吳宜燦院士：第五代核能系統(tǒng)

編者按：傳統(tǒng)核能自身發(fā)展面臨核安全、核廢料處置和公眾接受度等挑戰(zhàn)，同時(shí)受到技術(shù)不斷進(jìn)步價(jià)格不斷下降的可再生能源的沖擊，核能領(lǐng)域創(chuàng)新迫在眉睫。吳宜燦院士提出了第五代核能系統(tǒng)“核5G”，并深入詮釋了親近性、靈活性、智能性技術(shù)特征，為核能創(chuàng)新發(fā)展指明了重要方向。

核能未來之路：親近、靈活、智能的“核5G”

導(dǎo) 語

目前我國是世界上最大的二氧化碳排放國家。近日，習(xí)近平總書記在以視頻方式出席領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)時(shí)重申中國將力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和（簡稱“雙碳目標(biāo)”）。在實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”背景下，核能發(fā)展將迎來新的機(jī)遇。但傳統(tǒng)核能系統(tǒng)仍體現(xiàn)出單一孤立的特點(diǎn)，與其他能源以及終端用戶缺少直接關(guān)聯(lián)。為此，中國科學(xué)院院士、國際核能院院士吳宜燦撰文提出第五代核能系統(tǒng)“核5G”概念，闡述其親近、靈活、智能的技術(shù)特征，可為構(gòu)建未來多元共生能源提供重要借鑒。

觀 點(diǎn)

作為低碳高密度能源，核能在“雙碳目標(biāo)”下應(yīng)用前景廣闊。2020年9月，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上提出二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。作為一種不產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體的低碳能源，核能未來發(fā)展前景廣闊。國內(nèi)外相關(guān)研究預(yù)測，中國要實(shí)現(xiàn)2060年達(dá)到碳中和的目標(biāo)，核電裝機(jī)容量需要增加6~10倍。

然而傳統(tǒng)核能發(fā)展自身也面臨一些挑戰(zhàn)，比如核安全、核廢料處置和公眾接受度問題等。為此，不同的核能系統(tǒng)概念被提出，新的技術(shù)也不斷發(fā)展，以解決這些問題和挑戰(zhàn)。2002年美國發(fā)起了第四代核能系統(tǒng)國際論壇GIF組織，以期共同合作研究開發(fā)第四代核能系統(tǒng)。

傳統(tǒng)核能供給呈現(xiàn)出“單一孤立”特點(diǎn)難以滿足未來能源“多元共生”需求。目前僅不到1%的核能用于供熱等非電應(yīng)用，變成了一種與消費(fèi)市場相對隔離的、與用戶“孤立”的能源供給方式。核能一直以基荷能源的形式存在，不參與能源供給過程中的調(diào)節(jié)與分配。同時(shí)，新建反應(yīng)堆單堆功率水平多在GW量級(jí)，無法適用于電力需求增速較快的新興經(jīng)濟(jì)體國家中普遍存在的中小型能源網(wǎng)絡(luò)，以及廣闊的非電應(yīng)用市場。從能源安全角度出發(fā)任何國家都不可能僅發(fā)展單一能源，未來能源需求必將體現(xiàn)出多元共生的特點(diǎn)。下一代核能系統(tǒng)為打破“單一孤立”的束縛，可從兩個(gè)方面入手，一是與其他能源的關(guān)系，二是與用戶的關(guān)系。

為此，吳宜燦等提出第五代核能系統(tǒng)“核5G”概念。“核5G”是基于“從源頭確保核安全”的基本理念，具備親近性、靈活性、智能性等技術(shù)特征，可滿足未來能源多元共生應(yīng)用需求的第五代核能系統(tǒng)。

“核5G”在多元共生能源結(jié)構(gòu)中將發(fā)揮重要作用

傳統(tǒng)化石能源為基礎(chǔ)的能源系統(tǒng)以電網(wǎng)為中心，間接將能源傳輸和轉(zhuǎn)化到用戶；為更好保障能源安全，提升多元能源需求的供給能力，降低能源傳輸?shù)膿p耗，需要構(gòu)建包含下一代核能在內(nèi)的多元共生的能源系統(tǒng)構(gòu)架和分配體系，該體系中核能與其他低碳能源共生，提供直接面向用戶的能源。

“核5G”所需發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

文章指出多元共生下的先進(jìn)核能應(yīng)擺脫基于縱深防御的傳統(tǒng)安全觀，為此提出“從源頭確保核安全”的理念及核安全“四項(xiàng)革新”，即在目標(biāo)、技術(shù)、方法和措施四方面進(jìn)行革新。“核5G”正是基于“從源頭確保核安全”的理念，可滿足未來能源多元共生應(yīng)用需求的第五代核能系統(tǒng)，其具備下述技術(shù)特征。

（1）親近性。物理親近：對于公眾和環(huán)境而言，未來反應(yīng)堆應(yīng)能貼近用戶運(yùn)行。心理親近：“核5G”直接服務(wù)于用戶，公眾能否在心理上接受至關(guān)重要，因此科普和教育成為核能發(fā)展所必需的工作。核安全問題不僅是技術(shù)問題，歷來也是社會(huì)問題。

（2）靈活性。運(yùn)行靈活：實(shí)現(xiàn)堆跟機(jī)運(yùn)行以及輸出隨著負(fù)載的快速變化，可使用更多樣的燃料設(shè)計(jì)、燃料結(jié)構(gòu)材料和燃料組合物運(yùn)行；支持孤島模式運(yùn)行；極大提高燃料利用率，延長一次裝料運(yùn)行時(shí)間的同時(shí)改善經(jīng)濟(jì)性。部署靈活：功率擴(kuò)展、制造的靈活性，降低現(xiàn)場建造周期和費(fèi)用，并提升資金靈活性。產(chǎn)品靈活：除去電力供應(yīng)外，還可提供更多高品質(zhì)或更多量的工藝熱，還可以提供氫氣、化工產(chǎn)品、放射性同位素等。

（3）智能性。綜合處理多元化、分布式或多節(jié)點(diǎn)能源網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性，并在各個(gè)環(huán)節(jié)擺脫對人員、技能的依賴，減少人因失誤。智能性體現(xiàn)貫穿在核能系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等全周期環(huán)節(jié)。

“核電寶”是“核5G”概念的初步實(shí)踐。

近年已出現(xiàn)在此方面的探索和實(shí)踐，比如具有超安全、超小型、超長效的技術(shù)特點(diǎn)、采用特種液態(tài)金屬（鉛/鉍/鋰等）作為冷卻工質(zhì)的超小型可移動(dòng)式先進(jìn)核能系統(tǒng)“核電寶”，已被世界核協(xié)會(huì)（WNA）收錄。期待未來有更多具備上述技術(shù)特征的新型反應(yīng)堆出現(xiàn)。

原文參見：“吳宜燦,李亞洲,金鳴,等.第五代核能系統(tǒng)概念及其特征[J].核科學(xué)與工程,2021,41(02):201-210.”

編輯部語

2020年8月，中國科協(xié)在第二十二屆中國科協(xié)年會(huì)閉幕式上發(fā)布了10個(gè)對科學(xué)發(fā)展具有導(dǎo)向作用的科學(xué)問題和10個(gè)對技術(shù)和產(chǎn)業(yè)具有關(guān)鍵作用的工程難題。作為能源領(lǐng)域唯一入選的重大前沿課題——“第五代核能系統(tǒng)會(huì)是什么樣子？”，引發(fā)社會(huì)各界廣泛討論和思考。

為此，我刊特邀中國科學(xué)院院士、國際核能院院士吳宜燦撰寫關(guān)于《第五代核能系統(tǒng)概念及其特征》的專題文章。此文已正式刊登于期刊2021年02期，歡迎讀者朋友訂購《核科學(xué)與工程》期刊，跟隨院士一起探索核能發(fā)展之路。