競逐第四代核能

張慧

在全球在建核電都逐步過渡到三代技術的同時，第四代核能系統已經成為全球核能研究人員在未來多年內重點研究的課題。

2014年4月中旬，在北京舉辦的第十三屆中國國際核工業展覽會上，中國核工業建設集團公司（以下簡稱“中國核建”）在其展臺展示的主角是60萬千瓦球床模塊式高溫氣冷堆商用核電站主題模型。

作為當前中國核建重點推薦的堆型之一，高溫氣冷堆被稱為“具有第四代核能系統特征”的先進堆型，在這個以“三代核電技術”為主流的展廳內，引來不少參展觀眾對它的關注。

而與此同時，其示范工程——位于山東榮成的石島灣高溫氣冷堆項目正在抓緊時間建設中。2007年1月，中國核建和中國華能集團公司、清華大學合作，各出資32.5%、47.5%、和20%組建了石島灣核電公司，負責示范工程的建設與運營管理。

此示范項目被冠以“世界首臺具備第四代核能系統安全特性的商用核電機組”的稱號。雖然裝機容量只有20萬千瓦， 中國核建、華能集團、清華大學對此都寄予厚望，因為這決定了它的擴大機組——60萬千瓦裝機容量的高溫氣冷堆項目能否向前推進。

受2011年福島核事故的影響，核電的安全性成為發展核電國家最為重視的問題。在全球在建核電都逐步過渡到三代技術的同時，第四代核能系統已經成為全球核能研究人員在未來多年內重點研究的課題。在他們看來，第四代核能系統代表了先進核能系統的發展趨勢和技術前沿。

反觀我國，除上述三家致力于高溫氣冷堆的企業、學校外，多家核能研究機構都對第四代核能系統頗感興趣。“我國對于第四代核能系統的研究，技術上不是最先進的，但熱情度絕對是最高的。”中國原子能科學研究院一不愿具名的工程師對《能源》雜志記者笑稱。

多家技術并存

1999年，美國能源部（DOE）首次提出了第四代核電站的倡議，并于2000年1月，發起組織了巴西、加拿大、法國、日本等九個國家，就開發第四代核電的國際合作問題進行了討論。6個月后，這九個國家成立了第四代核能系統國際論壇（簡稱GIF）并簽署了協議。

根據GIF的定義，所謂第四代核能系統，必須具有四個重要的特征：核能的可持續利用——通過對核燃料的有效利用，實現提供持續生產能源的手段、實現核廢物量的最少化；經濟性——發電成本優于其他能源，資金的風險水平能與其他能源相比；安全與可靠性——大幅度降低堆芯損傷的概率及程度，并具有快速恢復反應堆運行的能力，取消在廠址外采取應急措施的必要性；防擴散與實物保護——保證難以用于核武器或被盜竊。

此外，2002年9月在東京召開的GIF會議上，與會的十個國家（瑞士于2002年2月加入GIF），在94個概念堆的基礎上，確定了六種第四代核電站概念堆系統，即為：氣冷快堆系統；鉛合金液態金屬冷卻快堆系統；熔鹽反應堆系統；液態鈉冷卻快堆系統；超高溫氣冷堆系統；超臨界水冷堆系統。

2006年11月，我國科技部原部長徐冠華于代表中國政府簽署了GIF《憲章》。2007年11月楊潔篪外長簽署了《第四代核能系統研究和開發國際合作框架協定》加入書。因此，作為GIF的成員國之一，我國于2008年10月和2009年3月分別加入了超高溫氣冷堆和鈉冷快堆兩個系統安排。

“但實際上，除氣冷快堆外，其余5種系統堆型，我國都有相關的機構在關注和研究。”在2014年3月4日舉辦的中國參與第四代核能系統國際論壇（GIF）工作研討會上，中國工程院院士葉奇蓁對記者表示。

2014年3月5日，中國核能行業協會和中國科學院核能安全技術研究所聯合舉辦了“鉛基反應堆專題研討會”。在此會上，中國科學院核能安全技術研究所所長吳宜燦介紹了中國鉛基反應堆研究進展情況。

其十分推崇鉛基反應堆的發展前景，認為有望成為首個實現商業利用的第四代核能系統。

“經濟性好，適合作為高效增殖核燃料及嬗變核廢料的快中子反應堆冷卻劑；作為冷卻劑能夠使反應堆堆芯更緊湊，適合小型模塊化及船用核動力的發展；化學穩定性好，在事故條件下能夠依靠自然對流導出堆芯余熱，使反應堆具有固有安全性。”吳宜燦表示。

然而，在此之前，對于第四代核能系統，我國業界一直看好鈉冷快堆系統。它是中國原子能科學研究院主攻的技術。2010年，中國實驗快堆首次臨界成功，標志了中國在第四代核電技術方面取得了重大突破，因此被國內業界認為最有可能實現商業化運行的第四代核能系統。

至于另外兩種系統——熔鹽堆和超臨界水冷堆的研究開發，我國也不甘落后。中科院上海應用物理研究所積極投入到了釷基熔鹽堆項目研究。而超臨界水冷堆技術，則吸引了中國核動力研究設計院、中廣核旗下的中科華核電技術研究院以及上海交通大學等多家研究單位的關注。2013年年底，中國核動力研究設計院承擔的“超臨界水冷堆技術研發（第一階段）”項目已通過了國防科工局的驗收，項目提出了超臨界水冷堆的總體技術路線。

一時間，我國多種第四代核電技術并存，即使是業內人士，亦有不能準確說出哪種系統更具有發展前景的。

對于此種局面，部分業內人士認為，按照目前GIF對第四代核電的發展計劃，第四代核能系統將在2025年建成示范電站，2030年實現商用并廣泛推廣。因此，6種核能系統均處在研究發展當中，多線路的研究和關注是十分必要的。

但也有憂慮的聲音。“對于第四代核能系統，我國處于一個比較混亂、沒人管理的局面，國家層面并沒有好好的組織。只要有興趣、能向國家申請到資金，核能研究單位就可以去研究。”上述不愿具名的中國原子能科學研究院工程師對記者說，“這種局面帶來的不好之處在于研究力量分散，錢花不到刀刃上。”

據了解，其余國外國家，目前雖然也都關注第四代核能系統，但一般集中于一兩種技術，大多也是學校機構做一些科研項目，真正大規模投資要建設示范項目的并不多。

一直關注核電發展的大唐國際發電股份有限公司賈小波曾撰文指出：“我國應明確研發目標，集中力量摸索出中國自己的第四代道路。選定兩種適合中國國情的第四代堆型，考慮中國的核燃料資源狀況，考慮國內研發基礎、技術成熟度和堆型本身的優缺點。”

國防科工局一不愿具名的人士建議，在國家還沒有一個專門針對第四代核能系統有管理組織的情況下，應該聯合各家單位組建第四代核能系統辦公室或者召開一年一度的論壇。“現在政府頂層交流很少，大家都在各干各的，如果都在用國家的投資，會重復投資，浪費資金。”

受期盼的2017年

雖然GIF對第四代核電的發展目標聚焦在2030年前后，但事實上，多家研究第四代核能系統的企業、機構已經有些迫不及待，希望能夠盡快建立示范項目。而在記者的采訪中發現，2017年是個關鍵年份。因為多種第四代核能技術主導方都希望在這一年實現自己技術的突破發展。

據介紹，中國原子能科學研究院下的實驗鈉冷快堆已經在2012年通過了國家科技部的驗收，目前正在接受國防科工局的8項驗收。

該實驗快堆已經獲得了國家核安全局的同意，目前正在積極做各方面調試，爭取在今年年底做到100%功率運行，為示范電站做準備。

按照中國原子能科學研究院的規劃，如一切順利，將在2017年準備開工建設我國第一臺鈉冷快堆示范電站。而其第一候選廠址為福建的三明市。

對于石島灣的高溫氣冷堆項目來說，2017年則是其原計劃建成發電投產的年份。而鉛基反應堆之所以被中國科學院核能安全技術研究所認為有望成為首個實現商業利用的第四代核能系統，是因為俄羅斯代表明確表示計劃于2017年建成國際上首個液態鉛鉍冷卻示范反應堆。

此外，在此次第十三屆中國國際核工業展覽會上，美國泰拉能源公司（以下簡稱“泰拉能源”）的展位雖小，卻也吸引了不少關注。泰拉能源由比爾·蓋茨投資成立，其主推的行波堆技術，雖然不在GIF確定的6大第四代核能系統之中，但也屬于快堆技術，具有第四代核能系統特征。

泰拉能源高級副總裁、中國首席代表王定南向《能源》記者表示，泰拉能源已經與中核集團達成初步合作意向，計劃將行波堆首個示范堆建在中國，如合作順利，最早將于2017年開始開工建設。

據了解，泰拉能源的行波堆項目在美國難以落地，所以，其寄希望于中國。在泰拉能源看來，中國市場能為其行波堆技術成功推向商業化運行提供很好的條件。“只有中國才能使比爾·蓋茨的核電夢成真。中國需要核能的現實使核能的發展獲得政府的支持。”王定南說。

各家第四代核能技術似乎都在力推示范項目以及實現商業化的進程。事實上，對于這幾種技術本身，目前都存在需要克服的瓶頸。

被認為最有可能商業化的鈉冷快堆，安全性問題一直備受擔憂，因為存在發生鈉水反應事故的隱患。行波堆由于其目標在于30—40年不更換燃料，所以關鍵設備和材料的質量和壽命期限是需要解決的問題。

對于高溫氣冷堆，經濟性問題則十分突出。原計劃投資30億的石島灣項目，目前看還需再投入30多億。“建設成本能夠達到3—4萬元/千瓦時，”某業內人士表示，“示范項目是可以承受，要達到商業化推廣，成本太高。”

此外，在葉奇蓁看來，其最擔心的問題是第四代核能系統的產業鏈在未來會存在短板。“目前的資源都集中在研究核能系統上，但到了實際的工程建設上，會發現還有差距。如果系統可以商業化了，但是所需設備、燃料跟不上，還是沒辦法運行。”

多位業內人士向記者指出，當前第四代核能研究與實現商業化的研發過程不能形成有效的產業化鏈，如何把研究機構和產業應用企業連接起來是關鍵，否則將容易出現規模放大的工程可實現性、設備制造等問題，帶來前期投入“打水漂”的風險。