2023年12月6日，全球首座第四代核電站——山東榮成石島灣高溫氣冷堆核電站商業(yè)示范工程圓滿完成168小時連續(xù)運(yùn)行考驗(yàn)，正式投入商業(yè)運(yùn)行。這標(biāo)志著我國在第四代核電技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

國際原子能機(jī)構(gòu)在《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第二十八次締約方大會上聯(lián)合40余個成員國共同發(fā)表《凈零需要核能》聲明，我國已表示支持并加入。在應(yīng)對氣候變化大背景下，先進(jìn)核能技術(shù)和未來應(yīng)用有哪些新方向？

第四代核能系統(tǒng)是指目前正在設(shè)計(jì)和研究開發(fā)的、經(jīng)濟(jì)性和安全性更優(yōu)越、廢物量極少、無需廠外應(yīng)急，并具有防核擴(kuò)散的核能利用系統(tǒng)。鈉冷快堆（SFR）、鉛冷快堆（LFR）、氣冷快堆（GFR）、超臨界水冷堆（SCWR）、超高溫氣冷堆（VHTR）和熔鹽堆（MSR）等6種堆型，是最有開發(fā)前景的第四代核能系統(tǒng)的候選堆型。第四代核能系統(tǒng)在電力、冶金、石化等領(lǐng)域具有較為廣闊的應(yīng)用前景，如熱電聯(lián)產(chǎn)、工業(yè)用熱、氫氣制備、海水淡化等。

隨著核電設(shè)計(jì)、建造等技術(shù)進(jìn)步，為適應(yīng)能源市場多樣化需求，世界各國正致力于開發(fā)功率較小、可靈活布置的小型模塊式反應(yīng)堆（SMR）。與傳統(tǒng)大中型反應(yīng)堆相比，小型反應(yīng)堆具有以下優(yōu)點(diǎn)：模塊化設(shè)計(jì)和建造，工廠預(yù)制，可根據(jù)需要進(jìn)行多模塊集成，方便運(yùn)輸；功率較?。ㄍǔ０l(fā)電功率小于30萬千瓦），一次性投資小，建造周期短，靈活布置，適用于能源或工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施有限的偏遠(yuǎn)地區(qū)；擁有一系列非能動安全系統(tǒng)，具有增強(qiáng)的防核擴(kuò)散能力，具有良好的廠址適應(yīng)性。

核能熱電聯(lián)產(chǎn)：

中小火電機(jī)組的替代者

以高溫氣冷堆為代表的第四代核反應(yīng)堆，憑借自身技術(shù)特性、成熟度，以及較好的環(huán)境相容性，對即將退役的中小火電機(jī)組具有替代性。從目前研究來看，高溫氣冷堆在替代火電方面具有眾多優(yōu)勢：反應(yīng)堆主蒸汽參數(shù)與常規(guī)火電超高壓機(jī)組參數(shù)基本相當(dāng)，可同時承接火電廠退役后電力用戶、熱力用戶，直接和原有管網(wǎng)系統(tǒng)、原有出線走廊對接，無需新建電力和蒸汽輸出設(shè)施。經(jīng)評估和少量改造后，火電廠現(xiàn)有配套設(shè)施可直接用于高溫氣冷堆核電站，降低項(xiàng)目建造和運(yùn)營成本。

國際上，美國能源部（DOE）核能辦公室聯(lián)合多個國家級實(shí)驗(yàn)室在2022年9月發(fā)布《調(diào)查燃煤電廠“變”核能項(xiàng)目之益處和挑戰(zhàn)》。這份報告顯示，美國大多數(shù)現(xiàn)有和新近退役的燃煤發(fā)電廠可以被重新利用，低成本容納核能項(xiàng)目。這些火電廠址可容納的潛在核電裝機(jī)容量預(yù)計(jì)超過250吉瓦，所發(fā)電量相當(dāng)于美國一年發(fā)電量的1/4。煤電項(xiàng)目轉(zhuǎn)為核電項(xiàng)目后，可以幫助當(dāng)?shù)卦黾泳蜆I(yè)崗位、刺激經(jīng)濟(jì)，并改善周邊環(huán)境。

近年來，我國大型電力集團(tuán)在“雙碳”目標(biāo)下積極探索轉(zhuǎn)型路徑，但由于企業(yè)火電資產(chǎn)份額大，轉(zhuǎn)型面臨較大的碳排放考核壓力。通過探索在原廠址替代建設(shè)核電，可以帶來低碳轉(zhuǎn)型良機(jī)，實(shí)現(xiàn)廠址資源重復(fù)利用。當(dāng)前，中核集團(tuán)正在與國家能源集團(tuán)、華能集團(tuán)等公司開展合作，研究即將退役的火電廠址轉(zhuǎn)為核電廠址的可行性。

核能工藝熱應(yīng)用：

高耗能行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的利器

將反應(yīng)堆核裂變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為高溫、高壓蒸汽或其他熱介質(zhì)后供給用戶端，可用于石化、煤氣化、鋁生產(chǎn)、石油開采等領(lǐng)域，以滿足相關(guān)生產(chǎn)工藝的熱負(fù)荷需求。相比于燃煤鍋爐或天然氣等熱源，核能供汽規(guī)模效應(yīng)強(qiáng)，在碳排放約束下，具有一定的經(jīng)濟(jì)可行性，有助于石化等高耗能企業(yè)新項(xiàng)目審批，幫助地方政府緩解降碳指標(biāo)壓力。

國際上，基于在役核電機(jī)組工藝熱應(yīng)用的研究和實(shí)踐均已開始，在實(shí)踐方面，捷克斯洛伐克、加拿大、德國、瑞士等國的部分核電站采取熱電聯(lián)產(chǎn)方式為廠區(qū)周邊提供工業(yè)蒸汽。如加拿大布魯斯核產(chǎn)業(yè)開發(fā)園，布魯斯A核電站的二次熱傳輸系統(tǒng)通過換熱器將高壓蒸汽轉(zhuǎn)移至布魯斯散裝蒸汽系統(tǒng)（BBS），可為重水生產(chǎn)廠提供約750兆瓦中壓蒸汽。另有72兆瓦蒸汽被輸送至布魯斯能源中心工業(yè)園，可滿足塑料薄膜制造商、溫室、乙醇工廠、苜蓿工廠、蘋果汁濃縮工廠和農(nóng)業(yè)研究設(shè)施的熱需求。在研究方面，俄羅斯基于自身40多年高溫氣冷堆經(jīng)驗(yàn)，正在開展MHR-100型譜化設(shè)計(jì)，其中MHR-100R計(jì)劃為煉油廠提供高溫?zé)嵩?。美國在“下一代核電站”?jì)劃中，以高溫氣冷堆為基礎(chǔ)，研究原油開采和煉油的電力與工藝蒸汽的熱電聯(lián)產(chǎn)。

在國內(nèi)，目前在運(yùn)的大型壓水堆核電機(jī)組二回路蒸汽溫度一般為200～300攝氏度，可以在發(fā)電同時滿足部分中低溫?zé)嶝?fù)荷需求。正在建設(shè)的田灣核電蒸汽供能項(xiàng)目以3、4號核電機(jī)組蒸汽作為熱源，通過多級換熱，將工業(yè)蒸汽通過熱網(wǎng)輸送至連云港石化產(chǎn)業(yè)基地。最近新投運(yùn)的石島灣高溫氣冷堆示范工程二回路蒸汽溫度在571攝氏度左右，可以滿足工業(yè)用戶的高溫?zé)嶝?fù)荷需求；將來開發(fā)出超高溫氣冷堆后，將進(jìn)一步拓展其工藝熱應(yīng)用領(lǐng)域。鉛冷快堆、熔鹽堆等其他尚處于研究開發(fā)中的核能系統(tǒng)同樣具有溫度參數(shù)高、固有安全性等特點(diǎn)，雖短期內(nèi)不具備商業(yè)化條件，但從長期來看，其核能工藝熱應(yīng)用場景也較為豐富。

核能制氫：

規(guī)模化供氫的低碳方案

將先進(jìn)核能系統(tǒng)與先進(jìn)的制氫工藝耦合，可以實(shí)現(xiàn)氫的大規(guī)模生產(chǎn)。核能制氫具有不產(chǎn)生溫室氣體、穩(wěn)定高效、可規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是滿足大規(guī)模低碳?xì)湫枨蟮慕鉀Q方案。目前，核能制氫主要有電解水制氫和熱化學(xué)制氫兩種方式。

國際上，美國、日本等國家都在謀劃核能制氫發(fā)展路線圖，支持核能制氫相關(guān)技術(shù)開發(fā)、示范驗(yàn)證與推廣。2020年，美國能源部（DOE）發(fā)布的氫項(xiàng)目計(jì)劃提出，開發(fā)在超高溫度下運(yùn)行的先進(jìn)反應(yīng)堆，以匹配先進(jìn)的熱化學(xué)循環(huán)制氫工藝。2021年，DOE核能辦公室發(fā)布戰(zhàn)略愿景，將核能制氫作為“確保美國現(xiàn)有核反應(yīng)堆持續(xù)運(yùn)行”戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的支撐舉措之一。日本自20世紀(jì)80年代起一直推進(jìn)高溫氣冷堆和制氫工藝研究，按照政府公布的綠色增長戰(zhàn)略，該國將采取“三步走”的戰(zhàn)略，最終目標(biāo)是到2050年將利用高溫氣冷堆工藝熱制氫的成本降至12日元/立方米（約合7.3元人民幣/千克）。

在國內(nèi)，中核集團(tuán)與清華大學(xué)等單位合作開展核能制氫研究與工程試驗(yàn)，利用高溫氣冷堆蒸汽品質(zhì)好、固有安全性高的特點(diǎn)將高溫氣冷堆與熱化學(xué)循環(huán)制氫技術(shù)耦合，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)氫氣，目標(biāo)是建成600兆瓦超高溫氣冷堆，與熱化學(xué)制氫工廠匹配生產(chǎn)。2021年，由清華大學(xué)、中核集團(tuán)、華能集團(tuán)、中國寶鋼、中信集團(tuán)五方聯(lián)合發(fā)起成立高溫氣冷堆碳中和制氫產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，以我國先進(jìn)的高溫氣冷堆技術(shù)為基礎(chǔ)，將高溫氣冷堆技術(shù)與鋼鐵冶煉、化工等具體應(yīng)用場景相結(jié)合，開發(fā)氫冶煉、氫化工等應(yīng)用技術(shù)。2022年9月，中核集團(tuán)與茂名市政府、東華能源三方簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，以高溫氣冷堆為動力源，構(gòu)建零碳產(chǎn)業(yè)園。

核能海水淡化：

開發(fā)國際市場的生力軍

在沿海淡水資源缺乏的地區(qū)，可以將核能系統(tǒng)發(fā)電與海水淡化裝置耦合，采取反滲透法、低溫多效蒸餾法或多級閃蒸法等工藝，實(shí)現(xiàn)海水脫鹽。由于海水淡化工藝所需要的熱源溫度不高，依托在役核電廠就可以快速部署工程化項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)核能海水淡化應(yīng)用。

自20世紀(jì)60年代起，日本、印度、哈薩克斯坦、俄羅斯、韓國、巴基斯坦等十幾個國家均開展了海水淡化的相關(guān)研究，推進(jìn)工程應(yīng)用。日本在本國建設(shè)了10個核能海水淡化裝置，將多種海水淡化工藝與反應(yīng)堆相耦合，積累的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)超過150堆年。

我國的海水淡化技術(shù)近年也日趨成熟。得益于濱海核電廠得天獨(dú)厚的水資源條件，遼寧紅沿河核電站、福建寧德核電站、浙江三門核電站、山東海陽核電站等相繼采用海水淡化技術(shù)來解決自身淡水使用問題，其他核電廠也在考慮建設(shè)海水淡化設(shè)施。2021年5月，國家電投集團(tuán)與清華大學(xué)聯(lián)合在海陽建設(shè)的“水熱同產(chǎn)同送”科技示范工程投運(yùn)。該技術(shù)利用海陽核電機(jī)組的抽汽和余熱驅(qū)動水熱同產(chǎn)設(shè)備，通過多級閃蒸和多效蒸餾工藝，將海水直接變成滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)的95攝氏度淡水。

海水淡化國際市場需求巨大，特別是中東和北非部分國家淡水極度缺乏，阿曼、沙特、巴林、科威特、阿聯(lián)酋等國都在全球十大缺水國家之列，相關(guān)地區(qū)的多個國家對于利用核能開展海水淡化表示了很大興趣。目前，國內(nèi)水處理企業(yè)正在開拓國際海水資源利用市場，自主海水淡化技術(shù)與裝備已經(jīng)出口印尼、巴基斯坦等國。未來，國內(nèi)核能企業(yè)可以聯(lián)合水處理企業(yè)，加強(qiáng)與相關(guān)國家合作，將高溫氣冷堆、小型壓水堆等核電產(chǎn)品與海水淡化工程出口綁定，聯(lián)合開發(fā)國際市場。