2023全球核电发展报告——先进核电技术最新进展

在“华龙一号”(HPR1000)先进压水堆等第三代核电技术加速部署的同时,先进核电技术快速发展。美国、俄罗斯、中国、日本和韩国等全球主要核电国家加速第四代核电技术研发和部署,根据国际原子能机构先进反应堆信息系统(IAEA ARIS)数据,全球已有约80种先进核反应堆设计,其中美国17种,俄罗斯13种,日本11种,韩国7种,中国5种,且中国于2023年12月建成并运行了全球首座第四代核电站(高温气冷堆)。高丰度低浓缩铀燃料(HALEU)等先进核燃料也伴随着先进核电技术快速发展,尤其是在俄乌冲突爆发后,美西方国家希望摆脱对俄先进核燃料的依赖(目前仅俄罗斯和美国生产高丰度低浓缩铀燃料,且只有俄罗斯实现了商业规模生产),正在加速部署先进核燃料生产设施,构建美西方国家的先进核燃料供应链。本章节中,先进核电技术指第四代核电技术、小型模块化反应堆(SMR)和微型模块化反应堆(MMR)、先进核燃料技术,以及先进乏燃料后处理工艺等。

技经观察丨2023全球核电发展报告——先进核电技术最新进展

(一)第四代核电技术

第四代核能系统国际论坛(Generation IV International Forum)以中子能量作区分,确定了6种反应堆堆型:超高温气冷堆(VHTR)(热中子)、超临界水堆(SCWR)(热/快中子)、钠冷快堆(SFR)(快中子)、气冷快堆(GFR)(快中子)、铅冷快堆(LFR)(快中子),以及熔盐堆(MSR)(热/快中子)。2023年,全球科技强国加速第四代核电技术的研发与部署。

 

美国方面

 

美国能源部(Department of Energy)通过“先进反应堆示范计划”(Advanced Reactor Demonstration Program)和“核能加速创新门户计划”(Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear)等向橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)、阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)、桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)、泰拉能源公司(TerraPower)、ARC Clean Technology、SHINE Technologies、Aalo Atomics和Boston Atomics等提供支持,推动先进核电技术发展。其中,泰拉能源公司的Natrium钠冷快堆已明确首堆地址,将于2028年建成。

 

欧洲方面

 

英国moltexFLEX公司的稳定熔盐反应堆(SSR)通过优化堆芯和燃料棒材料设计显著提高了输出功率。法国原子能和替代能源委员会(French Alternative Energies and Atomic Energy Commission)成立Hexana和Stellaria两家先进核电初创公司,其中,Hexana公司将开发基于钠冷快堆的小堆设计,Stellaria公司将开发基于熔盐堆的紧凑型能源系统。法国NAAREA公司与英国newcleo公司获得法国原子能和替代能源委员会“创新核反应堆项目”(Innovative Nuclear Reactors)首批2500万欧元资金支持。而后,两家公司建立战略和产业合作伙伴关系,共同推进快中子反应堆发展。其中,NAAREA公司正在开发快中子熔盐堆,计划于2027年建成原型堆、2030年开始批量制造商业堆;newcleo公司计划于2030年在法国建造一座30兆瓦电力的铅冷快堆试验堆,并于2032年在英国建造首个商用铅冷快堆。此外,法国的Hexana公司、Otrera公司(钠冷快堆)和Blue Capsule公司(钠冷快堆)等获得法国“法国2030”投资计划(“France 2030”Investment Plan)7720万欧元财政支持和法国原子能和替代能源委员会1890万欧元技术支持。

 

俄罗斯方面

 

俄罗斯国家原子能集团公司(Rosatom)的BREST-OD-300是全球首座铅冷快堆。2024年1月,BREST-OD-300已安装钢制反应堆底板和安全壳下层,标志着反应堆建设取得重要进展,按计划该反应堆将于2027年投运。该项目是俄原公司“突破项目”(Proryv)的一部分,后续将建成由BREST-OD-300反应堆、乏燃料后处理设施,以及快堆燃料制造/再加工设施组成的综合体,实现综合体封闭式核燃料循环。此外,俄罗斯水压试验设计院(OKB Gidropress)正在研发第4代微型铅铋冷却快堆SVET-M,这种微堆采用整体设计,高约为5米,可以使用多种类型的交通工具运输。

 

中国方面

 

中国在超高温气冷堆、熔盐堆、钠冷快堆和铅铋快堆(LFR)等第四代核电技术上均有布局,2023年6月,甘肃钍基熔盐实验堆获得国家核安全局颁发的运行许可证,达到项目重要节点,可以进行后续装料工作。12月,中国具有完全自主知识产权的全球首座第四代核电站——华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程正式投入商业运行。

 

日本方面

 

日本政府选择了以三菱重工(Mitsubishi Heavy Industries)为核心,日本原子能研究开发机构(Japan Atomic Energy Agency)、三菱快堆系统公司(Mitsubishi FBR Systems)等共同参与,在美国泰拉能源公司现有技术的基础上开发650兆瓦钠冷快堆设计,该项目预计于2040年代投入运行。

 

此外,比利时、意大利和罗马尼亚的核能管理机构和公司与西屋公司签署谅解备忘录,推进西屋公司的铅冷快堆在比利时、意大利和罗马尼亚等国部署。

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(二)小堆和微堆

国际原子能机构在《安全标准对非水冷反应堆和小型模块化反应堆的适用性》(Applicability of IAEA Safety Standards to Non-Water Cooled Reactors and Small Modular Reactors)指出,全球有超过80多种新反应堆设计正在研发中,这些新反应堆使用了创新的安全技术,包括非能动和固有安全特性、各种类型的燃料和冷却剂,以及在运输、建造、运行、乏燃料管理和退役等方面采取的新方法。英国新核能观察研究所(New Nuclear Watch Institute)发布的《扩展成功:在竞争激烈的全球低碳能源市场中引领小型模块化反应堆未来》(Scaling Success: Navigating the Future of Small Modular Reactors in Competitive Global Low-Carbon Energy Markets)中指出,大规模发展核能是实现全球升温1.5℃目标必不可少的选择,而建造周期更短、初始投资更低、适用场景更丰富、模块化满足多种需求的小堆在实现全球净零排放目标中发挥着关键作用,预计到2050年全球小堆装机容量将达到150~170吉瓦(积极发展状态可达300吉瓦)。其中,中国和俄罗斯运营约40%的小堆,美国和加拿大运营1/3的小堆。俄罗斯的RITM反应堆系列将在全球小堆装机容量中占据最大份额,达到18%;中国的“玲珑一号”设计的份额其次,达到15%;美国NuScale公司的VOYGR (5%~10%)、通用日立核能公司(GE Hitachi Nuclear Energy)的BWRX-300,以及X能源公司(X-energy)的Xe-100(7%)也将占据大量市场份额。美国第一政策研究所(America First Policy Institute)在《通往美国核能复兴的五个步骤》报告中指出,虽然美国通过大力推进风能和太阳能实现可再生能源发电量快速增加,但这些间歇性能源使美国能源可靠性大幅降低,美国作为曾经推动全球核电发展的主力,应该在顶层设计上重视核电发展,尤其是发展先进核电技术,成为全球核能发展的领导者。

 

美国方面

 

美国能源部的“微型反应堆应用、研究、验证与评估”项目(Microreactor Applications Research, Validation and Evaluation)稳步推进,“一回路冷却剂测试台”(Primary Coolant Apparatus Test)已投运。X能源公司与陶氏集团(Dow)合作,在陶氏集团的Seadrif工厂建造4座Xe-100先进小型模块化反应堆,计划于2030年前投运,为该工厂提供安全、低碳、可靠的电能和热能。X能源公司还与西北能源公司(Energy Northwest)签署联合开发协议,将在华盛顿州合作建设12座Xe-100小堆,首堆于2030年投运。西屋公司发布AP300小堆设计,并计划于2030年完成建设;西屋公司建设eVinci微堆设计和制造中心,推动该堆型商业化。此外,在军用核电方面,美国国防部(U.S. Department of Defense)通过“贝利计划”(Project Pele)开发可以通过货运列车、集装箱车、战略运输机等方式运输的微堆,这种设施可以在3天内部署、7天内撤离(见图5)。BWXT公司于2022年6月获得美国国防部合同开发微堆原型。2023年9月,美国国防部向X能源公司授予“贝利计划”第二个合同,对BWXT公司的设计进行完善。同月,美国BWXT公司与Crowley公司开发搭载5~50兆瓦模块化核反应堆的浅吃水船体船舶,并通过浮力输电线缆向岛屿、军事基地或灾后地区提供电力(见图6)。此外,美国空军、美国国防后勤局能源部门(Defense Logistics Agency – Energy)与Oklo公司合作,推动在Eielson空军基地部署美国空军首个微堆,增强军事设施能源独立性。

 

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图5 “贝利计划”概念图

图片来源:美国政府问责局(Government Accountability Office)。

 

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图6 核能发电船舶概念图

图片来源:Crowley公司。

 

在先进核电技术出口方面,美国政府通过“凤凰计划”(Project Phoenix)支持将捷克、斯洛伐克和波兰的燃煤电厂改造为小堆核电站。美国负责军备控制和国际安全事务的副国务卿Bonnie Jenkins和美国进出口银行主席Reta Jo Lewis宣布美国将通过美国国务院与美国进出口银行(Export-Import Bank of the United States)支持美国的小堆设计在本土和全球部署。美国与菲律宾签署和平利用核能合作协议——“123协议”(123 Agreement)为美菲开展实质性核合作扫清障碍,美菲企业也签署了多项合作协议,研究在菲部署小堆。加拿大核能管理机构通过了Xe-100小堆的第二阶段供应商设计评审(Vendor Design Review),为该设计在加部署提供支持;波兰国家原子能机构(National Atomic Energy Agency)对NuScale公司NPM-20小堆的反应堆控制室、堆芯设计、供电系统、冷却系统、放射性废物和乏燃料管理等多方面进行了评估,认为该设计符合波兰安全要求。NuScale公司还与罗马尼亚和韩国企业合作,在这两个国家部署NuScale小堆模拟机,培养先进核电技术方面的专业人员。

 

加拿大方面

 

阿尔伯塔省、新不伦瑞克省、萨斯喀彻温省和安大略省等持续推进小堆的发展。例如,安大略省政府与安大略电力公司(Ontario Power Generation)合作,在Darlington核电站建造4座通用日立核能公司的BWRX-300小堆,首堆将于2029年投运;安大略电力公司还与北美电力生产商Capital Power公司签署一项为期两年的协议,将共同研究在阿尔伯塔省开发小堆。安大略电力公司已向加拿大核安全委员会提交建造BWRX-300小堆许可证申请,预计2024年获得许可。

 

欧洲方面

 

2023年7月,英国政府正式启动了负责小堆技术筛选工作的大不列颠核能机构(Great British Nuclear),并开展小堆竞赛,英国政府表示,小堆项目将获得数十亿英镑的资金支持。在新机构启动当天,英国政府还宣布拨款1.57亿英镑的支持先进核电发展。英国政府发布的《民用核电2050路线图》提出,大不列颠核能机构将加快小堆技术筛选工作,明确在后续支持的具体技术,并在2029年之前实现最终投资决策。法国电力公司(Électricité de France)旗下的NUWARD公司已向法国核安全监管机构提交了小堆安全选项文件,进入预许可程序,该公司计划于2030年开始NUWARD小堆建设。

 

俄罗斯方面

 

俄罗斯国家原子能集团公司正在开发具有长换料周期的小堆热电示范堆ATST Elena-AM,为偏远地区提供电能和热能。俄罗斯罗蒙诺索夫院士号(Akademik Lomonosov)浮动核电站是全球唯一一个商业运行的小堆项目(2020年投入运行),2023年年底,该反应堆开始首次换料。俄罗斯国家原子能集团公司已经在北极的Krasnoyarsk、Yakutia和Chukotka等偏远地区选择了多个有前景的小堆建设场址,其中,俄正在Yakutia建设首座陆基小堆核电站。此外,孔雀石海洋机械设计局(Malakhit Marine Engineering Bureau)正在开发可以潜入水下400米深、通过8根锚链进行受控下潜和上浮的水下核电设施,将为俄北极军事基地提供能源(见图7)。

 

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图7 水下核电设施概念图

图片来源:俄罗斯国家原子能集团公司。

 

韩国方面

 

2023年7月,韩国产业通商资源部发起由韩国产业通商资源部、韩国水电与核电公司(Korea Hydro & Nuclear Power)等11个政府机构和公共机构,以及SK集团、GS Energy、三星物产(Samsung C&T)、大宇建设(Daewoo)等31个韩国公司组成的公私合作小堆联盟,推动韩国小堆技术发展和“走出去”。

 

此外,阿联酋核能公司(Emirates Nuclear Energy Corporation)与美国的通用日立核能公司、泰拉能源公司、西屋公司、X能源公司和超安全核公司(Ultra Safe Nuclear),英国的MoltexFLEX公司,中国的中核集团核动力运行研究所、中国中原对外工程有限公司和中国原子能工业有限公司等签署合作协议,探索各方先进核电技术在阿联酋部署,支持阿联酋“ADVANCE”计划发展,实现2050年核电发电占比达到6%的目标。

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(三)先进核燃料技术和先进乏燃料后处理工艺

 

目前,俄罗斯国家原子能集团公司拥有全球近50%的铀浓缩能力,并为美欧国家提供核燃料和铀浓缩服务,俄罗斯国家原子能集团公司下属的Tenex公司是全球唯一一家商业化生产、销售高丰度低浓铀的公司。俄乌冲突发展至今,美西方国家保持对俄核燃料的依赖,同时,美西方国家正在采取措施多元化核燃料来源。2023年12月,美国众议院通过《禁止俄罗斯铀进口法》(Prohibiting Russian Uranium Imports Act),后续还将在参议院审议。该法案通过后,美国将停止从俄罗斯进口低浓缩铀。但该法案为美国留有余地,如果美国能源部发现无法替代俄核燃料或从俄进口核燃料符合美国国家利益,则可以临时豁免。

 

高丰度低浓铀

 

高丰度低浓铀是指铀-235丰度为5%~19.75%的铀。相对于传统低浓铀,高丰度低浓铀有助于减小燃料组件尺寸、缩小反应堆体积、延长反应堆换料周期,并实现更高燃耗,是许多先进核电反应堆的燃料选择。高丰度低浓铀是美国能源部“先进反应堆示范计划”的关键。美国能源部称,2030年之前,美国先进核电领域所需的高丰度低浓铀将超过40吨,供需缺口巨大。2023年9月,美国国家核军工管理局(National Nuclear Security Administration)与BWXT公司签订总价值1.165亿美元的合同,后者将利用政府部门数吨含浓缩铀的核废料生产2吨以上高丰度低浓铀。11月,美国森图斯能源公司(Centrus Energy)生产了美国70多年来首批20千克高丰度低浓铀,是美国能源部高丰度低浓铀示范项目的关键里程碑。同月,爱达荷国家实验室使用烧结技术制造出20余个商业级高丰度低浓缩铀燃料芯块,后续将进行耐事故燃料测试。2024年1月,美国能源部启动一项价值5亿美元的高丰度低浓铀招标,推动本土先进核燃料供应链建设,保障高丰度低浓铀的长期供应能力。此外,美国激光同位素分离技术公司(LIS Technologies)与库里奥解决方案公司(Curio Solutions)合作,研究利用激光同位素分离技术对乏燃料中回收的铀进行浓缩的可行性。激光同位素分离技术公司开发的激光同位素分离技术与离心机等方法相比拥有更高的能效,可用于生产低浓铀和高丰度低浓铀。

 

欧洲方面,2023年,欧洲铀浓缩公司(Urenco)宣布,将美国尤尼斯(Eunice)铀浓缩厂和荷兰阿尔默洛(Almelo)铀浓缩厂产能分别提高15%,并与美国柏克德公司(Bechtel)等合作扩展尾料管理设施。2024年1月,英国能源安全和净零排放部宣布投资3亿英镑启动欧洲首个高丰度低浓铀计划,生产先进核电反应堆所需的核燃料。预计首座高丰度低浓铀工厂将于2030年代初期投入生产。

 

钚铀混合氧化物(MOX)燃料

 

MOX燃料是包含了二氧化钚等多种可增殖的可衰变氧化物的核燃料,可替代低浓缩铀。钚作为一种人造放射性同位素,主要用途是制造核武器,通过将退役的核武器(含有武器级钚)或将乏燃料(含有未被用尽的铀和链式反应产生的钚)再利用,制造MOX燃料,实现钚的和平、高效运用(武器级钚若不制造MOX燃料,就作为核废料处置,存在核扩散风险)。2023年,英国newcleo公司与英国核退役管理局(Nuclear Decommissioning Authority)下属的Nuclear Transport Solutions公司就MOX燃料运输展开可行性研究。俄罗斯采矿与化学联合体(Mining & Chemical Combine)生产了首批共计三个含次锕系元素的MOX燃料组件并完成验收测试,计划于2024年将这些组件装入别洛雅尔斯克核电站4号机组(BN-800快堆)堆芯。此外,俄罗斯正在开发用于VVER-1000机组的铀-钚再生混合物(REMIX)燃料,与MOX燃料相比,REMIX燃料由经过后处理的铀和钚混合物制成,并添加了浓缩铀,混合燃料中钚含量为1.5%。俄罗斯希望根据不同的堆型和燃料循环策略,提供多种核燃料供应。

 

三元结构各向同性(TRISO)燃料

 

TRISO燃料是一种颗粒状核燃料,核裂变材料位于中心,外缘一般带有四个包覆层,相当于为核裂变材料提供了单独的“安全壳”,从内到外分别是疏松热解炭层(贮存核裂变反应产生的气体)、内致密各向同性热解碳层(防止裂变产物和碳化硅层反应以及核裂变产物向外层的扩散)、碳化硅层(阻挡所有裂变产物的释放)和外致密各向同性热解碳层(保护碳化硅层并提供力学强度)。这种燃料能够承受极端高温,且扩散和环境风险极低,是未来事故容错核燃料和高温堆核燃料的重要发展方向。全陶瓷微封装(FCM)燃料是新一代TRISO燃料,使用具有耐高温、耐辐照特性的碳化硅取代传统TRISO燃料的石墨基体。2023年11月,法国法马通公司(Framatome)和美国超安全核公司计划组建合资公司,专门负责制造TRISO燃料和FCM燃料。

 

此外,美国能源部为库里奥解决方案公司的新型乏燃料循环工艺NuCycle提供支持。这种工艺能够生产多种同位素产品,包括低浓缩铀和正在研发阶段的TRUfuel燃料(由高丰度低浓铀和超铀元素组成)。加拿大Moltex Energy Canada公司开发出名为“废物转化为稳定盐”(WATSS)的乏燃料后处理工艺,将氧化铀转化为“稳定熔盐反应堆-废物燃烧器”(SSR-W)的燃料。相较于以往的乏燃料后处理工艺,该工艺更简单、成本更低,且该工艺无法生产钚,降低了核扩散风险。该工艺已在加拿大获得专利。

 

2023全球核电发展报告——全球核电发展现状》未完整显示数据

表1 全球核电反应堆装机容量前15名国家及核电反应堆数量

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数据来源:国际原子能机构动力堆信息系统,截至2024年1月27日。

 

表2 全球在建核电反应堆容量及核电反应堆数量

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数据来源:国际原子能机构动力堆信息系统,截至2024年1月27日。