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張東輝:把綠色能源的飯碗端在自己手里

來源:中國核工業(yè) 發(fā)布日期:2024-09-05

?中核集團(tuán)首席科學(xué)家 張東輝


“能源安全是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性問題,對國家繁榮發(fā)展、人民生活改善、社會長治久安至關(guān)重要。”“立足我國國情,緊跟國際能源技術(shù)革命新趨勢,以綠色低碳為方向,分類推動技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新,并同其他領(lǐng)域高新技術(shù)緊密結(jié)合,把能源技術(shù)及其關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)培育成帶動我國產(chǎn)業(yè)升級的新增長點。”


黨的十八大以來,習(xí)近平總書記多次強(qiáng)調(diào)“能源的飯碗必須牢牢端在自己手里”,為建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系指明了前進(jìn)方向。


按照我國核能發(fā)展“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰(zhàn)略,大力開展第二步的快堆發(fā)展,正是中核集團(tuán)深入學(xué)習(xí)貫徹落實習(xí)近平總書記重要指示批示精神的具體行動。

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戰(zhàn)略能源:快堆發(fā)展的兩次熱潮


到目前為止,快堆還是一項公眾所知不多的技術(shù)。


化石能源和核能都是能量密度較高,可以儲運及靈活使用的能源。但鈾資源中的能源又分為兩部分:一部分是蘊(yùn)藏在鈾-235中的能源,這部分能源可以通過熱中子反應(yīng)堆加以利用。但可惜的是,由于鈾-235僅占天然鈾的0.7%,這部分能源的總量僅有化石能源的1/15,在能源體系中僅能起到補(bǔ)充作用;核能的另外一部分是蘊(yùn)藏在鈾-238中的能源,鈾-238在天然鈾中占99.3%,快堆技術(shù)可以把這部分能源充分利用起來,其能源總量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出所有傳統(tǒng)化石能源的總和!由此,有了快堆的核能就可以成為一種戰(zhàn)略能源,而不僅僅是一種補(bǔ)充能源。這就是為什么從上世紀(jì)40年代開始,直到現(xiàn)在還有這么多國家孜孜以求地研究快堆的原因。


國際上對核電技術(shù)發(fā)展采用代際來劃分,一代到三代發(fā)展的主力堆型是熱中子堆,每一代之間主要是技術(shù)改良,提高經(jīng)濟(jì)性和安全性;四代核電則直接躍升為革新性技術(shù),即不僅僅局限于單純的單一目標(biāo)改進(jìn),而是從安全性、可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性和防擴(kuò)散四個方面全面滿足未來核能發(fā)展需求。


目前國際上已列入四代核電的六種堆型中有三種是快堆,即鈉冷快堆、氣冷快堆和鉛冷快堆。其中,鈉冷快堆因增殖比高、嬗變長壽命放射性核素能力強(qiáng)以及固有安全性高三個特性,成為四代核電的首選堆型。


世界快堆發(fā)展經(jīng)歷了兩次熱潮。從1946年美國建成世界上第一座實驗快中子反應(yīng)堆克列曼汀(Clementine)開始,到20世紀(jì)七八十年代,西方國家為了解決能源危機(jī)問題,大力發(fā)展核電,由于看到熱堆對鈾資源利用率低,限制了核能發(fā)展的規(guī)模,發(fā)展快堆成為了必須,這是第一次快堆發(fā)展熱潮。


但是,隨著石油危機(jī)的解決和西方經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型,西方國家對能源需求放緩,20世紀(jì)90年代中期后,世界快堆和核能一起進(jìn)入低潮期。


進(jìn)入21世紀(jì),隨著中國等發(fā)展中國家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,以及全球變暖的影響,清潔能源的強(qiáng)勁需求再一次讓核電成為重要選擇,快堆發(fā)展迎來第二次熱潮。


作為四代核電里研究最為廣泛深入、運行經(jīng)驗最多的堆型,鈉冷快堆目前已有超過400堆年的運行經(jīng)驗,是其中發(fā)展最快、技術(shù)積累最豐富的堆型。這種堆型對環(huán)境更加友好,應(yīng)對嚴(yán)重事故的能力更強(qiáng),技術(shù)上已不需要廠外應(yīng)急。


美國物理學(xué)家費米曾經(jīng)說過:“首先發(fā)展增殖堆的國家將在原子能事業(yè)中得到巨大的競爭利益。會建增殖堆的國家實際上已經(jīng)永遠(yuǎn)解決了能源問題。”快堆技術(shù)的發(fā)展和推廣,對我國實現(xiàn)能源安全、以及核能的可持續(xù)綠色發(fā)展具有重要意義。


創(chuàng)新能源:中國快堆發(fā)展之路


我國快堆起步于上世紀(jì)60年代,在當(dāng)時建立了一批中子學(xué)、熱工流體、鈉技術(shù)、燃料、材料等實驗設(shè)施。其中最重要的一個設(shè)施,是快堆零功率裝置——代號“東風(fēng)六號”,又被當(dāng)時的快堆前輩們稱為“小毛驢”。1969年6月29日,中國快堆事業(yè)的開拓者和奠基人徐銤院士作為東風(fēng)六號值長,成功實現(xiàn)了裝置的首次臨界,給我國快堆發(fā)展打下了扎實的基礎(chǔ)。


但當(dāng)時中國國力還比較弱,投入的資源有限,發(fā)展比較緩慢。直到1986年,面對世界高技術(shù)蓬勃發(fā)展、國際競爭日趨激烈的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),我國實施啟動了以“高技術(shù)研究發(fā)展”為主體的“863計劃”,旨在以前沿技術(shù)研究發(fā)展為重點,統(tǒng)籌部署高技術(shù)的集成應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化示范,充分發(fā)揮高技術(shù)引領(lǐng)未來發(fā)展的先導(dǎo)作用,快堆作為能源領(lǐng)域的最大項目也位列其中。自此,我國快堆發(fā)展駛上了快車道。


按照技術(shù)規(guī)律,為避免大的技術(shù)風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險,國際上大多數(shù)國家研發(fā)選用的是四步走方式,即:實驗堆-原型堆-示范堆-商用堆。中國根據(jù)自身的國情和發(fā)展需要,通過審慎研究,最終確定我國快堆“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略,即:實驗堆-示范堆-商用堆。幾十年的快堆技術(shù)研發(fā)積累和國家工業(yè)能力的整體提升,也讓我們有信心也有能力跨過這一步。


快堆發(fā)展除了可以為人類提供一種現(xiàn)實的無盡能源,更為和平、安全、環(huán)境友好利用核能給出了優(yōu)質(zhì)答案。其鈉冷快堆常壓運行、高熱工安全裕度、可靠的非能動安全都確保了反應(yīng)堆在各種工況下的安全性;一體化鈉冷快堆的鈾钚不分離技術(shù)確保了核不擴(kuò)散和核能的和平利用;同時,鈉冷快堆還具備優(yōu)秀的環(huán)境友好性,400多堆年的運行經(jīng)驗表明,鈉冷快堆對環(huán)境的劑量的影響和廢物產(chǎn)生量比傳統(tǒng)的熱堆技術(shù)要低大約兩個量級,特別是將長壽命放射性廢物進(jìn)行焚燒的功能,可以讓裂變核能成為完全的綠色能源。


我國快堆發(fā)展也有效推動了中國核電裝備制造業(yè)的創(chuàng)新和跨越式發(fā)展。目前,我國已經(jīng)有能力制造全部大型鈉冷快堆的關(guān)鍵設(shè)備,且性能指標(biāo)位于世界前列。我國已經(jīng)形成了世界上最為完備的快堆產(chǎn)業(yè)鏈,可以滿足從幾萬千瓦到百萬千瓦全譜系快堆電站的材料和設(shè)備需求。


可持續(xù)能源:一體化快堆的責(zé)任和使命


我國核能戰(zhàn)略目標(biāo)為:在有限的時間窗口內(nèi)成為大規(guī)模可持續(xù)的主力清潔能源,支撐我國能源安全和“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)!


這一戰(zhàn)略目標(biāo)決定,承載著“支撐核能大規(guī)模、可持續(xù)發(fā)展;快速增殖、擴(kuò)大核能總量;自主資源可支撐核能在目標(biāo)容量下長期發(fā)展”使命和任務(wù)的一體化先進(jìn)閉式循環(huán)快堆核能系統(tǒng),簡稱一體化快堆。這是核能發(fā)展的高階形態(tài)。


一體化快堆由快堆、燃料再生子項及其它配套子項組成,位于同一廠址,構(gòu)成一個完整高效的核能系統(tǒng)。一座百萬千瓦一體化快堆一年只需要1噸多的貧鈾即可保持運行,同時還可以燃燒5座百萬千瓦壓水堆產(chǎn)生的長壽命放射性廢物,且安全性還能保持在更高水平。一體化快堆通過廠內(nèi)核燃料的快速循環(huán),同時實現(xiàn)鈾資源高效利用和廢物最小化,這是對傳統(tǒng)核電概念的拓展和升級,是創(chuàng)新性的“四代+”技術(shù)。


目前我國的核電站都建在沿海,而快堆的蒸汽參數(shù)高,常規(guī)島冷卻方式可以采用風(fēng)冷,脫離對水源的依賴。此外,快堆具有良好的調(diào)峰特性,可以在內(nèi)陸干旱地區(qū)與大型的風(fēng)電、光電站近址匹配建設(shè),形成可以穩(wěn)定輸出的大型清潔能源基地。


快堆蒸汽溫度僅次于高溫堆,將近500攝氏度的蒸汽溫度可以滿足化工企業(yè)大多數(shù)的蒸汽需求。此外,將快堆和熔鹽裝置耦合,將具備更大的靈活性,全方位提供化工基地等汽/熱用戶各種參數(shù)的蒸汽。


作為未來低碳能源體系的發(fā)展需要,在壓減火電的同時,應(yīng)考慮電網(wǎng)中具備轉(zhuǎn)動慣量的電站的設(shè)置,其中核電是最佳的選擇之一。快堆蒸汽參數(shù)與火電相近,可以在火電廠址原址上開發(fā)適用于火電廠址的專用型號,將鍋爐替換掉,實現(xiàn)火電的升級換代。


快堆作為第四代核能系統(tǒng)的主力堆型,具備大幅度提高鈾資源利用率、嬗變長壽命放射性核素的特性,可以實現(xiàn)核能作為低碳主力能源大規(guī)模可持續(xù)發(fā)展,是典型的新質(zhì)生產(chǎn)力。快堆技術(shù)靈活,可以開發(fā)系列型號,滿足市場多方面的需求。包括后處理在內(nèi)的快堆—壓水堆二元體系的完美匹配,可以構(gòu)建我國核能發(fā)展的基座,支撐核能在碳中和及后碳中和時代發(fā)揮戰(zhàn)略性作用,長期保證國家的能源安全。


(本文根據(jù)作者在廣西南寧“核能創(chuàng)新·低碳未來”論壇上的講話整理)


來源|《中國核工業(yè)》雜志 2024年第7期

編輯|韓建超

審校|連   敏


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