我國核電戰略性新興產業“十二五”培育與中長期發展展望

郭晴，蘇罡

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

我國核電戰略性新興產業“十二五”培育與中長期發展展望

郭晴，蘇罡

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

核電技術產業是我國戰略性新興產業中新能源產業的重要構成部分，發展核電符合我國綠色低碳能源戰略。按照科技突破引領產品升級，帶動產能提升和產業發展的思路，本文系統地分析“十二五”期間核電技術產業培育和發展成果，重點介紹福島事故后我國核電產業發展態勢和“華龍一號”等先進核電技術的安全和經濟特性，提出“十三五”乃至更長時期的發展趨勢和方向，包括發展基于快堆的核燃料閉式循環體系，聚變技術發展實現“三步走”戰略。通過小型模塊化反應堆技術探索核能多用途利用等，實現核電技術產業的規模化、可持續發展，在推動我國經濟平穩、持續增長，能源結構和工業結構優化升級方面發揮更大作用。

核電技術產業；戰略性新興產業；華龍一號；核燃料閉式循環；“三步走”戰略

DOI 10.15302/J-SSCAE-2016.04.009

一、前言

核科學技術是人類20世紀最偉大的科技成就之一，以核電為主要標志的和平利用核能，在保障能源供應、促進經濟發展、應對氣候變化、造福國計民生等方面發揮了不可替代的作用。

核電技術產業是我國戰略性新興產業中新能源產業的重要構成部分，在《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》中提出加快發展技術成熟、市場競爭力強的核電等新能源，明確了產業重點發展方向和主要任務[1]。核電技術產業應涵蓋核電站全生命周期，包括建造、運行和退役，并涉及核電全產業鏈和相關方，著眼于建立可持續發展的核燃料循環體系。

全面梳理“十二五”期間核電技術產業培育發展的主要領域，重點總結在各領域通過戰略性新興產業培育所取得的科技、產業發展成果，包括運行核電站、自主三代核電技術、具備四代核電特征的先進核電技術、核燃料前段和乏燃料后處理等后段；對于“十三五”乃至更長一段時間的產業發展方向做出展望，以期核電技術實現規模化、可持續發展，為核電技術產業發展提供參考。

二、核電是綠色低碳能源，具備戰略新興產業特性

核安全是國家安全體系的重要組成部分，核科技工業是國防建設的重要基石。核電作為能源，具有清潔、低碳、穩定、高能量密度的特點，在非化石能源中核電是增加能源供給的重要支柱之一，也是治理霧霾、滿足需求的重要手段。鈾資源能量密度高、體積小、燃料費用所占發電成本比重低，可以成為破解我國能源供需逆向分布矛盾的戰略選擇，在保障能源安全中具有特殊的戰略優勢；核能全生命周期碳排放量與風電相當，在我國低碳轉型中具有重要作用，是應對氣候變化的重要手段；核電生產過程不會向大氣釋放有害氣體和其他污染物，是建設生態文明的重要舉措。核電是高技術密集產業，是能源科技的重要支撐，是國家科技實力的重要標志；發展核電對提高材料、冶金、化工、機械、電子、儀器制造等幾十個行業的工藝、材料和加工水平具有重要的拉動作用，有助于推動從勞動密集型產業向技術密集型產業轉型；同時未來核能作為優質的一次能源，不僅可以用于大規模發電，還可以用來制氫、海水淡化、供熱制冷，對于滿足城鎮化的能源需求，乃至開發燃料電池汽車都具有重要戰略意義。據估計，2020年核電在運裝機將達到5.8×107kW，在建3×107kW，2020年核電生產運營產出約為2 000億元，拉動的總產出約為4 000億元[2]。

三、我國核電技術產業發展現狀

60多年前，黨中央做出了發展我國原子能事業的戰略決策，我國建立了完整的核科研和核工業體系。通過近30多年來的發展，我國核電產業已經初具規模，在運核電機組26臺，總裝機容量24.42 GW，世界排名第五；在建機組24臺，總裝機容量26.25 GW，占世界在建總裝機容量的36 %，居世界第一。

2015年全國累計發電量為5.618×1012kW·h，核電累計發電量為1.689×1011kW·h，約占全國累計發電量的3.01 %。與燃煤發電相比，核能發電相當于減少燃燒標準煤5.373×107t，減少排放二氧化碳1. 407×108t，減少排放二氧化硫4.568×105t，減少排放氮氧化物3.977×105t。各運行核電廠嚴格控制機組的運行風險，繼續保持安全、穩定運行，未發生國際核事件分級（INES）表中2級及以上的運行事件。按照國家環境保護法規和環境輻射監測標準，各運行核電廠、核燃料循環設施排放量均遠低于國家標準限值。核設施運行對運行人員、公眾和環境未造成影響[3]。

核工業不斷轉型升級，走出了“引進消化吸收”到“再創新”的成功路線，“十二五”期間，研制出具有自主知識產權的三代百萬千瓦核電技術“華龍一號”，實現出口并積極參與國際競爭，實現了核電“走出去”戰略。具有四代特征的中國實驗快堆實現滿功率運行，高溫氣冷堆開工建設，這些成果標志著我國進入了世界先進核電水平的第一陣營。航天核動力取得階段性成果，航海核動力創新升級，核醫學、核農學等領域應用也不斷豐富和擴展。

四、核電技術產業“十二五”培育和發展情況

（一）日本福島核事故后產業進入理性發展階段

2011年3月11日，日本福島發生核事故，根

本原因是極端外部自然災害，超強地震和隨即引起的大海嘯疊加造成，導致核電廠（沸水堆堆型）失去全部廠用電源，反應堆余熱無法導出，致使堆芯熔化、氫爆，大量放射性物質釋放。事故發生后，國務院決定暫停審批包括已開展前期工作的核電項目，并對在役和在建的核電站開展安全大檢查。檢查結果表明，我國核設施風險可控，安全有保證[4]。我國核電采用壓水堆技術路線，無論從堆型還是自然災害發生條件和安全保障方面來看，切爾諾貝利和福島核事故序列在我國不可能發生。

國家核安全局發布了《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求》[5]，對核電廠防洪能力、應急補水與相關設備、移動電源設置、外部極端自然災害應對等方面提出改進要求，這與國際核能界在總結福島核事故教訓后提出的安全要求和行動計劃是一致的，也體現了國際原子能機構（IAEA）最新版設計安全標準的要求。這些措施已在我國所有運行與在建核電廠全面實施。

國家核安全局還發布了《核安全與放射性污染防治“十二五”規劃及2020年遠景目標》[6]，要求“‘十三五’期間新建核電站要在設計上實現消除大規模放射性物質釋放的風險”。國家核安全局還對福島核事故之前就已經啟動的核安全立法工作高度重視，《核安全法》將在未來經全國人大常委會會議審議通過后發布。

（二）自主創新實現產業科技全面突破

1. 推出具有自主知識產權的先進壓水堆核電技術

我國自主開發的以“華龍一號”和“CAP 1400”為代表的系列壓水堆機型，采用先進的第三代核電技術，有完善的嚴重事故預防和緩解措施，全面貫徹縱深防御原則，設置多道實體安全屏障，實現放射性物質包容。特別是“華龍一號”以“177組燃料組件堆芯”、“多重冗余的安全系統”和“能動與非能動相結合的安全措施”為主要技術特征，采用世界最高安全要求和最新技術標準，滿足國際原子能機構的安全要求，滿足美國、歐洲三代技術標準，充分利用我國近30年來核電站設計、建設、運營所積累的寶貴經驗、技術和人才優勢；充分借鑒了包括美國西屋電氣公司非能動壓水堆(AP1000）、法國阿海琺公司歐洲壓水堆（EPR）在內的先進核電技術；充分考慮了福島核事故后國內外的經驗反饋，全面落實了核安全監管要求；充分依托業已成熟的我國核電裝備制造業體系和能力，采用經驗證的成熟技術，實現了集成創新。特別是針對關鍵的自主創新技術如非能動系統、堆芯和主設備開展了大規模的試驗驗證。這些試驗活動歷時多年，包括以下與非能動系統設計、堆芯和主設備相關的關鍵試驗：堆腔注水冷卻系統（CIS）驗證試驗、二次側非能動余熱導出系統（PRS）驗證試驗、非能動安全殼熱量排出系統（PCS）驗證試驗、反應堆水力學綜合試驗、反應堆旁流試驗、反應堆下空腔交混試驗、控制棒驅動線（CRDL）抗震試驗、流致振動試驗、蒸汽發生器驗證試驗等。

（1）總體技術特征

177組12英尺燃料組件的反應堆：采用先進燃料組件，將堆芯燃料組件數量從157組增加到177組，在提高堆芯額定功率的同時降低平均線功率密度，堆芯熱工裕量≥15 %，既增加了核電廠的發電能力又提高了核電運行的安全裕量。通過實施中核集團“壓水堆燃料元件設計制造技術”專項，三年實現三種類型輻照考驗組件入堆，實現“華龍一號”的“中國芯”。

冗余設置的安全系統：全面平衡地貫徹了核安全縱深防御設計原則和設計可靠性原則，創新性地采用“能動與非能動相結合的安全設計理念”，能動與非能動相結合的安全措施。能動安全系統是高效的，經過工程驗證的；非能動安全系統可有效應對動力源喪失，以非能動安全系統作為能動安全系統的補充，可在保證技術成熟性的同時，大幅提高安全性。針對基于概率論與確定論方法確定的嚴重事故序列采取了完善的嚴重事故預防與緩解措施，設計中強調了安全殼完整性的保持，達到概率安全目標：堆芯損壞概率（CDF）＜1.0×10–6/堆·年，大量放射性釋放概率（LRF）＜1.0×10–7/堆·年，能夠實現“在設計上實際消除大規模放射性物質釋放的風險”的目標。

廠址抵御地震災害有足夠的安全裕量：“華龍一號”設計基準地震加速度峰值達到0.3g，地震安全有充分保障。其采用雙層安全殼設計，外層安全殼采用鋼筋預應力混凝土設計，使包容其內的核燃料、關鍵設備能夠有效抵御商用大飛機的撞擊和其他可能的外部飛射物和爆炸。在設計中還針對超過

設計基準的小概率外部事件采用了疊加的設防措施，通過以上的廠址選擇與評價，保證了核電廠的設計擁有更高的安全裕度和安全性。

（2）提高經濟性和先進性的措施

應用破前泄漏（LBB）技術、先進的數字化儀控系統技術、三廢系統設計優化技術，滿足廢物最小化、輻射防護設計優化、消防設計優化等要求。“華龍一號”是在現有核電技術基礎上的持續改進和繼承發展，首堆建設國產化率不低于85 %，批量化建造后設備國產化率不低于95 %；關鍵設備供貨可以依托現有核電機組已經形成的國產化能力，使“華龍一號”國內示范工程的造價與目前全球在建的三代核電機組相比，具有競爭優勢。

2. 具備四代特征的先進核電技術發展

（1）快堆技術發展現狀及趨勢

快堆是由快中子引起鏈式裂變反應所釋放出來的熱能轉換為電能的核電站。快堆在運行中既消耗裂變材料，又生產新裂變材料，而且所產可多于所耗，能實現核裂變材料的增殖。發展快堆能增殖核燃料、提高鈾資源利用率，以及嬗變長壽命高放廢物，減少核廢物。

我國實驗快堆工程在中俄技術設計合作和設計咨詢基礎上，自主完成了我國實驗快堆工程初步設計、施工設計以及50余項設計驗證試驗。2011年7月，實現40 %功率并網發電。實驗快堆為鈉冷快堆，用液態鈉為冷卻劑，一回路常壓設計安全性好，池式設計為堆芯嚴重事故時提供了最快的初始熱阱；采用非能動的余熱排出方式，應對事故能力強；鈉的化學性質活潑，事故情況下提供了良好的放射性包容能力。上述鈉冷快堆的本征安全特征，有利于達成滿足第四代要求，實現堆芯熔化概率低于10–6/堆·年，任何事故不需要廠外應急的安全目標。

（2）高溫氣冷堆技術發展現狀及趨勢

高溫氣冷堆是基于早期的氣冷堆、改進型氣冷堆發展起來的，有堅實的技術基礎。高溫氣冷堆具有固有安全特性，從技術上消除了發生災難性核事故的可能性；同時，發展超高溫氣冷堆是解決未來核能制氫的重要途徑之一。我國在實驗堆的基礎之上開始了商業規模模塊式高溫氣冷堆核電站示范工程的科研與工程建設，2012 年12 月經國務院批準現場澆灌第一罐混凝土，示范工程的燃料元件、關鍵系統與設備的科研和工程驗證工作取得了一系列重大突破性成果。

3. 我國后處理產業發展現狀及趨勢

乏燃料后處理作為核燃料循環后段的關鍵環節，可以為快堆提供裝料，大幅度提高鈾資源的利用率。分離出的次錒系元素和裂變產物在快堆中以焚燒和嬗變等方式消耗，有利于實現核廢物的處理和處置，達到廢物最小化的目標，保障核能的綠色環保、可持續發展。

為了形成與核電發展相適應的可持續發展的后處理產業，2007年，國家確定將大型乏燃料后處理廠科技研發項目列入國家科技重大專項，將從后處理工藝技術、關鍵設備和材料、核與輻射安全技術、設計技術等多方面進行科研攻關，并建設一系列的研發平臺，全面掌握具有自主知識產權的后處理核心技術，具備自主設計、建造先進商用乏燃料后處理廠的能力。目前已建成國家級核燃料后處理放化試驗設施，并在積極推動后處理工程技術研發中心、核臨界實驗室等相對集中和完善配套的工程研發設施建設，努力提高自主創新能力。積極實施大型后處理廠相關的先進工藝、關鍵設備、設計和安全等技術攻關。

（三）技術突破帶動產品升級和產能提升

自主研發的第三代壓水堆核電技術“華龍一號”示范項目成功落地福清5、6號，標志著核電技術實現了從引進消化吸收到自主創新的轉變。通過防城港3、4號機組及國外項目開工實現了小批量建設，成為具備規模化發展主力機型之一。特別是“華龍一號”通過了IAEA反應堆通用設計審查（GRSR），認為在設計安全方面是成熟可靠的，滿足IAEA關于先進核電技術最新設計的安全要求，其在成熟技術和詳細的試驗驗證基礎上進行的創新設計是成熟可靠的，為參與國際競爭取得國際認證。

核燃料產業實現技術升級，鈾純化轉化一體化工程建成投產，鈾濃縮實現向離心法轉變，自主研發的燃料元件具備產業化條件。核燃料各環節產能穩步提升，鈾純化轉化、鈾濃縮和壓水堆燃料組件產能能夠全面滿足我國核電發展需求。

天然鈾采冶理論實現突破，由南方硬巖開采向北方砂巖地浸大基地建設轉變。鈾資源勘查能力不斷提升，新增查明鈾資源儲量；北方大基地建設初

具規模，在立足國內鈾產能的基礎上，積極利用、掌控國際市場資源，天然鈾保障體系不斷完善。

為了滿足我國核電大規模發展的需要，必須加快建立相應規模的動力堆乏燃料后處理生產能力。2010年，我國自主建設的第一座核電站乏燃料后處理中間試驗工廠成功完成熱調試，標志著中國已經掌握了核電站乏燃料后處理技術。

五、核能戰略性新興產業中長期發展展望

根據我國《核電中長期發展規劃（2011—2020年）》[7]，到2020年，核電運行裝機容量達到5.8× 107kW，在建3×107kW。同時，根據中國發布的應對氣候變化聯合聲明：“到2030年非化石能源消費在一次能源中的比重提升到20 %”的目標，預計到2030年核電在運裝機規模達到1.5×108kW。

到2020年，我國核電站乏燃料累積存量和每年從核電站卸出的乏燃料將隨核電站總裝機容量的增加而遞增。目前我國乏燃料堆內貯存容量不同程度地接近飽和，隨著核電規模快速增長，面臨著乏燃料存儲和處理日益增加的需求。

（一）我國需要發展先進的基于快堆應用的核燃料閉式循環[8]

為解決制約我國核電發展的鈾資源利用最優化和放射性廢物最小化問題，我國已明確了“堅持核燃料閉式循環”的政策，制定了核能發展“壓水堆、快堆、聚變堆三步走”戰略，并實施“安全高效發展核電”的政策。為實現第二步戰略以保證我國核電可持續發展，我國統籌考慮壓水堆和快堆及乏燃料后處理工程的匹配發展，開展部署快堆及后處理工程的科研和示范工程建設，以實現裂變核能資源的高效利用。

目前，在我國實驗快堆設計、建造和試運行經驗的基礎上，已進入了第二階段——設計、建造我國自主示范快堆工程。我國正在自主建設核燃料循環科技示范項目，建成后將初步形成工業規模后處理能力。

為了形成與核電發展相適應的可持續發展的后處理產業，我國正在積極實施大型后處理廠相關的先進工藝、關鍵設備、設計和安全等技術攻關，同時積極推動國際合作建設大型商業后處理廠。鑒于我國核能發展和后處理能力建設情況，積極完善乏燃料離堆貯存技術體系，開展干法貯存技術研究，形成一定規模的乏燃料離堆貯存能力，確保核電站可持續安全穩定運行。在完成鈾钚混合氧化物（MOX）燃料元件生產試驗線研發的基礎上，繼續開展工業規模快堆MOX燃料元件生產線工藝及檢測研發設計工作，建立與示范快堆匹配的MOX燃料生產線，實現核燃料的閉式循環，最終實現核能綠色低碳、可持續發展。

（二）積極投入聚變研究實現“三步走”戰略

基于聚變燃料在地球上的蘊藏量極為豐富，單位質量燃料釋放出的能量比化石燃料大千萬倍，聚變堆運行更加安全、清潔，聚變能定位為未來能源(2050年往后)，被認為是人類能源的終極解決方案。

實現聚變反應原則上有兩種途徑：磁約束和慣性約束，目前國際上磁約束聚變已經取得重大進展，實驗上實現了得失相當。正在建造的國際熱核試驗反應堆（ITER）將實現功率放大因子大于10 和穩態運行，ITER將集成演示聚變能源堆物理和關鍵工程技術的可行性，但要建造示范堆估計仍需20～40年。激光點火在工程技術上已取得重大進展，但尚未實現單發點火，發展成為聚變能源堆尚需深入的物理理論和實驗研究，我國在相關領域的發展勢頭很好，有可能后來居上。

聚變裂變混合堆可能在聚變堆獲得成功后得到發展，Z篐縮打靶可提供聚變中子，可發展成為具有多功能的聚變裂變混合堆。

（三）實現模塊化小堆技術探索核能多用途利用

目前核能大部分用于發電，只有少于1 %應用于非電領域，其他潛在應用市場的開發應用，將在很大程度上影響核能發展。現在國際上開展小批量的核能供熱、制冷和海水淡化；探索核能高溫利用，開發核電高溫工藝供熱在稠油熱采、煤液化、冶金等領域應用；利用水的高溫裂解制氫，以及氫能和燃料電池應用。氫作為二次清潔能源，作為運載工具的能源，有可觀的發展前景。

多用途反應堆主要是小型反應堆，除了早期的研究實驗堆以及標準核電站外，還建造了數百臺小型反應堆用于海上艦船的推進動力系統。近年來工業化國家的發電容量日趨飽和，小型堆能更好地適

應這些國家的電力負荷需求。從廠址適用性來說，用于發電的小型堆可以建造在遠離主電網的偏遠地區；用于熱電聯產的小型堆可在內陸廠址和城市附近建造。小型反應堆不僅能為中小電網、極地島嶼和偏遠山區供電，還可以為城市供熱，為工業園區和石化企業提供熱電，為破冰船和海上船艦提供動力等。小型堆的總體造價低，建造周期短，財務風險和管理風險更低。

[1] 中華人民共和國國務院. “十二五”國家戰略性新興產業發展規劃[R]. 2012. State Council of the People's Republic of China. “Twelve Five Year Plan” national strategic emerging industry development plan [R]. 2012.

[2] 葉奇蓁. 我國核電及核能產業發展進展及前景[J]. 南方能源建設, 2015, 2(4): 18–21. Ye Q Z. Development and prospect of China's nuclear power & nuclear energy industry [J]. Southern Energy Construction, 2015, 2(4): 18–21.

[3] 中國核能行業協會. 2015年1—12月全國核電運行情況[EB/OL]. (2016-01-22) [2016-05-28]. http://www.china-nea.cn/html/2016-01/35018.html. China Nuclear Energy Association. The National Nuclear Power Operation data in January— December, 2015 [EB/OL]. (2016-01-22) [2016-05-28]. http://www.china-nea.cn/html/2016-01/35018.html.

[4] 中華人民共和國環境保護部(國家核安全局),國家能源局,中國地震局. 關于全國民用核設施綜合安全檢查情況的報告[EB/ OL]. (2012-06-15) [2016-05-28]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/ hbb/qt/201206/t20120615_231738.htm. Ministry of Environmental Protection of the People's Republic of China, National Energy Administration of the People's Republic of China, Seismological Bureau of the People's Republic of China. The report on national civilian nuclear facilities comprehensive safety inspection [EB/OL]. (2012-06-15) [2016-05-28]. http:// www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/qt/201206/t20120615_231738.htm.

[5] 中華人民共和國環境保護部(國家核安全局). 福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求 [EB/OL]. (2012-06-15) [2016-05-28]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/haq/201206/ t20120615_231698.htm. Ministry of Environmental Protection of the People's Republic of China. General technical requirements of improve operations after the Fukushima nuclear power plant [EB/OL]. (2012-06-15) [2016-05-28]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/haq/201206/ t20120615_231698.htm.

[6] 中華人民共和國環境保護部(國家核安全局). 核安全與放射性污染防治“十二五”規劃及2020年遠景目標[R]. 2012. Ministry of Environmental Protection of the People's Republic of China. Nuclear safety and radioactive pollution prevention “Twelve Five Year Plan” and 2020 vision [R]. 2012.

[7] 中華人民共和國國家能源局. 核電中長期發展規劃(2011—2020)[R]. 2012. National Energy Administration of the People's Republic of China. Medium and long term development plan of China nuclear power (2011—2020) [R]. 2012.

[8] 中國工程科技發展戰略研究院. 中國戰略性新興產業發展研究報告(2015) [M]. 北京:科學出版社, 2014. Chinese Academy of Engineering Science and Technology Development. China Strategic Emerging Industry Development Report (2015) [M]. Beijing: Science Press, 2014.

China's Nuclear Power Strategic Emerging Industries “12thFive-Year” Foster Outcomes and Long-Term Development Prospects

Guo Qing, Su Gang
(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Beijing 100840, China)

Nuclear power technology industry is an important component of the new energy industry, which is one of the China's strategic emerging industries, and the development of nuclear power meets with our strategy of green low-carbon energy. According to the route that the scientific and technological breakthroughs leading to product upgrades, increasing the production capacity and industrial development, the article systematically analysis the nuclear technology foster and development outcomes during the “12thFive-Year”, focusing on the development trend of China's nuclear power industry after the Fukushima accident, and the significant feature of HPR1000, the advanced nuclear power technology; put forward the development trends during “13thFive-Year” and even longer term, including the development of fuel closed-cycle system based on the fast reactor, the development of fusion technology to achieve “three-step” strategy, to explore the multipurpose utilization of nuclear energy through small module reactor technology, to achieve the goal of large-scale, sustainable nuclear power industry development, and play a greater role in promoting China's economic stability, sustainable growth, energy & industrial structure optimization and upgrading.

nuclear power technology industry; strategic emerging industries; HPR1000; fuel closed-cycle system; “three-step” strategy

TM613

A

2016-05-28；

2016-06-30

郭晴，中國核電工程有限公司，高級工程師，主要從事核電站工藝系統的研發和設計工作；E-mail:guo_tsing@126.com

中國工程院重大咨詢項目“‘十三五’戰略性新興產業培育與發展規劃研究”(2014-ZD-7)

本刊網址：www.enginsci.cn