“双碳”目标下我国核能“三步走”发展战略思考

核能是高科技战略产业，是兑现减排承诺的重要支撑。“双碳”目标下，核能在低碳转型、能源安全等方面发挥着更重要的作用。面向“双碳”目标，核能中长期发展对铀资源供应保障、乏燃料安全管理等关键问题提出新要求，积极发展快堆是应对核能乃至能源新挑战的必由之路。当前，应立足我国国情，加快推动核能“三步走”（热堆、快堆、聚变堆）战略实施，大力建设核能强国，落实能源强国战略。

 

我国核能“三步走”战略历史沿革与成绩

 

我国始终坚持核能“三步走”发展战略。1983年1月，原国家科委、原国家计委、原国家经委在北京召开“核能发展技术政策论证会”，制定《核能发展技术政策要点》，提出核能“三步走”发展战略。当时认为，根据我国核工业技术发展现状和经济合理的原则，我国第一代核电站堆型主要采用压水堆；为适应核能进一步发展需求，开展快中子增殖堆研究，作好技术储备，适当安排快中子增殖堆科研，为21世纪建设商用快堆作好技术准备；能源发展的长远方向是受控核聚变反应堆的利用。核能“三步走”发展战略实施以来，我国先后安排了钠冷实验快堆、钠冷快堆示范工程、聚变科研、放化大楼、CF燃料元件、MOX燃料、金属燃料等环节的科研与重大工程专项，为核能“三步走”发展奠定了良好基础。

 

自1980年代以来，我国充分发挥技术优势与基础科研能力，以秦山一期30万千瓦起步，同时吸收法国M310技术，研发60万千瓦、百万千瓦的二代热堆核能机型，实现了标准化批量化发展。本世纪以来，我国积极推进“华龙一号”“国和一号”自主三代核电技术研发。现阶段，我国热堆已经实现了二代向三代升级换代，实现了规模化、批量化、国产化发展。截至2023年6月底，我国在运核电机组55台，总装机容量为5700万千瓦，位列全球第三；在建核电机组23台，总装机容量为2600万千瓦，接近全球总量的一半，多年位居全球首位。

 

我国快堆技术研究始于1960年代，经过基础研究阶段、实验快堆应用研究阶段、实验快堆工程研发和建造阶段、示范快堆科研设计与建造阶段，建成了6.5万千瓦热功率的中国实验快堆，实现了快堆技术从0到1的突破，建成了快堆及核燃料闭式循环试验的循环体系，形成了完备的科研技术体系，基本掌握了大型钠冷快堆的工艺技术、工程设计、关键设备研制、建造、调试和运行技术。此外，我国600兆瓦电功率的快堆示范工程分别于2017年、2019年开工建设，预计“十四五”期间将建成投入运行。

 

我国核聚变能研究开始于1950~1960年代，以实现受控核聚变能为主要目标，磁约束的研究基本基于托卡马克装置。国际上，我国是最早参与国际热核聚变实验反应堆（ITER）设计的国家之一，全面参与了ITER的建设，实施了一系列聚变堆制造技术的攻关，工程技术和核聚变研究能力不断提升。国内，我国从1970年代开始，先后建成并运行了CT—6、KT—5、HT—6B、HL—1、HT—6B、EAST、HL-2M等核聚变装置，工程技术研发不断提升，在聚变理论与物理实验、关键技术研究等方面取得了阶段性成果。

 

“三步走”的定位

 

热堆技术最成熟且具有显著的经济性，是近中期核电建设的主力堆型，是百年尺度的能源。热堆利用的是中子能量小于0.1 eV的热中子，使用的燃料是铀-235。热堆技术应用已达70年历史，其技术成熟度、经济性、安全性不断提升，已成为全球在运在建的主要堆型。天然铀中铀-235占比0.711%，根据《2022铀资源供需红皮书》显示，全球已查明可回收铀资源总量约792万tU（开采成本<260美元/千克铀），全球已探明铀资源可供全球核电机组使用130年。

 

快堆是富有潜力的核能技术，将成为中远期核能建设的主力堆型，被认为是千年尺度能源。快堆利用的是中子能量大于100000 eV的快中子，具有燃料增殖、高放废物嬗变、固有安全等优势，经过快堆及配套的燃料循环，理论上可提升铀资源利用率40倍以上。目前快堆正由实验堆（原型堆）转向示范堆、商业堆，其潜在的商业价值被核能界寄予厚望，2040年以后核电建设宜以快堆为主力堆型。

 

聚变堆是颠覆性的核能技术，是远期建设的主力堆型，能够解决万年尺度的能源问题。聚变能资源丰富、环境友好、固有安全，以氘氚为初装料，理论上聚变能被认为是万年尺度的能源，是未来的理想能源。一旦聚变能实现商业化，将对人类能源产生颠覆性影响。根据当前ITER计划进展及技术难点，初步判断，2050年以后，聚变堆能实现商业化发电。

 

“双碳”目标下我国核能总体规模与“三步走”思路

 

“双碳”目标的实现需要核能，装机规模增长空间很大。核电运行稳定，换料周期长，是当前乃至未来一段时间内唯一可以大规模替代化石能源的基荷电源，也是全生命周期碳排放最少的电源，在清洁替代和能源生产与消费革命的转型中具有突出的优势。从我国当前的发展阶段来看，科学安全有序推动能源转型、实现“双碳”目标离不开核能。从脱碳需求及电力装机电量平衡预测，2060年核电装机规模需要达到4亿千瓦以上才能实现碳中和目标。

 

从总体装机规模看，我国到2035年，预计在运在建核电装机合计约2亿千瓦，其中在运核电装机约1.65亿千瓦，在建装机约4315万千瓦，发电量占比达到10%，与当前全球的平均水平（10%）保持一致。到2060年，预计我国在运在建核电装机容量合计达到4.76亿千瓦，其中在运装机容量4.28亿千瓦，在建装机容量4720万千瓦，发电量占比达到21.3%，超过当前全球发达国家的平均水平（20%），达到全球先进水平。

 

热堆机组已经为我国能源转型作出了重要贡献，面向“双碳”目标，仍将作为在运核电机组的主力堆型，为我国实现碳达峰、碳中和发挥重要作用。到2060年，我国热堆在运在建装机规模将达3亿千瓦，其中在运装机规模约2.75亿千瓦，在建装机规模约1920万千瓦，核能多用途利用在更广泛领域支持清洁低碳转型，核能供热规模不断增大，核能海水淡化技术不断突破，规模化应用初现成效，核能制氢实现多场景应用，经济性不断提升。

 

快堆是维持核能大规模发展的必然选择，与热堆构成“二元”核能体系，推进核能可持续发展。快堆核能系统发展按照“实验堆-示范堆-商用堆-一体化快堆”推进，不断优化设计，提升经济性，成为我国核能系统重要组成。到2060年，预计我国快堆在运在建装机规模约1.8亿千瓦，其中在运装机规模1.53亿千瓦，在建装机规模2800万千瓦。

 

聚变技术以实现受控热核聚变能为主要目标，以发展托卡马克可控磁约束聚变为主要技术路线，以发展氘氚聚变为聚变能的主要获取方式，充分吸收ITER计划的经验，掌握核聚变技术。2030年，实现可控核聚变；2040年，建成聚变先导工程实验堆，实现聚变能量输出；2045年，我国聚变示范堆建成，演示氚自持；2050年及以后，建成聚变商用堆，实现聚变能源应用，逐步提升经济性，积极推广商业化。

 

发展建议

 

加强顶层统筹，制定国家层面《中国核能“三步走”发展战略》。根据国家发展需求，充分考虑我国核工业现有技术基础和发展潜力，编制《核能“三步走”发展战略》，制定出具有前瞻性、全局性、权威性和可操作性的核能“三步走”发展战略实施技术路线，制定面向长远的发展规划，引领我国核能长远发展。

 

实施重大专项牵引，将一体化快堆核能系统列入国家科技重大专项。尽快推进一体化快堆国家科技专项和金属燃料等关键技术的研发工作；设立具有固有安全、经济高效、环境友好、资源节约特征的先进快堆技术专项工程。

 

优化基础科研条件，建设一批核领域重大工程。建设（超）高通量快中子研究堆、核能系统关键设备可靠性研究设施等大型核科研设施，设立铅基快堆示范工程、嬗变堆、聚变中子源、聚变先导工程实验堆等重大工程。