碳的綜合能源系統(tǒng)；

4.建立有效的創(chuàng)新機制，加大研發(fā)投入，包括小堆燃料材料研制，AI等先進(jìn)技術(shù)在小堆中的應(yīng)用研究以及小堆設(shè)計和安全分析軟件開發(fā)等，全面推動先進(jìn)核能系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)突破。 

（作者:李漢辰  單位：中國核能行業(yè)協(xié)會）