第五代核能系統概念及其特征

吳宜燦,李亞洲,金 鳴,陳珊琦,王明煌,鄒小亮,汪 進,王 芳,周 濤,蔣潔瓊,宋 勇,宋 婧,楊 琪,吳慶生,劉 超,灑榮園,張 勇,王 磊,陳建偉,高 勝,李春京,柏云清,趙柱民,胡麗琴,FDS鳳麟核團隊

(1.中子科學國際研究院,山東 青島266041;2.中國科學院核能安全技術研究所,安徽 合肥230031)

能源是現代社會發展的重要支柱之一。近年來全球氣候變暖已成為威脅人類社會可持續發展的關鍵問題之一,向低碳結構轉型逐漸為全球共識[1]。為減少溫室氣體排放,增強應對氣候變化能力,全球195個國家共同締結“巴黎協定”,旨在未來將全球氣溫升高幅度控制在2℃的范圍內。2020年9月,國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上提出中國將努力爭取2060年前實現碳中和[2],為我國減排工作設置了時間表。核能作為一種發電過程中不產生CO2等溫室氣體的低碳能源,未來發展前景廣闊。截至2020年12月,全球共442座核發電機組在運,裝機容量為391 GW,年減少CO2排放量20多億噸[3]。

然而,核能發展自身也存在一些挑戰,比如核安全問題、核廢料處置問題和公眾接受度問題等。為了解決這些問題和挑戰,不同的核能系統概念不斷被提出,新的技術也不斷發展。2002年,美國牽頭相關國家發起了第四代核能系統國際論壇(GenerationⅣInternational Forum,GIF),約定合作研究開發第四代核能系統。GIF組織在提出第四代核能系統概念的同時,也對其他各代核能系統進行劃分[4],如圖1所示。將20世紀50～60年代建設的原型核電站稱為第一代核能系統。20世紀70～80年代建設的商用核電站稱為第二代核能系統。20世紀90年代按照用戶要求文件(Utility R equirement Document,URD)等開發的更安全、更經濟的先進輕水堆稱為第三代核能系統。URD是由工業界牽頭組織制定的技術標準,推動他們為占領核電市場而開發更安全、更經濟、更先進的核電系統,體現了一種政府和工業界之間合作的新模式[5]。第四代核能系統主要解決核能同當時美國新興起的天然氣相比,在經濟性上不具競爭力,以及政府在核擴散方面的擔憂和公眾在核安全和核廢料處置方面的擔憂等問題[6]。

圖1 GIF國際組織提出第四代核能系統路線圖[4]Fig.1 Roadmap of generationⅣby GIF[4]

2020年國際能源署(IEA)的研究報告表明,受新冠疫情沖擊全球能源需求短期內有所下降[7]。其實,2011年日本福島核事故后,已經有部分國家摒棄了核能的發展,而且核能在現今能源結構中面臨著技術不斷成熟且價格不斷下降的可再生能源的激烈競爭,核能系統亟需技術革新和代際突破[8]。因此,本文將對此進行探討,通過未來能源結構對于核能需求的分析,剖析現有核能系統的局限性,在此基礎上提出第五代核能系統“核5G”(N5G)的概念以及所需具備的技術特征,并梳理未來發展所需的關鍵技術。

1 未來能源結構對于核能的需求

1.1 核能作為一種低碳高密度能源,具有廣闊的應用前景

在全球共同面對氣候變暖和減少碳排放的背景下,低碳能源的需求將達到新的高峰。然而,目前核能在終端能源中的占比較低。根據國際原子能機構(IAEA)報告[9],2018年電力在世界的終端能源中的占比約為18.8%,而核能發電量在電力中的占比為10.2%。換言之,核電在終端能源中的占比不足2%,并沒有充分發揮出核能在低碳方面的優勢。另外,隨著能源網絡的全球化,能源的傳輸與分配過程愈發引起關注,如何降低該過程中的能量傳輸損失和成本,是在不同能源選項中決策的重要依據。在近期可預見的時間內,即使考慮核能低碳屬性,充分發揮其滿足電力需求和應對氣候變化方面的作用,目前全球鈾資源仍不會成為制約核能發展的限制因素[10]。而且核資源的儲能密度高,極少質量的燃料就能釋放出巨大的能量,這是目前的化石能源和可再生能源難以相提并論的,因此在實現能源在全球范圍的低能耗、快速、經濟部署方面,核能具有明顯的優勢。

美、法、德、英等發達國家均經歷了以煤炭等化石能源為主導逐步向低碳能源為主導的能源結構轉變,現在這一轉變逐步擴展到發展中國家和地區。Mallapaty等研究中國如何在2060年之前達到碳中和問題時[2],發現不同研究機構的共識是中國應該從采用低碳資源發電做起,之后再將電應用于其他領域。清華大學張希良課題組的能源情景建模分析認為:中國要實現2060年達到碳中和的目標,電力生產較之于目前需要增加1倍以上,其中核電需要增加6倍。根據國家發展和改革委員會能源研究所的能源情景建模,為實現該目標到2050年發電量將翻一番,核電需要增加10倍。此外,能源網絡全球化也為核能的發展帶來了動力。研究表明,采用純電力模式實現全球能源的再分配將面臨長距離電力傳輸能量損失大,輸電網絡建設成本高的困難,Shih等在研究中重點考慮了能量傳輸與分配環節,并推薦采用能量密度較高的液態燃料來實現能量傳輸與分配[11]。依此類推,作為高能量密度的固態能源模式,核能也是理想的能量傳輸與分配的類型。

1.2 傳統核能供給體現出“單一孤立”特點

核能在面臨發展機遇同時,也面臨著可再生能源的挑戰。2010年至2019年期間世界太陽能總裝機容量從41.55 GW擴展到584.84 GW,以年均超過20%的速度遞增;風能總裝機容量從180.85 GW擴展到622.41 GW,以年均超過10%的速度遞增[12]。根據2019年《國家發改委關于完善風電上網電價政策的通知》和《國家發改委關于完善光伏發電上網電價機制有關問題的通知》,無論風能還是太陽能,其設定的標桿電價指導價都已經接近甚至優于核電的標桿電價0.43元/千瓦時,而且兩者的價格變化趨勢處于相反的方向。即可再生能源的經濟成本隨技術成熟在不斷降低[13],而核能的經濟成本卻由于核事故發生以及對于核安全的關注不斷提高。如果核能繼續延續過去數十年的“單一孤立”發展模式,未來發展無疑將面臨極大的挑戰[14]。

核能系統長期以來在實際供能中逐步遠離終端用戶,基本上收縮到“單一”地向大型電網供電的模式上,統計數據表明目前僅不到1%的核能用于供熱等非電應用[15],變成了一種與消費市場相對隔離的、與用戶“孤立”的能源供給方式。此外,核能“單一孤立”發展模式還體現在與其他能源的匹配與互動方面,核能一直以基荷能源的形式存在,即它不參與能源供給過程中的調節與分配,在一定程度上導致了核能走向固化死板的發展路線。同時,新建反應堆單堆功率水平多在GW量級,無法適用于電力需求增速較快的新興經濟體國家中普遍存在的中小型能源網絡,以及廣闊的非電應用市場。如何打破當前核能的“單一孤立”困境,實現核能與化石能源、可再生能源等的協同發展,是突破核能發展瓶頸的關鍵課題。

1.3 未來能源需求體現出“多元共生”特點

任何國家從能源安全角度都不可能僅發展一種能源,未來能源需求必將體現出多元共生的特點。下一代核能系統為打破“單一孤立”的束縛,實現與其他能源以及用戶需求更加緊密的有機結合,可以從兩個維度著手,一是與其他能源的關系,二是與用戶的關系。

在與其他能源關系方面,需要建立混合能源系統,實現同其他低碳能源的“多元共生”關系。隨可再生能源份額的不斷上漲,其能源形式的自身局限也逐步顯現,例如以風、水、光和生物質能等為代表的可再生能源的能量密度低、資源稟賦不穩定,無法連續穩定地提供電力。因此,核能與可再生能源具有較強的互補性。經濟合作與發展組織核能署(OECD/NEA)啟動的核能創新2050計劃,重點就核能與可再生能源結合形成的混合能源系統展開研究[16],國家能源局的榮健等也建議形成低碳系統混合系統[17],其通過結合核能和可再生能源的各自優點,將核能用作一種可靈活調節的低碳能源,與可再生能源在同一電網中使用以維持電網的穩定,實現核能與可再生能源的“共生”,當然這要求核能不只作為基荷進行發電,還必須具備靈活、快速的功率調節能力。近年唐志永等也提出了可以利用核能的高溫制氫,將煤等高含碳資源和核能耦合,可以協助把煤轉化為高端的化工原料,在此基礎上構建了核能-碳基低碳復合能源系統[18]。因此,沒有任何一種能源具有絕對優勢,但通過核能與其他能源或產業結構的“共生”,可以將多種能源整合形成混合能源系統,可以充分發揮各種能源形式的優勢,是未來發展的方向。

在用戶角度的能源需求方面,對于核能發展的關注應逐步從供給側過渡到需求側,直接瞄準用戶需求輸出多元產品。核能本身就是一種高溫、高功率密度、長期穩定的能源,未來的核能應可以與多元化的用戶需求直接結合(電力、熱、淡水、化工產品等),進行從供給側到需求側的改革,實現核能更廣泛的應用,與用戶共生發展:

(1)一站式供能。核能可實現電/冷/熱等不同終端能源的多元聯供,直接供給周邊用戶。例如化石能源供暖導致的霧霾,若采用核能供暖將有利于問題的解決;還可以使用核熱進行海水淡化,以服務于海島或濱海的淡水缺乏地區,比如我國500 m2以上的海島約7 000個,核能系統有望成為區域能源中心。

(2)微電網供電。在不易進行補給的地區,可利用核能長時間供電。例如戰略基地需要確保供電的隱蔽和持久,海上平臺可使用核能替代化石能源從而提高經濟性;核能系統也可作為多能源架構分布式微電網的重要組成部分。

(3)非動力工業供給。高溫工藝供熱一直是工業領域的重要耗能方向,核能可作為高溫工藝供熱的低成本熱源。比如氫能是未來能源的潛在儲存方式之一,在儲能密度和儲能時間上優勢顯著,而利用核能有望提供實現大規模制氫儲能的新路徑。

(4)移動伴隨式供電。以深空探測等為代表的移動裝備需要伴隨式、長續航的供電,以解決現有太陽能供電功率密度低,且遠離太陽時功率逐步下降的問題。另外車載移動高功率電源、無人車輛、潛航器的驅動力也是小型化核能未來潛在的應用場景。

(5)戰略平臺動力。以核能作為艦船、水下潛航器、航空器的動力,可實現數年無須補充燃料,擺脫距離約束,大幅提升戰略平臺的效能。

1.4 核能系統在多元共生能源結構中應發揮的作用

目前,傳統的以化石能源為基礎的能源系統以電網為中心,間接將能源傳輸和轉化到用戶。為了更好的實現能源安全保障,提升多元能源需求的供給能力,降低能源傳輸的損耗,建議結合核能低碳、穩定、高功率密度的特征,構建包含下一代核能在內的多元共生的能源系統構架和分配體系,如圖2所示。

其中,傳統核能在能源系統中主要連接大型電網,不參與用戶的直接需求。用戶的多元需求或由其他能源直接供給,或由電網轉化后再進行分配,兩條能源分配路徑中,核能都無法直接參與。并且其他低碳能源未來快速發展將使得能源供給存在不穩定性,必須依賴儲能或大型電網消納,這也限制了低碳能源的整體發展。

新一代核能應在整個能源體系中直接參與多元直接供給,與其他低碳能源共生,提供直接面向用戶的能源,實現對能源分配和傳輸路徑的大幅簡化。一方面通過與其他低碳能源結合互補,整體滿足區域供電,并向大型電網的輸出,另一方面核能也可直接參與多元的直接供給,減少對于化學能的依賴。

核能參與整體能源系統的分配中,可大幅減少能源傳輸和分配路徑,無論在電力線還是其他能源線都直接參與到用戶需求中,另一方面隨著低碳能源份額不斷上升,電網不穩定性面臨的問題愈發顯著,利用核能自身優勢形成共生系統,可提升電力系統整體穩定性。

1.5 早期多元應用嘗試因核安全理念未獲突破而以失敗告終

事實上傳統核能自20世紀50年代開始,在之后的60～70年代也曾進入一輪發展高潮,但受三哩島、切爾諾貝利、福島核事故的影響,核能在能源結構中的作用一直未得到充分發揮,如圖3所示。

圖3 世界核電機組數量變化圖Fig.3 The trend of nuclear power plants in the world

其實,核能早期也曾被嘗試應用于諸多領域,例如陸上移動小型核電站、空間核電源、核潛艇和核航母以及民用船舶等。甚至還曾經出現過更激進的概念,比如20世紀50～70年代提出核動力汽車和核動力飛機的構想等。然而上述絕大應用構想已經消亡,究其根本原因在于未能在核安全方面,特別是公眾接受方面獲得根本性突破。

雖然一些概念未能獲得實際應用,但也為擴展核能應用方向積累了經驗,以小型模塊化堆(Small Modular Reactors,SMR)為代表的發展方向,選擇了與越來越大單堆功率的核電站相悖的技術路徑,提出了非能動安全、模塊化建造、單堆功率限制與多堆組合等創新思路,其蘊含了多元共生的部分思想,借鑒SMR的一些發展理念,可以更好的服務于第五代核能系統。

2 “核5G”概念與技術特征

2.1 多元共生需要核安全的理念革新

核安全是核能發展的生命線,新一代核能系統為滿足人類社會對能源的多元化需求,實現廣泛的應用,最重要、最根本的就是確保核安全。

回顧整個安全理念的發展歷史,從三哩島核事故到切爾諾貝利核事故,再到福島核事故,一方面事故反映了人類的認知缺陷所在;另一方面也在不斷總結經驗教訓,試圖通過不斷增加安全系統提高核能系統的安全性。三哩島核事故使得人類認識到嚴重事故是可能發生的,于是在設計中增加安全系統的冗余度和應對嚴重事故的系統和設備;切爾諾貝利核事故揭示了體制和組織失效的重要性,從而提出了核安全文化的概念;日本福島核事故后,人們意識到極端自然災害可能造成嚴重后果,于是著手在共因失效、陡邊效應、全場斷電等方面進行補丁式的設計加強。

總結這些歷史教訓,可看出前期的核安全理念被緊緊束縛在縱深防御(Defense-In-Depth,DID)之上,通過不斷疊加新的防御層次、措施和系統,試圖通過這種方式阻止下一次重大核事故。然而,這種基于經驗的設計改進,能夠預防下一次核事故的發生嗎?這個問題被反復提出和思考,但依賴層累式的安全模式卻可能使得我們離預知下一次核事故原因愈來愈遠。

因此在縱深防御之外,也出現了安全理念的新思路和新方向。即從“復雜系統設計完善”轉向“反應堆設計根本變革”,通過物理參數、概念設計、材料特性等,從物理源頭消除原來通過工程手段才能化解的風險,實現無需干預的安全,并從流程上確保核安全。因此,應該在新一代的核能系統中采用“從源頭確保核安全”的安全理念[19],并貫徹于系統的全生命周期,來保障安全的內在一致性,一方面要盡可能的利用和設計物理上的本質安全來消除不斷累加工程措施帶來的復雜性,另一方面要從設計之初就將固有安全性融入方案中進而避免在后續過程中不斷補丁式增加手段,這應是核能滿足多元共生需求所需的根本安全理念[20,21]。

2.2 “核5G”概念的提出

在安全理念革新的基礎上,為實現多元共生的目標,下一代反應堆應基于以往堆型例如第三代核能系統、第四代核能系統技術要求的基礎上,在設計和實現過程中具備一些新的技術特征,具體如下:

單單是想通過新文人流派來實現從傳統粉彩人物到現代粉彩人物的轉型還是相對困難的，其處境于新文人畫相似。新文人畫由于轉型的失敗逐漸衰退。這個時期一些新的流派悄然興起，猶如雨后春筍一般屹立在陶瓷繪畫行業。其中有很大一部分畫家起初就是師承傳統的民間藝術風格，之后也融入了些許現代元素，這部分畫家可以稱作現代民間粉彩人物瓷畫流派。

(1)親近性(Proximity)。多元化應用場景中,需要一定程度擺脫現有核能系統與人員苛刻的距離限制,例如在多能源中心的微電網中,需要接近其他能源和用戶;供熱堆如果距離遠則會導致熱損失大;核動力船舶、浮動核電站等平臺需載人運行,要求系統安全性達到足夠高的水平,滿足對周邊人員的健康保護等。因此核能系統本身應超出“技術上消除場外應急”的安全要求,充分利用發展的設計和安全優勢,并最大限度減少高放廢物產生和處置量,消除系統對于環境的可能影響以及人們對于核能長期發展的擔憂,為此提出親近性的要求。

(2)靈活性(Flexibility)。為滿足多元化應用的需求,適用不同場景、環境和運行模式,例如在海陸空天等不同場景下的移動式應用等,要求供能系統能實現位置調節、一堆多用和功率快速調節等能力,同時借鑒小型模塊化堆/第四代核能系統的發展理念,實現功率水平的拓延和不同品種燃料的綜合利用。為此提出靈活性的要求,這是滿足多元化應用的基礎特性。

(3)智能性(Intelligence)。為了進一步降低設計和運行難度,需綜合處理多元化、分布式或多節點能源網絡的系統關聯性,例如分布式能源控制、模塊式多堆系統或多元能源聯供運行模式,并需在各個環節擺脫對人員、技能的依賴,減少人因失誤,此外在太空核電源或水下核動力等特種應用場合,對人員數量有嚴格要求。為此提出智能性的要求,也是提升經濟性的一個重要手段。

根據能源需求的分析,以及核能發展的回顧和未來新要求的展望,在此提出“核5G”(N5G)概念:“核5G”是基于“從源頭確保核安全”的理念,發展具備親近性、靈活性、智能性等技術特征的,可滿足未來能源多元共生應用需求的第五代核能系統。其核心思想如下:

(1)基于向電網供電的優勢基礎,應從單一孤立到多元共生進行跨越,實現在終端能源中的占比上升;

(2)核能更廣泛的應用勢必對安全提出了更高要求,需基于“從源頭確保核安全”等先進思想,突破縱深防御安全理念的局限;

(3)為了從技術上滿足多元共生的應用需求,新特征可繼承第三代、第四代核能系統的優勢特征,并借鑒小型模塊堆的一體化、模塊化等先進設計理念,以實現功率和尺度的多場景適配。

3 “核5G”關鍵技術

根據前述分析,親近性、靈活性、智能性是“核5G”區別于已有核能系統的重要技術特征,反映了核能系統未來的發展趨勢。在此對其具體內涵進行闡述,并初步討論“核5G”的關鍵技術和實現思路。

3.1 親近性

以上所述的為從技術角度出發的物理親近性,同時在核能利用過程中,特別是直接服務于用戶而不通過大型電網轉接時,公眾能否在心理上接受則更為重要,這就表現為心理親近性。核能相關知識的復雜性、事故影響的深遠性、以及人類在核能發展初期將其用于攻擊性武器的行為在公眾心理上留下了刻板印象。因此,核安全問題不僅是技術問題,歷來也是社會問題[26]。英國社會心理學家Pidgeon 等提出了“被動接受”:當人們考慮到風險問題的時候,由于選擇有限,他們會選擇被動接受[27]。無論是對于核武器的刻板印象還是對于核能的被動接受,都使得加強核能風險認知研究尤其重要,使得科普和教育成為核能發展所必需的工作。為此,心理親近性也應是“核5G”重要技術特征之一。

3.2 靈活性

無論是第四代核能系統,還是其他先進核能系統,都將靈活性作為重要特征之一。例如,GIF組織為了實現與其他可再生能源共生(Integration)及提升與其他能源的經濟競爭力,開展了第四代核能系統靈活性的討論[28]。2017年,美國電力研究所(Electric Power Research Institute,EPRI)發布的對先進核能系統靈活性的評估報告中對靈活性有系統闡述[29],其對靈活性的區分了三個層面,分別是運行靈活性、部署靈活性和產品靈活性,并對每個層面給出了內涵定義。但EPRI定義仍以提高大型核電站經濟性為目的,并未適應前述的多元應用場景需求,因此我們認為還有部分使用過程中的特殊需求需要在其內涵中有所體現。為此,本文通過對EPRI的定義進行了適當修改和補充,提出了“核5G”的靈活性及其相關的關鍵技術如下:

(1)運行靈活性。包括:①功率靈活調節,通過提高燃料PCI(Pellet-Cladding I nteraction)耐受能力、功率變化速度等方式,實現堆跟機運行以及輸出隨著負載的快速變化;②通過發展氮化物、高性能金屬燃料等先進燃料,使反應堆設計中可使用更多樣的燃料設計、燃料結構材料和燃料組合物運行;③通過發展與地方、區域或國家配電網絡隔離運行的能力,支持孤島模式運行;④通過對新生產燃料、乏燃料、貧鈾等不同品質燃料的適配使用,采用高增殖設計思路,極大提高燃料利用率,延長一次裝料運行時間的同時改善經濟性。

(2)部署靈活性。包括:①功率擴展的靈活性,通過模塊化的可擴展布置設計,使反應堆系統能夠調整大小以滿足不同功率需求,或能夠逐步增加機組規模以適應區域需求的增長;②選址靈活性,系統必須在安全上具備足夠大的裕度(例如高抗震性)和減小外部影響(大幅減少與用戶距離),且與具體環境具有較少的相關性(例如較好的包容、或空冷作為熱阱而無需大量水源),以實現在大多地域的可部署性,特別地,可通過發展優異的小型化、輕量化和抗振動手段,實現反應堆的可移動能力,最大限度地不受地域約束進行部署,以適配移動供能目標;③制造靈活性,根據不同的訂購需求,通過模塊化設計及相應技術的提升,實現在工廠選配組裝大部分甚至全部部件,降低現場建造周期和費用,并提升資金靈活性。

(3)產品靈活性。通過發展新型材料提高出口溫度,以及發展新型熱電轉化技術可提供更多的電能,以及提供更多高品質或更多量的工藝熱,如溫度足夠高,還可以提供氫氣、化工產品等;此外,反應堆還可以在放射性同位素的生產方面產生效益,例如生產60Co、89Sr、99Mo、192Ir和惰性氣體等,這將基于更為靈活的設計堆芯。

3.3 智能性

智能性體現貫穿在核能系統從設計、制造、運維等全周期環節。在設計智能化方面,隨著計算機技術的發展,數字反應堆、虛擬核電站等概念和技術研究已成為目前熱門[30,31],其結合了云計算、大數據、人工智能等先進技術手段模擬反應堆的物理復雜物理過程,使得在設計階段甚至運行階段對運行、環境影響、過程變化進行仿真,達到系統化的驗證方案、優化設計、構建管理模式等目的。除了在反應堆運行的物理方面,一般通過多層次協同,結合了多物理耦合、實時仿真等技術,也可以引入社會性的、環境性、人員動作等內容,或結合物聯網和移動網絡技術進步,發展實體堆構建虛實結合的管控系統,構建運行管理、核應急規劃體系。

在制造智能化方面,無論大型核電還是小型反應堆模塊化制造都是提高建造速度、提升經濟性的手段和重要方向。針對小型結構的設備而言,由于部件一體化程度的提升,結構耦合度更高、復雜度也可能提升,3D打印等近年發展出來的先進加工技術應更多的得以應用。此外,向智能制造的轉型升級已成為高端裝備制造業發展的必然趨勢,現有加工、組裝工藝技術發展中的自動焊接等新技術、新裝備同樣可應用于“核5G”,以提升部件質量,降本增效,極大限度地提升建造效率。

在運維智能化方面,美俄已在空間堆上論證了自主運行的裂變反應堆控制的可行性,智能性在運行過程中的引入有助于減少或不依賴于人的干預,并能容納一個完整的、全系統方法的控制,將智能診斷方法、自主運行系統等技術推廣到“核5G”上將有利于降低運行成本、實現無人操控;在維修過程中,很多工作環境人無法到達,利用檢修機器人代替人進行故障診斷和維修作業將是必然發展方向;在耦合其他能源方面,建立利用現代信息技術、控制技術實現電網的智能化已成為普遍的共識,以實現安全、可靠地連接各種可再生能源電源、分布式能源電源和分布式儲能系統等。

因此,未來“核5G”應具備親近性、靈活性和智能性的技術特征。近年來也已經出現了在此方面的探索和實踐,比如具有超安全、超小型、超長效的技術特點、采用特種液態金屬(鉛/鉍/鋰等)作為冷卻工質的超小型可移動式先進核能系統“核電寶”[32,33],已被世界核協會(WNA)收錄,相信未來將有更多具備上述技術特征的反應堆概念出現。

4 結束語

能源利用與環境相容是可持續發展關注的重要問題。核能作為一種低碳能源,將是未來能源結構的重要組成之一。核能歷經七十余年的發展,目前第三代核能系統已經建成,第四代核能系統也在緊鑼密鼓的研發中。近期中國科學技術協會發布的2020年十個重大科學問題,其中“第五代核能系統”作為能源領域唯一入選的科學問題,反映了對下一代核能系統的集中關切[34]。然而,目前核能系統仍然體現出單一孤立的特點,一方面缺少靈活性,未能實現與其他能源耦合互動。另一方面,與能源用戶實際需求缺少直接關聯。為此,如何實現從單一孤立到多元共生的跨越,成為下一代核能系統需要關注與回答的問題。本文在分析未來能源結構對核能需求以及核能自身發展所面臨問題的基礎上,提出了“核5G”概念。“核5G”是基于“從源頭確保核安全”的基本理念,具備親近性、靈活性、智能性等技術特征,可滿足未來能源多元化應用需求的第五代核能系統。總之,第五代核能系統概念及其特征需要很好的提煉和總結,這對于未來核能的發展至關重要,本文的工作尚屬初步探討,很多內容和觀點還不夠成熟,后續還需要行業內共同努力研討和進一步完善。

致謝

本工作得到FDS鳳麟核團隊其他成員的大力支持。