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小型反应堆、事故容错燃料、反应堆数字孪生体......核能何以为能？
The following article is from 科技导报 Author 杨军、徐乐瑾等
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近日，“华龙一号”全球首堆中国核电福清核电5号机组首次达到临界状态，标志着机组正式进入带功率运行状态，向建成投产迈出了重要一步。
另外，日本政府拟向海洋排放福岛核电站处理后的放射性废水一事也引发了全球关注。核能能否在全球范围内实现可持续发展？对此，调研结果显示，核能因其规模性、安全性、低排放等优势，预期仍将是未来能源可持续战略中不可缺少的组成部分，其发展呈现多元化、多样化态势。而未来核聚变技术的实现则有望彻底解决人类的能源问题。
2019年以来，全球核电建设稳步推进，小型模块堆、空间堆等新型反应堆的研究与开发取得显著进展，核聚变反应堆的研究及实验堆的建造在积极推进，事故容错燃料等的研究为核电安全性带来了革新性进展，而数值反应堆、数字孪生技术为核能高效率、低成本运行提供了有力工具。
核能，作为世界第二大低碳能源，核能发电量占发电总量约11.5%，在低碳能源发电量占比中达29%。到目前为止，共有33个国家和地区已有或正在建设自己的核电站。
世界各国核电情况
截至2020年3月，核电站总数排在前6位（核电站总数超过40个）的国家依次为美国、法国、中国、日本、俄罗斯和英国。此外，德国、韩国、印度、加拿大和乌克兰的核电站总数均超过20个。
截至2019年6月底，世界共有449台商业核动力反应堆，总装机容量近400GW，总发电量占全球电能的11.5%左右；另有54台机组在建，装机约为5500万kW，全球核电运行堆年超过1.8万年。
目前为止，已有16个国家的核能发电量占比超过本国电力供给的1/4。其中，最依赖核能的国家是法国，核电占全国电能供给的70%以上。其次，捷克、斯洛伐克、芬兰等国，核电提供30%以上的电能，美国、英国、西班牙、罗马尼亚占20%左右。
意大利和丹麦虽本国没有自己的核电站，核电占比也约达10%。此外，亚非地区一些新兴的核电国家，核电发展处于起步阶段。
中国核电现状
截至2020年3月，中国（大陆地区）运营机组48台，在建机组有10台，是世界上在建机组最多的国家。截至2019年6月，运行机组装机容量4873万kW，在建机组装机容量约1134万kW。
中国核电目前实现了三代核电技术设计自主化、重要关键设备国产化，包括AP1000、EPR在内的主要三代核电率先在中国建成投运；自主三代核电“华龙一号”（HPR1000）全球首堆福清5号已于2020年10月达到临界；具有四代核电特征的高温气冷堆示范工程冷态功能试验成功，预计在2020年实现装料；海外首批项目（巴基斯坦卡拉奇2、3号机组）推进顺利。
在聚变堆研究方面，中国积极参加国际热核聚变反应堆计划（ITER），并在关键领域取得了重要进展。
除此之外，长期以来中国核电安全运行一直保持良好业绩。2018年，全球53台机组获得满分100分，中国有12台；2020年，中国大陆地区共23台机组获得满分100分，整体WANO综合评分力拔头筹。
大型反应堆核电厂存在建造周期长、建设成本高以及选址要求高等问题，对核能的发展产生了较大的限制。小型反应堆具有体积小、功率比大、适应性好等特点，受到各国广泛关注。
NuScale小型模块堆
NuScale是美国发展较快、具有代表性的小型堆技术。NuScale公司2019年与多个国家相关公司签署合作备忘录。同年，通过设计认证评审，它的实际建造被提上日程。
在技术应用方面，NuScale公司考虑在NuScale小堆中使用金属燃料，可以提高堆芯性能，延长堆芯寿命，缩短换料时间并降低发电成本。
英法俄加等国
英国、法国、俄罗斯、加拿大等国家均在进行小型堆的设计研发，同时国家之间有关小型堆的合作项目也在不断推进。
国内小型堆建设
中国核工业集团有限公司（中核集团）研发的“玲龙一号”模块化小堆示范工程启动；中国广核集团有限公司（中广核集团）研发的海上小型堆ACPR50S进入IAEA（国际原子能机构）全球小型堆发展路线图；中国科学院基于铅基反应堆技术开发“核电宝”；首座铅铋合金零功率反应堆“启明星Ⅲ号”在中核集团中国原子能科学研究成功临界……这些表明我国在小型堆建设中进步明显。
启明星III号
小型模块堆基础科研进展
2019年以来，科技人员对于目前小型堆运行中需要解决的各种问题提出了方案，并通过数值模拟、实验验证等提供支持。
如邱阳及其研究团队模拟研究了小型反应堆压力容器内残余应力分布；蔡志云等建立了系统主要设备的物理模型；高颖贤及其研究团队分析了事故工况下的应急堆芯冷却系统配置策略；雷驰等提出了一种小型可运输长寿命铅铋冷却快堆堆芯设计方案；陈振佳等提出了一种小型钠冷快堆的非能动余热排出系统方案；赵孝等设计了一种应用在15MW的一体化小型模块式反应堆中的螺旋管式蒸汽发生器。
目前热门的几种空间反应堆概念包括了千瓦级空间核反应堆（Kilopower）、地面气冷微型模块化反应堆（MMR）、小型模块化裂变反应堆（SMFR）、多用途微型核反应堆等，所应用的领域不仅涵盖了外星任务、人类哨站、月球和火星等空间任务，还包括了在复杂地形和水域中的工作。
小型化、精密化、模块化和多功能化将成为主要的发展趋势。选择热值高、占地小、循环利用性能好的燃料以及开发更合理的推进方式，实现燃料与核能的高效转化，是未来核动力空间飞行器的重点研究方向。
中国首个空间核推进技术联合实验室于2015年在北京成立，以中国航天发展战略为牵引，瞄准深空探测任务需求，在空间核推进技术领域开展工程应用研究。
在推进工质方面，综合考虑核热/核电推进工质特点以及存储难度，选择氢化镁作为多模式核动力技术的工质。
在安全性方面，核动力航天器在运行过程中会产生较高剂量的中子和γ射线。目前，包括美国、日本、中国在内的许多国家陆续开始将金属氢化物用作中子辐射屏蔽的研究，中国原子能科学研究院王毅等的模拟结果表明金属氢化物材料的中子屏蔽性能明显优于传统的中子屏蔽材料。
千瓦级空间核反应堆Kilopower
由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出的Kilopower反应堆概念是有史以来提出的最简单的空间动力反应堆概念之一，可以为太空探索任务提供1~10 kWe的持续动力。目前，Kilopower反应堆已完成地面临界实验。
由NASA未来太空运行（FISO）工作组研发的“采用斯特林技术的Kilopower反应堆”（KRUSTY），预计将在2022年飞往火星，完成多种任务。
Kilopower反应堆地面测试成功
地面气冷微型模块化反应堆MMR
MMR是USNC Space公司为地球上离网和崎岖不平的地区开发的一种地面气冷微型模块化反应堆，是一种15 MWt/5 MWe的高温气冷堆，借鉴了世界各国相关反应堆的运行经验，于2019年1月通过了加拿大核安全委员会（CNSC）预许可供应商设计评审程序的第一阶段。
小型模块化裂变反应堆SMFR
对深空的探索需要可靠的持续的电力，大学太空研究协会（Universities Space Research Association，USRA）正在解决可用于商业用途的月球表面SMFR问题。
新型核裂变反应堆入选2019年“全球十大突破性技术”，其中包括了小型模块化反应堆。小型模块化反应堆通常产生数十兆瓦的电力，可以节省资金并降低环境和金融风险。
21世纪以来，为了验证磁约束聚变堆的工程可行性，建造了相关大型聚变堆进行工程实验研究。除国际合作建设的国际热核实验堆（ITER）外，许多国家也在积极发展自己的聚变堆计划。
核聚变
聚变能是一种稳定的提供清洁能源的方式之一，其以受控热核聚变为研究目标的理论研究和技术发展至今仍是国际研究的热点问题。
作为《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》中优先部署的大科学工程项目之一，“聚变堆主机研究设施”于2019年11月正式开工，将建设具有国际领先水平的超导磁体研究系统和偏滤器研究系统，为聚变堆主机关键系统研究提供粒子流、电、磁、热、力等极端实验条件。
聚变反应堆的建设至关重要，在工程实践中，聚变堆的规模、设备装置的复杂性、成功运行的难度都将大大提高。为解决这些问题，新型的实验装置支持必不可少。
目前，聚变反应堆工程应用的核心问题集中在聚变燃料的自持、点火条件的满足、第一壁材料的选择等方面。
国际热核实验堆（ITER）
ITER是目前世界上正在建设的最大的实验性托克马克聚变反应堆，由7个成员实体（欧盟、印度、中国、美国、日本、韩国和俄罗斯）共同资助运行。
中国ITER工作组作为重要单位之一，全面参与ITER的管理、设计、建造、安装和将来实验等领域的工作。
2019年8月，中国成功中标ITER托卡马克主机TAC-1安装标段工程。
2019年11月，ITER计划首个大型超导磁体线圈——极向场6号线圈（PF6线圈）竣工交付。
2019年11月，托卡马克综合体（Tokamak Complex）完成土木工程建设，即将启动屋顶金属框架的安装工作。
2020年7月，ITER计划重大工程安装启动仪式在法国举行。
2019年8月，由中国新奥集团建造的中等规模球形托卡马克聚变实验性装置——新奥“玄龙-50”建成，并实现第一次等离子体放电。
中国聚变工程实验堆（CFETR）
CFETR是从聚变实验堆到原型电站过渡不可或缺的工程堆，科学目标为：
1）实现自持聚变燃烧；
2）实现氚自持；
3）进行聚变科学、材料部件等方面研究并建立核数据库；
4）建立聚变堆核安全及标准体系。
目前，CFETR已经完成了总体设计并开始工程设计，预计2030年建成。
CFETR设计模型图
中国自20世纪60年代开展对聚变能、聚变装置的研究以来，已建成多种参数规模的托克马克装置。
现在，在聚变工程实验堆的设计建造过程中，相对国外同类型聚变装置，中国在智能远程操作技术、超导磁体系统等方面的设计与工程可行性的评估中有具有一定优势。
福岛核事故后，核能界对核燃料安全提出了更高的要求，并于2012年正式提出了事故容错燃料（也称耐事故燃料，Accident Tolerant Fuel，简称ATF）的概念。
ATF是为提高燃料元件抵御严重事故能力而开发的新一代燃料系统，能够在较长的时间内抵抗严重事故工况，同时保持或提高其在正常运行工况下性能。
ATF可以显著提高核燃料在正常工况下的经济性以及在严重事故工况下的安全性，是国际核燃料技术研发的最前沿，也是各个核电强国和业内巨头竞争的核心技术。同时，ATF也被载入2019年全球十大新兴技术榜单。
目前，世界各地的研究人员通过实验或软件模拟等方法，对事故容错燃料的原理、制备、性能等各方面进行了广泛的研究。中国、美国等核电技术强国也都在积极推进事故容错燃料的研究，目前已经开始在反应堆中进行实验。
ATF领域研究现状
ATF的设计概念中，在锆合金表面开发高附着力、高温抗氧化和耐腐蚀涂层是最重要的策略之一，如CrAl、Cr2AlC、CrCuFeMoNi高熵合金（HEA）涂层等。此外，还开展了对ATF材料的模拟计算分析、对包壳组件的中子学分析等研究。
各国ATF研发进展
中国的ATF研发工作由中广核集团于2013年率先启动，相继获得国家重大专项、中广核战略专项等项目支持，同时与国家各领域顶尖团队开展合作。
2019年1月20日，中广核集团自主研发设计的S2F PI-A型ATF小棒，顺利载入研究堆，正式开始辐照考验工作。这次燃料小棒入堆，是国内首次实现ATF燃料堆内辐照。
ATF小棒入堆辐照（图片来源：中广核集团）
2019年5月，中广核集团和IAEA联合举办、中广核研究院承办的2019事故容错燃料国际研讨会在深圳召开。
2019年11月28日，在成都举办了首届耐事故燃料技术论坛，展示了国内首次制备出的FeCrAl全尺寸包壳管，而Cr涂层型耐事故燃料包壳已走通长尺寸管材的制备工艺。
FeCrAl全尺寸包壳管（图片来源：中广核集团）
美国也在大力支持ATF技术的发展。近日，能源部获批1.15亿美元支持ATF开发项目。俄罗斯国家原子能公司TVEL燃料公司也在2019年初表示已在耐事故燃料研究方面取得技术突破。
数值反应堆是基于先进耦合建模技术、大规模并行计算技术、先进的验证与确认（V&V）等技术，建立在超级计算机上，可实现实际反应堆各种物理过程高精细模拟预测。它是先进的核反应堆设计优化、高效运行、事故预测和应急以及新材料研发等的试验验证平台。
以人工智能、高精度仿真、智能控制、预见性监测及维护为基础的数字孪生（Digital twin）技术开始进入先进堆研发领域，目的是显著降低下一代先进堆发电的运行和维护成本（例如美国的GEMINA项目）。
国内外对数值反应堆及核电软件的研发都非常重视，这方面的研究对核反应堆的设计优化、高效运行、事故预测和应急以及新材料研发均有较大助益。
数值反应堆主要以美国的CASL与NEAMS、欧洲的NURESIM为主要先进代表。其中，美国的CASL项目已经深化VERA对压水堆的模拟功能并扩展至沸水堆和小堆。
近些年，国内核能领域也逐渐开始重视软件自主化的研究开发，并取得了不同程度的进展。
“COSINE”软件包是具有自主知识产权的核电厂工程设计与安全分析软件。COSINE已具备压水堆核电站堆芯物理—热工水力及系统安全分析的核心功能，取得的研发成果在具备自主知识产权的CAP1400机组或其他压水堆机组上推广应用。与此同时，COSINE已转入工程应用阶段。
COSINE软件包研发进度时间轴
2015年中核集团发布的自主化核电软件一体化平台NESTOR，到2018年已初步完成其综合研发平台的开发，且部分成果已应用于实际工程设计中。中广核集团在自主核电软件开发方面也取得了相关重要进展。
中国三代非能动核电经过10年的努力，基本完成了研发设计自主化、关键设备和材料国产化的历程。在此过程中，中国核电产业能力完成了从二代向三代的跨越。
总体而言，近年来核电产业的规模依然在扩大，技术路线更加多样化，前景可期。
而小型模块堆、空间反应堆等新型反应堆的研究，让核能可以在更宽广的领域发挥作用。
先进的事故容错燃料则革新了核燃料在严重事故下的安全性。
核能系统高精度数值模拟则允许研究人员用较低成本对核电站运行中的各类情况进行计算，对核电站的建设、运行、维护以及事故分析等方面的研究提供了重要保障。
注：本文部分资料来自于文献及网络，具体引用请参见期刊原文。
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