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工作研究丨国际组织在先进核能领域的作用与启示
时间:2023年12月14日 来源:本站 作者:李汉辰 点击量: 分享:

自党的十九大提出“构建清洁低碳、安全高效的能源体系”的战略要求以来,核电作为我国能源发展战略的重要组成部分,发挥了不可替代的作用。近年来,科技竞争与大国博弈升级、生态恶化与能源危机加剧,迫使核能领域持续加大科技创新支持力度。根据国际原子能机构(IAEA)动力反应堆信息系统(PRIS)数据,截至2023年3月,38个成员国共有422个商用反应堆正在运行,总净装机容量为377 GWe;另有18个成员国正在建造57台核电机组,总净容量59 GWe。核电提供了全球10%的电力,是仅次于水电的第二大低碳电力来源,约占全球低碳电力的28%。从全球视角来看,核能利用将在未来能源科技发展中占据重要地位。为了更好地保障国家能源安全,形成绿色多元的能源供给体系至关重要。核能作为能源发展战略的一个重要组成部分,既要从批量化、市场化角度建设成熟可靠的反应堆技术,满足我国核电规模化发展的需要;又要从技术进步角度探索研发创新型反应堆技术,做好未来技术储备,满足长期可持续发展的需要。如何合理选择下一代核能系统技术路线,集中力量突破关键环节,构建核能多用途应用场景,拓宽核能应用市场,将直接影响我国核工业的长远发展,关系我国能否在核能领域占领技术制高点并形成引领优势,也是未来较长时期内我国核能行业政策的重点关注内容。

多年以来,国际原子能机构(IAEA)、经济合作组织核能署(OECD-NEA)、第四代核能系统国际论坛(GIF)等国际组织在先进核能系统技术研发、市场推广、监管协调等领域组织开展了大量工作,部分先进核能发展理念已形成全球核能行业共识。我国在开展相关研究过程中,有必要梳理国外发展情况、借鉴相关经验,结合当下国情和未来发展需要,明确下一阶段方向,合理规划布局。

一、国外先进核能技术发展概况

2001年,在美、英、日等9个国家的高级政府代表的见证下,第四代核能系统国际论坛(GIF)宣告成立。GIF于2006年正式吸纳我国为成员国,目前成员( 含欧盟 )总数为14个。

GIF旨在寻求技术创新和先进的反应堆设计,通过挖掘市场需求等方式提升经济性,提高设计灵活性和热效率,减少放射性废物体积和毒性,满足第四代核能系统的可持续性、经济性、安全可靠性和防扩散及实物保护的目标;在各成员国的政策与资金支持下,力争2030年后实现先进核能系统的示范与商业化部署。

为满足对可持续性、经济性、安全可靠性以及防扩散和实物保护方面的进一步提升要求,六种第四代反应堆技术路线入选GIF第四代核能系统选型,包括钠冷快堆(SFR)、铅冷快堆(LFR)、气冷快堆(GFR)、超高温气冷堆(VHTR)、超临界水堆(SCWR)以及熔盐堆(MSR)。成员国针对六种概念的技术和产业发展进行合作,通过技术、体制和组织创新实现上述目标。经过20年的探索,部分第四代核能系统研发取得了实质性进展,并且对当前小型模块化反应堆的开发起到指导性作用。

近年来,IAEA不断加大对小型模块化反应堆发展与推广的支持力度,为此开发了小型模块化反应堆应用平台,协助各国应对核能开发过程中所遇到的相关挑战。2021年,IAEA先后发布了小型模块化反应堆部署技术路线图、小型模块化快堆的优势和挑战等重要研究报告。2022年,为促进小堆技术、市场与监管协调发展,IAEA发起了“核协调与标准化倡议”,将决策者、监管者、设计者、供应商和营运者聚集在一起,为小堆制定共同的监管和工业界解决方案,促进中小型模块堆和其他先进核技术的安全可靠部署。

为应对气候变化和能源危机,经济合作组织核能署(OECD-NEA)于2015年发起了一项核创新倡议(Nuclear Innovation 2050, NI2050)。项目涵盖了广泛的技术领域,涉及反应堆系统设计和运行、燃料和燃料循环技术、废物管理和退役以及发电以外的相关应用。此外,该项目还挖掘供热市场的潜力,并力求提升反应堆运行的灵活性。

随着可再生能源、储能等能源技术的发展,发电系统越来越多样化。除电力部门外,各种低碳能源技术正在瞄准重工业和长途运输等领域的减排需求快速发展。OECD/NEA于2021年发布《Advanced Nuclear Reactor Systems and Future Energy Market Needs( 先进核反应堆系统和未来能源市场需求 )》专题报告。报告针对先进核反应堆系统( 第三代/第三代+反应堆、小型模块化反应堆和第四代核能系统 )技术特征,探讨了如何满足未来的能源市场需求。

二、先进核能发展理念与研究进展

面对气候危机、能源危机以及先进核能技术提升需求,国际组织根据其性质和成员国诉求等因素提出了不同的先进核能发展理念与发展行动。

( 一 )国际原子能机构(IAEA)

2018年,IAEA有针对性地成立了小型模块化反应堆专项技术工作组(TWG-SMR),由核动力处下属核动力技术发展科(NPTDS)牵头负责该工作组运作。目前该工作组共有成员国21个,观察员国1个,国际组织2个。工作组主要职能是就与IAEA SMR活动有关的具体议题向分管核能的副总干事提供咨询意见;分享关于SMR的国家和国际计划信息等。

工作组下设三个小组,分别是:

·SG-1:通用用户需求和标准(GURC)的开发;

·SG-2:研发与创新;法规与标准;

·SG-3:产业化、工程设计、调试、制造、供应链与建筑技术。

结合以往二代、三代大型商用核电站运行经验和能源市场情况,IAEA有针对性地设定了SMR发展目标(见表1)。

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面对当前各国小堆发展所面临的共性问题,IAEA将其提炼,并作为下一步亟待研究解决的方向:

·FOAK的安全性和运行性能示范,创造性的设计和技术;

·项目的连续性,与其他替代电/热源的成本竞争力,稳健的供应链和可行的融资方案;

·监管框架,执照许可途径:全球部署所需要的协调工作;

·发展核能基础设施,加速部署,特别是在无核电的国家。

为助推小型模块化反应堆在全球安全可靠部署,IAEA于2022年面向成员国发起《核协调与标准化倡议(Nuclear Harmonisation and Standardisation Initiative, NHSI)》,旨在建立一个涵盖全球核能监管机构、核能企业、技术持有者以及相关国际组织的交流平台,在小型模块化反应堆行业标准和监管要求方面开展广泛讨论,凝聚共识,形成通用的业界规范和统一的监管方法。

具体工作分为两个组别开展,一个面向监管机构,另一个面向工业界,包含技术持有者和运营商。两组相互独立但又互为补充支撑。

监管组设立目标是加强国际监管合作,避免重复审查工作,在不损害核安全和国家主权的前提下提升效率并达成共同的监管立场。监管组设立三个工作组,分别负责共享信息框架构建、许可设计预审查以及监管经验借鉴。

工业组目标是为小堆的制造、建设和运营开发制定标准化程度更高的工业方案,从而缩短执照申请时间,降低成本,并最终缩短部署周期。SMR商业模式通常基于批量生产,采用标准设计的首座反应堆部署后,周期与成本将得以缩减。该组任务划分为四个议题,分别是通用用户要求及准则协调、法规标准融合、实验与模型验证、基础设施加速实施。

除了SMR技术工作组和《核协调与标准化倡议》外,为促进小堆积极稳妥可持续发展,IAEA还发起多项协调研究项目,包括“制定确定小型模块化反应堆部署应急规划区技术基础的方法、方法和标准”“增强小型模块化反应堆竞争力和早期部署的技术”“小型模块化反应堆(SMR)项目的经济评估:方法和应用”等。


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图1 IAEA核协调与标准化倡议


( 二 )经济合作组织核能署(OECD/NEA)

与IAEA全方位关注小堆开发略有不同,OECD NEA更侧重发展小堆技术以外的市场推广、应用场景以及经济效益等问题。

2021年,OECD NEA发布《小型模块化反应堆:挑战与机遇》报告。报告详述了SMR技术经济特征、牌照颁发和监管事宜、法律框架、政策指引等核工业及能源投资领域所关注的话题。报告中列举了小堆发展所面临的主要问题:

·技术选型;

·法规许可框架;

·新技术所带来的不确定性;

·供应链和燃料循环;

·公众认知与参与。

对此,NEA在报告中指出:小堆的开发,不仅有助于避免近年来大型核电项目所面临的交付拖期等问题,而且还能扩大核能在能源体系中的应用范围,从而为多个行业提供灵活、可调度的低碳电力和热力服务;小堆经济性的提升需要以大规模部署为前提,随着技术日趋成熟,风险将逐步降低,促使政策、资金加大支持力度,供应链不断完善;为确保小堆市场的良性发展,政府、监管机构、供应商与运营方等需共同努力,在确保安全的前提下建立适用于小堆的示范方案,适当调整审查机制,发展制造能力,协调公共关系。

为了跟踪各SMR型号开发进展,提供项目相对全面、准确的进度评估,NEA近期开发了一套综合评价方法(NEA SMR Dashboard)。该方法结合小堆公开数据和专家判断,评估了技术成熟度之外确保项目成功的六类关键条件,包括:1)执照申请准备;2)厂址状态;3)融资情况;4)供应链完备度;5)合作方数量;6)燃料开发程度。每一类关键条件作为一项衡量尺度又分为1—5级,0级代表尚未取得进展或信息未公开,5级为进展程度最高。

NEA对目前全球数十种小型模块化反应堆和第四代核能系统进行了筛选,对21个小堆型号根据该方法进行了商业化和部署进展评估。目前NEA评估项目仍在进行中,尚未公开发布评估结果。

NEA SMR Dashboard为业界衡量小堆开发进展提供了新视角,通过直观的方式将开发进度拆解成不同指标,为小堆项目的整体评估提供了有益的补充。

( 三 )第四代核能系统国际论坛(GIF)

GIF于2001年成立后,长期致力于推动六种先进核能系统的技术开发与国际合作。在全球达成碳减排共识前,尽管核能保持着一定比例的非电力应用( 如城镇供暖、海水淡化等 ),但经济性一直面临着如廉价的天然气等化石能源的强大冲击。国际形势的不断变化使未来能源和环境充满了不确定性,包括核能技术在内的未来能源系统,将进一步向更加可靠、环保、有弹性的综合能源系统发展。在此情景下,GIF除了继续保持对第四代核能系统的开发力度外,成立了核热非电力应用任务组,负责核能非电力应用领域的研究拓展,并将在重新定义未来能源混合中的核能作用方面发挥关键作用。通过该任务组,GIF旨在向其签署国提供适当的知识和分析工具,使决策者能够针对不同的社会经济和地理环境找到最佳的能源系统解决方案。

按照工艺温度划分,可以对非电力应用场景和用途进行分类。图2显示了GIF框架下核能驱动的未来综合能源系统,该系统可以利用热、电和加工中间介质( 如氢气 )来支持工业能源需求。

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 图2 GIF框架下先进核反应堆与核能产品的应用路径图

GIF试图对复杂能源供应矩阵提出解决方案。第四代反应堆技术与非电力应用场景相结合的最优解,涉及多标准和多变量问题。图3通过简化的6×3×6矩阵说明了第四代核能技术的潜在应用领域。矩阵对应了3种功率等级、6种第四代核能技术和6种非电力应用场景。

核热非电力应用任务组采用了简化的方式研究复杂能源供应矩阵,并总结出当前形势下第四代核能技术现状、热电联产或其他非电力应用方案需要开展的行动:

·突破现有技术与执照申请方面的障碍;

·确定非电力应用对反应堆运行等提出的具体要求和规范;或提出相应方案解决潜在的限制;

·从安全、执照申请、互通性、耦合系统的可靠性、过程控制、瞬态管理等方面分析第四代反应堆与核热非电力应用过程耦合的结果;

·从政府行政角度分析支撑相关复杂系统的技术和经济条件( 例如,国家政策、特定地理环境、发展工业所需的基础设施等 );

·分析非电力应用生产设施与核电厂共用厂址/耦合在法规层面的挑战;

·推动示范需求落实,促使投资方和最终用户了解解决方案的技术和经济特性。

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图3 第四代反应堆系统矩阵、反应堆尺寸和应用场景

三、先进核能系统未来展望

近年来,全球能源结构正在向绿色、清洁、低碳转型,以小型模块化反应堆为代表的先进核能系统将在未来能源系统中占据重要地位。小型模块化反应堆概念的兴起,催生了核能行业的一系列变革。安全、经济、可持续等先进核能理念均被纳入近期开发的小堆发展目标。与大型反应堆相比,小堆主要具有以下显著优势:

·小堆可以融入更丰富的模块化属性,增加工厂制造组件比例,替代高成本的现场施工;

·较低的功率水平使小堆系统设计更为简化( 如采用完全非能动系统,缩小应急规划区域 );

·供应链体系改进,具备批量建造更多小堆设备装置的能力,使小堆进一步缩短建设周期、降低成本、提高质量;

·单堆/单模块功率较低为小堆拓展了特定的用户市场,能够为工业活动提供脱碳解决方案,如采矿、化工、制氢等;

·降低SMR放射性源项和工作人员/公众剂量,使应急计划区范围最小化,从而使SMR与工厂或化工设施等用户共用厂址,提升联产部署的可行性和经济性。

本文梳理了近期主要国际组织在先进核能领域的部分行动,通过以上特点可以看出,先进核能系统的开发更强调安全性、经济性、可持续性等特征的协调统一。为达到这一目标,结合IAEA等国际组织的理念与经验,本文尝试对我国未来先进核能系统发展提出以下建议:

1.技术开发、法规监管、供应链配套、市场推广等方面的协同发展对开发下一代先进核能系统至关重要,在此过程中需要重视用户要求文件的指导意义和标准化体系的促进作用;

2.政府、监管机构、供应商与运营方等需共同努力,在确保安全的前提下建立适用于小堆的示范方案,合理制定法规审查机制,发展制造业与供应链,协调公共关系;

3.结合各地实际情况,探索核能综合利用场景与需求,开展核能与其他清洁能源的耦合,构建清洁低碳的综合能源系统;

4.建立有效的创新机制,加大研发投入,包括小堆燃料材料研制,AI等先进技术在小堆中的应用研究以及小堆设计和安全分析软件开发等,全面推动先进核能系统实现技术突破。 

(作者:李汉辰  单位:中国核能行业协会)


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