核能能夠在本質(zhì)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(shù)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(yīng)堆根據(jù)引起裂變反應(yīng)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(yīng)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(shù)，聚變?nèi)剂显谧匀唤缰袃α控S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(shù)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(shè)計、戰(zhàn)略引領(lǐng)能源發(fā)展。經(jīng)過多年試驗和探索，全球熱堆的發(fā)展已大規(guī)模應(yīng)用，可滿足現(xiàn)在和未來短期內(nèi)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(shù)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(shù)還在技術(shù)科研攻關(guān)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(shù)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(shù)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(wǎng)、5G、區(qū)塊鏈、人工智能等新一代信息技術(shù)革命與非化石能源技術(shù)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(jié)構(gòu)。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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)優(yōu)化VVER技術(shù)，中期實現(xiàn)基于快堆的先進核燃料循環(huán)系統(tǒng)，長期內(nèi)掌握核聚變技術(shù)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(shù)的世界領(lǐng)先地位，要通過研發(fā)和應(yīng)用新的具有競爭力的技術(shù)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(shù)。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(shù)，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(shù)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(jīng)60年的發(fā)展，俄羅斯國內(nèi)現(xiàn)有超過一半的核電機組都采用該堆型技術(shù)。目前，俄羅斯研發(fā)出了VVER-1200型壓水堆技術(shù)，該技術(shù)采用了“能動+非能動”安全設(shè)計理念，符合國際上三代核電技術(shù)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(nèi)核電建設(shè)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(gòu)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(lǐng)域的發(fā)展。俄羅斯已經(jīng)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(jīng)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(shù)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(jié)構(gòu)，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(yīng)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(jīng)驗較為豐富，在快堆領(lǐng)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(shù)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(shù)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(shè)用于閉式燃料循環(huán)的不同功率快堆技術(shù)”。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(wǎng)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(lǐng)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(lǐng)先的水平，但是由于經(jīng)濟問題，目前仍強調(diào)作基礎(chǔ)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(shè)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(shù)現(xiàn)代化計劃》中將受控熱核聚變技術(shù)和創(chuàng)新等離子體技術(shù)的開發(fā)作為關(guān)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(shù)一直處于領(lǐng)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(jīng)濟競爭力，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展;不間斷研發(fā)快堆技術(shù)，確保全球領(lǐng)先地位;核聚變技術(shù)作為未來能源，科學技術(shù)研發(fā)進程加快。
不斷提升核能經(jīng)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(jīng)濟性好成為了美國核電發(fā)展的主線，并不斷占領(lǐng)全球市場。上個世紀60年代，美國壓水堆經(jīng)濟性得到證實后，隨后向全球進行技術(shù)轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)周期更短、經(jīng)濟性更好、安全性更高。為進一步強化防擴散要求和改善經(jīng)濟性，美國政府提出第四代核電技術(shù)，計劃2030年左右投入應(yīng)用。此外，美國熱堆小型化研發(fā)技術(shù)居世界領(lǐng)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(shù))設(shè)計獲美國核管會批準。
堅持快堆技術(shù)攻關(guān)。在快堆發(fā)展初期，美國設(shè)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(jīng)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(jīng)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(chǔ)科研工作，包括先進結(jié)構(gòu)材料與高性能燃料、超臨界二氧化碳能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、先進模擬與安全分析技術(shù)。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(shù)研發(fā)方向之一。為了解決美國改進型反應(yīng)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(yīng)堆(VTR)，已制定出時間表和資金概況，以確保多功能試驗反應(yīng)堆在2026年之前投入運營。多功能試驗反應(yīng)堆即為鈉冷快堆，用于加速先進核技術(shù)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(zhuǎn)變?yōu)槟茉磫栴}。美國曾經(jīng)是聚變研究的領(lǐng)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(yīng)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(nèi)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(shù)引入美國電網(wǎng)》報告，提出了一項設(shè)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(lǐng)域的領(lǐng)導者。美國科學院《關(guān)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(shè)聚變堆所涉及的科學和技術(shù)問題做詳盡分析的基礎(chǔ)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(nèi)聚變能設(shè)施建設(shè)與科學研究，并確定將制定一項致力于在未來35年內(nèi)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(nèi)以EPR系列作為主力堆型支撐法國國內(nèi)及全球市場發(fā)展;采用閉式核燃料循環(huán)策略，中期內(nèi)部署先進的快堆及后處理技術(shù)，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(shù)。
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(wǎng)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(shù)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(shù)攻關(guān)，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(jīng)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(shè)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(shù)突破、經(jīng)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(shù)。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(jīng)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(shè)和實驗研究從而全面掌握ITER的知識和技術(shù)，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(shù)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(yīng)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)
