赋能新质生产力→全球核能科技前沿一览 | 科技导报

核能是重要的清洁、低碳、安全、高效的能源形式，未来一段时期，二代核电将会陆续退出运行，三代核电技术即将成为全球主流，各国也积极开展第四代反应堆、小型模块化反应堆以及空间堆等科技前沿领域的研究。

2022年以来在政治、气候、疫情等因素的影响下，世界各国制定并实施了一系列关于核能产业发展的政策和措施。美国在2022年10月对采用AP1000技术的沃格特勒核电站3号机组进行首次装料，2023年7月实现并网发电，这是美国自哈里斯核电站1号机组开工35年以来正式启动并完成建设的核电机组。法国在2021年底宣布大规模重振核电发展，2023年6月进一步颁布《加速核能发展法案》，预计在2050年前新建6~14座反应堆。英国计划在2050年前将核电机组装机量由目前的6吉瓦提升至24吉瓦。韩国政府目前正在积极打造核电生态圈据点，成立核能出口战略委员会以促进韩国核电出口。

在小型模块化反应堆研究方面，2023年美国核管理委员会（Nuclear Regulatory Commission，NRC）发布了认证NuScale电力公司的小型模块化反应堆的最终规则，使其成为监管机构批准在美国使用的第七个反应堆设计，也是第一个小堆。法国在支持加速国际模块化小堆取证、推进小堆法规协调方面处于领先地位。俄罗斯“罗蒙诺索夫院士号”商用海上浮动核电站于2019年12月并网发电，属于小型紧凑式模块化小堆，可用于供电和供应蒸汽进行海水淡化。在事故状态下，可通过非能动安全系统达到应急停堆冷却、堆芯应急冷却、堆腔淹没、安全壳应急降压等功能。2023年7月由中国中核集团研制的全球首个陆上商用模块化小堆“玲龙一号”反应堆（ACP100）核心模块完成出厂验收，有望在2025年年底实现并网发电。

在空间堆研究方面，俄罗斯国家航天集团参与研发的“宙斯”核动力太空拖船配装了兆瓦级动力装置，已经具备太空运行能力。2022年8月，由中国数十家单位联合承担的“兆瓦级超小型液态金属冷却空间核反应堆电源”项目通过验收。该项目形成了一套国产自主化三回路空间堆电源系统设计方案，在大规模、长时间的航天任务中将具有优良的应用潜质，未来为中国航天动力的发展提供了一条可行的技术路径。

2021年9月，联邦聚变系统公司（CFS）和麻省理工学院等离子体科学与聚变中心报道了高温超导磁体的成功测试。2022年12月13日，美国能源部正式宣布惯性约束核聚变激光点火成功，加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室于12月5日首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益（Net EnergyGain）”。近年来，世界各国的民间投资正大量流入聚变技术研究领域，私营公司数量激增。相较于2022年，私营聚变技术公司由33家增加至43家，来自美国的25家公司占据了数量上的主导地位；英国、德国以及日本国内则各有3家公司，数量位于美国之后；中国国内目前共有2家私营性质公司，分别是新奥科技发展有限公司以及能量奇点能源科技有限公司。

东方超环（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）是由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所设计研制的世界上第一个“全超导非圆截面托卡马克”核聚变实验装置。EAST不断追求在等离子体参数、约束性能和长时间稳态运行上的突破，不断探寻未来聚变堆的高约束稳态运行模式，稳步推进等离子体物理研究，为国际热核聚变实验堆（ITER）和中国聚变工程实验堆（CFETR）设计建设奠定科学与技术基础，推动着中国在磁约束核聚变领域研发能力和科技水平的提升。

从20世纪80年代以来，实现长时间高约束放电一直是国际聚变界追求的目标和挑战性极大的前沿课题。为此，国际上也建立了众多托卡马克大实验装置，如国际热核聚变实验堆（ITER）装置、美国托卡马克聚变试验反应堆（TFTR）装置、欧洲联合环（JET）等。

在“双碳”目标下，能源行业面临低碳化转型，这就要求增加清洁能源的使用占比以及优化化石能源的利用过程达到碳减排的目的。核能作为一种稳定、清洁且利用技术较为成熟的能源，在推动低碳化进程中具有重要作用。与其他能源的耦合，成为进一步利用核能的新路径。

核能制氢是一种低碳甚至无碳化制氢技术，可支持氢气进行大规模生产。高温热化学循环与高温蒸汽电解两种工艺满足无温室气体排放、清洁、效率高的要求，是目前被用来与核能结合的主流制氢工艺。包括中国、美国、俄罗斯在内的世界主要核工业国家均在积极推进核能制氢。针对核能与氢能的耦合，围绕核电系统、制氢工艺和耦合装置等已有许多研究。

因为光热装置的存在，核能与太阳能可以进行热耦合。太阳能辅助压水堆核电站二回路发电系统利用光热装置产生的蒸汽代替压水堆二回路蒸汽为二级再热器供热，使得二回路主蒸汽可以全部用来推动汽轮机做功，提高了压水堆核电机组的效率，同时也充分利用了核电站周围的太阳能。

煤炭作为主要能源之一，满足了全球五分之二的电力需求，但煤炭燃烧和加工产生的一氧化碳与二氧化碳也是温室气体的主要来源之一。核能参与煤炭利用过程是降低煤炭行业碳排放量的一种有效途径，正在探索之中。

核反应堆是一个由中子场、温度场、流场、应力场、化学场等多个物理过程相互紧密耦合的系统。因此，先进核反应堆数值模拟涉及多学科交叉，需要解决的是以反应堆为对象的多尺度、大规模、多物理耦合问题。

耦合需要的程序与耦合技术是程序耦合的两个主要部分，对于不同的程序，选取合适的耦合方式可以提高计算的速度与稳定性。从数值求解的角度可将耦合方式分为强耦合和弱耦合。从数据传递的角度又可将耦合方式分为串行耦合和并行耦合。程序在耦合过程中对空间的划分和时间的迭代也有很多的方法。空间的划分可以分为两种：区域分解耦合方法和区域重叠耦合方法，主要用在多尺度耦合上。时间上可分为三种：显式耦合方式、半隐式耦合方式以及隐式耦合方式。

热工水力分析是反应堆分析的重要组成部分，也是其他物理过程分析的基础。根据模型的分辨率，可将热工水力学程序分为三类：热工水力系统分析程序、热工水力堆芯子通道计算程序以及计算流体力学程序（CFD）。不同尺度的热工水力分析程序各有优势，将上述热工水力分析程序进行耦合，可大幅度提高热工水力分析程序的性能。

图5 数字孪生的概念及相关特征（引用）

美国爱达荷州国家实验室（INL）使用传感器数据和开源技术构建了微堆敏捷非核实验试验台（MAGNET）的虚拟模型，以创建一致的信息流并实现实时数据共享。2022年7月，研究人员对模拟微堆进行了首次数字孪生测试，成功预测了热管温度，并能够检测到温度异常值。法国艾西斯腾公司（Assystem）与微堆开发商Naarea公司签署“联合研发超小型模块堆”的合作协议。其中，艾西斯腾负责反应堆数字孪生模型的开发。加拿大2022年1月联合发布《加拿大核工业先进制造发展路线图》，目标之一是组建核工业先进制造联盟。数字孪生技术是该联盟重点关注的技术领域之一。2022年10月，中核集团核工业计算机应用研究所与北京航空航天大学成立核工业数字孪生工程技术联合实验室。此外，美国的智能核资产管理发电（GEMINA）项目、法国的反应堆安全壳的现实验证（VERCORS）项目、俄罗斯的突破（Provy）项目、英-日的LongOps项目等都是对核能领域应用数字孪生技术的探索项目。

1）故障预测与预防。核反应堆的数字孪生系统具有模拟功能，维护过程能够在组件发生故障前进行，防止发生事故而导致严重后果。

2）状态监测。数字孪生能够提供与技术规范相关的实时信息、集成与分析，通过历史记录、产出表现和技术判断等信息充分支持各类操作决策。

3）应急响应与决策。数字孪生可基于物理模型，辅助神经网络模型，在罕见紧急情况或事故中进行预测响应，提高响应效率。

2）对复杂且动态变化的多源异构数据的关联和交互是实现数字孪生技术的一个巨大挑战。

3）建立核反应堆的数字孪生系统需开发多领域统一建模平台，实现多领域方程联合求解，降低不同模型在融合过程的误差，并提高设计和建模效率。

4）仪器和数值模型数据的不确定性评估。

反应堆热工水力试验台架是采用比例模化方法对反应堆进行模拟的实验装置，用于分析反应堆正常运行及事故瞬态下的热工水力现象。试验台架实验数据可为核电厂的系统设计和安全分析，以及程序的验证和评估提供支持。近几十年来，各国建设了众多反应堆热工水力试验台架。同时，为了更好地收集、整理和保存热工水力试验台架相关的实验信息与实验数据，国际上已经建立了一些专门的数据库，例如TIETHYS（The International Experimental Thermal Hydraulics Systems Database）、STRESA（Storage of Thermal Reactor Safety Analysis Data）、SANIS（Simulation and Experimental Analyses Network Information System）等。

随着核电的快速发展，核电站产生的核废物处理处置问题已引发广泛关注。中国开展的多层级放射性废物管理评估，有效地提升了放射性废物安全管理水平，业绩显著。2022年11月24日，龙和国家集中处置场开始接收首批核电废物。这标志着中国首个国家级核电废物集中处置场正式投入运行。中国已规划在甘肃北山建造首座高放废物处置地下实验室。

核电站放射性废液处理工艺包括化学沉淀法、吸附法、离子交换法、生物处理法和膜分离法。膜工艺在放射性废液处理方面具有巨大的潜力。吸附法是利用多孔性固态物质吸附去除放射性水中核素离子的一种有效方法。吸附法的关键是不同吸附剂对放射性废水中核素的吸附效果有较大差别。因此，制备高效的吸附剂是吸附法处理放射性废液的研究重点。Penzin等研究结果表明，相比胶结、深度蒸发，离子选择性净化方法是最有效的，因为它显著减少了转运处理的中放废物的体积。

从高放废液中选择性去除放射性核素也是一个十分有前景的研究方向。对于无法选择性去除的放射性核素，目前的处理方式就是进行固化处理。高放废物玻璃固化是目前世界上唯一工程化应用的固化方式，美国、法国、日本、德国、俄罗斯、比利时、印度、中国等均采用该技术实现了高放废液的固化处理。目前，国际上高放废液玻璃固化体的处置方式均采用深地质掩埋，因此对于深地质处置条件下，固化体的长期化学稳定性也是一个十分重要的研究内容。

中国高放废物的处置采用“三步走”式的发展战略，从选址到建立地下实验室最后到设立高放废物处置库。2021年6月17日，高放废物地质处置地下实验室工程建设项目开工动员大会在甘肃北山新场场址举行，标志着中国高放废物地质处置正式进入“三步走”的第二步，即地下实验室阶段。

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