核能能夠在本質上解決人類社會發(fā)展與能源需求的矛盾，將推動人類進入下一個技術變革時代。我國核能發(fā)展“三步走”戰(zhàn)略于1983年提出，具有重要戰(zhàn)略意義。國際發(fā)展核能的國家雖然沒有明確提出核能發(fā)展“三步走”戰(zhàn)略，但是俄羅斯、美國、法國等國家的核能發(fā)展戰(zhàn)略都繞不開熱堆—快堆—聚變堆。
核能發(fā)展“三步走”戰(zhàn)略符合自然發(fā)展規(guī)律
“三步走”戰(zhàn)略中熱堆、快堆利用的是核裂變能，聚變堆利用的是核聚變能。裂變反應堆根據(jù)引起裂變反應的中子能量不同分為熱堆(中子能量小于0.1 eV，熱中子)和快堆(中子能量大于100000 eV，快中子)。
從資源可利用角度看，熱堆、快堆、聚變堆資源儲備量逐步提高。我國核能發(fā)展的第一步是以壓水堆為代表的熱中子反應堆，利用的是鈾-235，占自然界鈾資源的0.711%，可以解決“百年”核能發(fā)展問題。第二步是以發(fā)展快堆為代表的增殖與嬗變堆，可以利用鈾-238，占自然界鈾資源的中99.284%，最終形成一體化閉式循環(huán)先進快堆核能系統(tǒng)，與熱堆匹配發(fā)展，為人類“千年”核能發(fā)展問題提供解決方案。第三步是發(fā)展可控核聚變堆技術，聚變燃料在自然界中儲量豐富，可以保證人類上百億年的能源消耗，是理想的終極能源。
從技術成熟度維度看，“三步走”能夠系統(tǒng)性、規(guī)劃性實現(xiàn)能源長遠發(fā)展。堅持系統(tǒng)觀念，從頂層設計、戰(zhàn)略引領能源發(fā)展。經過多年試驗和探索，全球熱堆的發(fā)展已大規(guī)模應用，可滿足現(xiàn)在和未來短期內核電發(fā)展的基本需要，被許多國家作為能源安全保障和能源獨立的有效方案;快堆則處于技術儲備和前期工業(yè)示范階段，是不少國家充分考慮到核能可持續(xù)發(fā)展與國家安全后的選擇;核聚變技術還在技術科研攻關階段。人類對核能的認知和利用是一個漸進的過程，熱堆商業(yè)化解決眼前能源問題，快堆技術儲備解決鈾資源與放射性廢物問題，聚變堆逐步實現(xiàn)科研技術突破，對長遠解決能源問題具有重要意義。
熱堆、快堆、聚變堆逐步實現(xiàn)綠色安全可持續(xù)，符合能源革命發(fā)展趨勢。物聯(lián)網、5G、區(qū)塊鏈、人工智能等新一代信息技術革命與非化石能源技術進步與成熟使能源供給發(fā)生重大變革，最終實現(xiàn)高效、綠色、可持續(xù)的新能源供給結構。從能量密度出發(fā)，熱堆、快堆、聚變堆的能量密度不斷邁入新臺階，效率逐次提高。熱堆發(fā)電過程中不產生二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和煙塵顆粒物等，是綠色低碳的能源，但是會產生一定量的放射性廢物。相比于熱堆，快堆更安全，而且可以裂變和嬗變長壽命高放廢物以及增殖核燃料，減少了放射性廢物量，能夠一定程度上實現(xiàn)鈾資源可持續(xù)利用，核能“綠色安全可持續(xù)”性得以提高。聚變堆能量釋放更高效、環(huán)境友好、資源儲備更豐富，是理想能源形式。
俄羅斯
俄羅斯核能發(fā)展路線圖長久以來都是堅持短期內優(yōu)化VVER技術，中期實現(xiàn)基于快堆的先進核燃料循環(huán)系統(tǒng)，長期內掌握核聚變技術的戰(zhàn)略。《俄聯(lián)邦“核工業(yè)綜合體發(fā)展”國家綱要》指出為確保俄羅斯技術的世界領先地位，要通過研發(fā)和應用新的具有競爭力的技術來推動本國核工業(yè)持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，并通過綱要實施，研發(fā)不少于20項達到或超過世界先進水平的新一代核技術。俄羅斯正傾力打造以壓水堆、快堆、聚變堆為代表的核能技術，支撐本國核能發(fā)展。
熱堆以壓水堆VVER系列為主力堆型，不斷推動壓水堆、沸水堆、高溫氣冷堆等小型熱堆技術的研發(fā)。自1964年前蘇聯(lián)新沃羅涅日核電站投運世界上第一臺VVER型壓水堆核電機組以來，歷經60年的發(fā)展，俄羅斯國內現(xiàn)有超過一半的核電機組都采用該堆型技術。目前，俄羅斯研發(fā)出了VVER-1200型壓水堆技術，該技術采用了“能動+非能動”安全設計理念，符合國際上三代核電技術要求。根據(jù)《俄羅斯聯(lián)邦能源區(qū)域規(guī)劃》，VVER堆型是國內核電建設的主力堆型，同時，也是俄羅斯海外出口的主打品牌，已通過了國際原子能機構和歐洲核電用戶組織認證，我國田灣核電站7、8號機組，徐大堡核電站3、4號機組都采用VVER-1200堆型。此外，俄羅斯積極推動小型壓水堆、沸水堆、高溫氣冷堆等在核動力、孤島供電等領域的發(fā)展。俄羅斯已經建成4臺小堆，分別是裝載兩臺KLT-40S小堆的“羅蒙諾索夫”號浮動核電站，已經為楚科奇地區(qū)供電供熱;裝載兩臺RITM-200小堆“北極”號破冰船順利完成首航。
核能發(fā)展技術路線的中期目標是實現(xiàn)一體化快堆與閉式核燃料循環(huán)系統(tǒng)，形成合理比例的熱堆—快堆核電結構，建成閉式核燃料循環(huán)體系。俄羅斯發(fā)展快堆的主要目標是提高核反應堆運行的安全性與解決放射性廢物問題。在快堆研發(fā)方面，俄羅斯快堆堅持“研究堆—示范堆—商用堆”的發(fā)展路線，而且遠遠超過了其他國家的快堆發(fā)展速度和規(guī)模，研發(fā)、建造及運行經驗較為豐富，在快堆領域的優(yōu)勢明顯。上世紀40年代后，俄羅斯相繼研發(fā)出BP-1與BP-2快中子臨界裝置，BP-5(BP-10)、BP-60、BH-350快中子試驗堆，BH-600快中子商用原型堆等。俄羅斯于2006年將BH-800(BN-800)快堆技術列入《俄聯(lián)邦核工業(yè)綜合體2007-2010年及2015年遠景發(fā)展綱要》，并開始大規(guī)模建造BN-800快堆核電站。2011年以來，俄羅斯在《2010-2015年及2020年前新一代核技術聯(lián)邦目標綱要》框架下實施“突破”項目，核心便是“研發(fā)和建設用于閉式燃料循環(huán)的不同功率快堆技術”。2015年12月10日，俄羅斯別洛雅爾斯克核電站4號BN-800快堆機組并網發(fā)電。除上述大功率快堆外，俄羅斯還正在研發(fā)一系列小型快堆，包括多功能研究快堆、鉛冷快堆和鉛鉍冷快堆。
核聚變作為終極能源目標，俄羅斯一直保持較為領先的水平。俄羅斯是核聚變研究最早的國家之一，有世界第一個超導托卡馬克，并一直保持著較為領先的水平，但是由于經濟問題，目前仍強調作基礎的準備工作。俄羅斯以參與ITER計劃為契機，籌劃本國未來核聚變能發(fā)展，提出在2035年前后建成聚變示范堆設想，在2050年前后建成商業(yè)聚變堆，堆型為聚變裂變混合堆。在俄羅斯《創(chuàng)新發(fā)展和技術現(xiàn)代化計劃》中將受控熱核聚變技術和創(chuàng)新等離子體技術的開發(fā)作為關鍵創(chuàng)新項目。俄羅斯一直積極參與ITER的研發(fā)，同時還和意大利共同建造IGNITOR，和哈薩克斯坦研制KTM裝置，保持了聚變研究的活躍度。
美國
美國是全世界最早利用核能的國家，其核電技術一直處于領先地位。當前，美國核電機組數(shù)、核電裝機容量和發(fā)電量都位列全球首位。美國核能發(fā)展戰(zhàn)略是：熱堆具有較強的經濟競爭力，推動產業(yè)發(fā)展;不間斷研發(fā)快堆技術，確保全球領先地位;核聚變技術作為未來能源，科學技術研發(fā)進程加快。
不斷提升核能經濟性、安全性，在能源市場中取得突破是美國長久以來熱堆發(fā)展的基本方向。壓水堆、沸水堆因其經濟性好成為了美國核電發(fā)展的主線，并不斷占領全球市場。上個世紀60年代，美國壓水堆經濟性得到證實后，隨后向全球進行技術轉讓，法國、意大利、日本、韓國等國家都是在美國幫助下實現(xiàn)自主化。目前全球440多座正在運行或者建設的核電站近一半都源自于美國。福島核事故后，美國提出具有更高安全性、更高功率的新一代先進核電站，研制出了先進壓水堆(ABWR)、先進非能動式壓水堆1000(AP1000)。相比于“二代”或者“二代+”核電機組，三代核電功率更大、壽命更長、建設周期更短、經濟性更好、安全性更高。為進一步強化防擴散要求和改善經濟性，美國政府提出第四代核電技術，計劃2030年左右投入應用。此外，美國熱堆小型化研發(fā)技術居世界領先地位，大力推進小型堆開發(fā)認證工作，去年8月，紐斯凱爾動力公司小型模塊堆(采用壓水堆技術)設計獲美國核管會批準。
堅持快堆技術攻關。在快堆發(fā)展初期，美國設計并建造了一批小型試驗快堆驗證可運行性、安全性、增值性等，但是經濟性阻礙了快堆商業(yè)化發(fā)展進程。美國能源市場是充分的自由競爭市場，受經濟性影響，美國暫無商用快堆計劃，但是注重嬗變快堆的發(fā)展。美國一直持續(xù)快堆基礎科研工作，包括先進結構材料與高性能燃料、超臨界二氧化碳能量轉換系統(tǒng)、先進模擬與安全分析技術。美國于2000年率先提出的并被普遍核能國家接受的6種四代堆中有3種是快堆，分別是鈉冷快堆、鉛冷快堆、氣冷快堆。2021年初，美國能源部核能辦公室最新版《核能發(fā)展戰(zhàn)略愿景》中指出鈉冷快堆、鉛冷快堆可在更高溫度和更低壓力下運行，是未來核能技術研發(fā)方向之一。為了解決美國改進型反應堆商業(yè)化研發(fā)能力缺口，核能辦公室正在開發(fā)多功能試驗反應堆(VTR)，已制定出時間表和資金概況，以確保多功能試驗反應堆在2026年之前投入運營。多功能試驗反應堆即為鈉冷快堆，用于加速先進核技術的測試。
美國是磁約束核聚變研究最發(fā)達的國家，聚變從科學研究計劃逐步轉變?yōu)槟茉磫栴}。美國曾經是聚變研究的領頭羊，投資最多，貢獻最大，成果進展豐厚。由于聚變工程挑戰(zhàn)大，美國能源儲備強，對聚變能源的需求不是特別強烈，與歐盟相比，美國只是長期將聚變研究作為科學研究計劃，而不是能源開發(fā)計劃。2018年，美國國家科學院發(fā)布了《美國燃燒等離子體研究戰(zhàn)略計劃委員會的最終報告》，建議美國應繼續(xù)參與國際聚變發(fā)電項目——國際熱核聚變實驗堆(ITER)，同時擴大和推進國內核聚變能源研發(fā)工作。2021年2月，美國國家科學、工程和醫(yī)學研究院發(fā)布《將聚變技術引入美國電網》報告，提出了一項設計、建造和運營聚變試驗工廠的戰(zhàn)略計劃，目標是在2035年至2040年之間實現(xiàn)發(fā)電，使聚變能夠盡早為美國電力能源脫碳做出貢獻，并為商業(yè)發(fā)展鋪平道路，使美國成為全球核聚變領域的領導者。美國科學院《關于提供未來能源—聚變和等離子體》報告標志著美國能源部核聚變能源科學首次進入戰(zhàn)略規(guī)劃階段，將解決聚變能源問題。美國在組織對未來建設聚變堆所涉及的科學和技術問題做詳盡分析的基礎上，重返ITER計劃。美國能源部制定了聚變能科學計劃，全面支撐其國內聚變能設施建設與科學研究，并確定將制定一項致力于在未來35年內建成聚變發(fā)電示范堆的研究開發(fā)計劃，兼顧國防和太空戰(zhàn)略等其他用途。
法國
法國是全球核電比例最高的國家。法國核電整體上短期內以EPR系列作為主力堆型支撐法國國內及全球市場發(fā)展;采用閉式核燃料循環(huán)策略，中期內部署先進的快堆及后處理技術，實現(xiàn)閉式核燃料循環(huán);長遠來看，持續(xù)發(fā)展核聚變技術。
法國核能通過壓水堆實現(xiàn)批量化、標準化道路，能源系統(tǒng)中保持較高占比。上個世紀，法國分別從美國引進單機功率為900MW和1300MW的壓水堆核電機組，走批量化、標準化、自主化的發(fā)展道路。法國在運核電機組與8臺機組出口海外的機組全部是壓水堆。近年來，法國與德國合作自主研發(fā)了歐洲壓水堆EPR，研發(fā)之初，法國就積極開拓海外市場。目前，全球EPR堆型投運2臺機組，是我國臺山1號、2號機組;在建4臺機組，分別是芬蘭奧爾基洛托3號機組、法國弗拉芒維爾3號機組、英國欣克利角C1號與2號機組。根據(jù)法國電網公司《未來能源2050》研究報告，法國在2050年前新建核電機組以EPR2為主，小型模塊化核電為輔。
法國選擇閉式燃料循環(huán)策略，快堆與后處理技術都相對成熟先進。法國政府多次在政策中聲明法國核燃料循環(huán)政策，積極開展快堆技術攻關，實現(xiàn)熱堆—快堆匹配發(fā)展。法國作為核能發(fā)展的典型國家，壓水堆已經大規(guī)模發(fā)展并長期運行，積累了大量乏燃料、長壽命高放廢物，因此更重視嬗變快堆。法國原計劃建設600MW先進鈉冷工業(yè)示范堆，考慮到投資，該項目于2019年暫停，但是未來會朝著低功率的方向繼續(xù)推進。即使法國在技術突破、經濟性大幅提升后開始部署商用快堆電站，在此之前將多余的钚用于壓水堆，根據(jù)后處理能力和钚的平衡來確定未來快堆比例以及所需的增殖比。
作為歐盟主要國家，法國積極參與歐共體核聚變項目，主導核聚變技術。法國擁有Tore Supra和LMJ等先進核聚變實驗裝置。上個世紀九十年代，法國參與的磁約束受控核聚變研究裝置JET取得的重要成果宣告了磁約束托卡馬克裝置上開發(fā)核聚變能的科學可行性在實驗上已經得到證實，表明托卡馬克是最有可能首先實現(xiàn)聚變能商業(yè)化的途徑。隨后，法國與其他國家啟動ITER計劃，最終ITER裝置選址在法國南部的卡達哈什。法國政府長期以來支持聚變能的研發(fā)，通過參加ITER的建設和實驗研究從而全面掌握ITER的知識和技術，培養(yǎng)一批聚變工程和科研人才，使法國核聚變能研究在整體上進入世界前沿。
此外，日本、韓國、印度等有核國家盡管核能發(fā)展采用的技術路線有所差別，但是在戰(zhàn)略上都是率先實現(xiàn)熱堆的大規(guī)模應用，積極研發(fā)或部署商用快堆，支持“未來能源”核聚變能的發(fā)展。
(作者：李林蔚 王墨 張海軍 作者單位：中核戰(zhàn)略規(guī)劃研究總院)
