2024上海先进核能产业发展白皮书

先上进海核能 产业发展白皮书���� 上海 2024 产先业发进展核白能皮书 指导单位：上海市经济和信息化委员会编制单位：上海市核电办公室 上海核工程研究设计院股份有限公司上海中创产业创新研究院 编写顾问：陆海宾、汪洵、朱军民 编写人员：周凌、王晓骏、倪陈宵、朱桂学冷凡、丁国杰、李光辉、揭永琴蔡翔舟、魏文斌、吴海峰、张迎利 徐明秀、姜有恩、胡杰、杨钊、朱佳敏编排单位：当今数字科技 一、产业发展概况 3 三、上海布局情况 38 （一）先进核能概念与内涵 4 （一）产业基础 39 （二）核能发展演进历程 6 （二）全市布局情况 43 （三）先进核能产业核心技术分析 8 （三）存在的主要问题 47 （四）先进核能产业链分析 15 四、展望与建议 49 二、国内外发展现状 16 （一）发展思路 50 （一）国际发展现状 17 （二）主要举措 57 （二）国内发展现状 31 上海先进核能产业发展白皮书 当前，全球正处于一个能源转型的关键时期，减碳逐渐成为应对气候变化的全球共识，核能可有效减少碳排放，成为替代化石能源的希望，发展核能也成为事关国家安全的重要基石。放眼世界，各国际组织和美国、俄罗斯等核能大国均在探索拓展先进核能技术的广泛应用，推动部署安全可靠的先进模块化小堆示范应用，积极开展第四代核能系统的研发和国际核能合作，力争占据核能产业的制高点。 我国商用核能历经几十年的发展取得了巨大的进步，成为目前核电发展最快的国家，在第四代核能系统(快堆、高温气冷堆等)和先进小型堆，以及核聚变等领域取得了显著成果，正逐步从核能大国跻身核能强国。上海是中国核电的肇兴之地，是我国核电工程设计和装备制造重地，拥有完整、综合实力很强的核能核电产业链，正着力打造世界级核电产业集群。在此背景下，在上海市经济和信息化委员会指导下，我们编制了《上海先进核能产业发展白皮书》，希望与业界同仁共同推进上海先进核能产业高质量发展。 序言 白皮书阐述了先进核能概念与内涵，分析了当前先进核能的主要方向和关键技术，对当前全球以及我国先进核能发展格局及技术发展现状进行了系统性梳理。同时，基于上海在我国核能产业当中的核心地位，白皮书从核能产业规模、科创资源、企业集聚等角度，深度梳理了上海先进核能发展现状，深刻剖析了上海先进核能发展面临的主要问题，并围绕不同领域重点技术突破方向，从近期、中期、长期时间跨度提出了上海发展先进核能的总体思路，针对性规划了上海先进核能下一步发展举措。 时间仓促，白皮书不足之处在所难免，我们将在后续持续跟踪世界先进核能产业发展的前沿趋势，深化先进核能产业的研究。 在人类社会发展的历史长河中，能源始终是推动文明进步的重要基石，每一次能源变革都深刻地影响了世界的发展轨迹。核能，作为一种高效且清洁的能源形式，自其诞生以来，就在全球能源版图中占据了举足轻重的地位，可控核聚变更被认为是人类能源的终极梦想。 12 （一）先进核能概念与内涵 核能是国家制造强国的重要组成部分，在保障国家能源安全、缓解气候变化、实现低碳转型发展等方面发挥重要作用。先进核能主要包括小型模块化反应堆、第四代核能系统以及聚变堆，目前已经成为全球先进核能技术研发焦点和重要产业发展方向。 一、产业发展概况 1、小型模块化反应堆（SMR） 2009年，国际原子能机构（IAEA）将每个反应堆模块发电功率不超过 300MW反应堆机组定义为小型反应堆。随后，美国能源部在IAEA小型反应堆机组概念基础上加入了模块化概念，称为小型模块化反应堆，并对小型堆进一步细分，一般将发电功率10MW以下的小堆称为微堆。相比三代压水堆核电等大型反应堆，小型堆具有安全性高、建设周期短、布置灵活、总投资小、用途广泛等特点，可满足多元化用途需求，陆上用途主要是作为传统压水堆的补充，可更靠近需求侧，为用户提供清洁稳定的电力供应，满足区域供热、海水淡化、热电联供、核能制氢等多场景应用需求；海上用途以满足大型舰船动力、海洋平台能源需求为主，可服务边远地区、岛礁、海洋资源开发。微堆布置则更为灵活，可为偏远地区或小岛屿热电联供提供最佳解决方案，可替代柴油发电机。 2、第四代核能系统 2000年，第四代核能系统的主要目标体现在可持续性、安全性、经济性、防核扩散性四个方面，其概念首先由美国能源部提出，后续逐步成立了第四代核能系统国际论坛（GIF），到2022年12月已经有中国、美国、俄罗斯、法国、英国、日本、韩国等14个成员国。GIF提出6种第四代核能系统的推荐技术，包括：钠冷快堆（SFR）、铅冷快堆（LFR）、熔盐堆（MSR）、气冷快堆（GFR）、超高温气冷堆（VHTR）和超临界水堆（SCWR），发展目标是2030年达到技术实用化程度。第四代核能系统是未来低碳排放、高效率的新型能源，其安全、绿色、经济运行可以为我国“双碳”目标的实现发挥积极作用。 34 （二）核能发展演进历程 上海先进核能产业发展白皮书 3、聚变堆从全球看，自1954年苏联建成电功率为5MW的实验性核电厂以来，核电技 术的发展可以划分为第一、二、三、四代。第一代核能发电是利用原子核裂变能 聚变堆是在人工控制下利用聚变产生能量，以其释放能量巨大、无核废料产生、辐射剂量低等特点，被视为解决人类能源问题的终极方案。当前国际研究较多的聚变堆有磁约束聚变和惯性约束聚变。磁约束核聚变利用磁场约束聚变等离子体，通过加热装置向等离子体输入能量，将等离子体加热到高温高压，使氘、氚等轻原子核发生聚变反应，其中托卡马克装置是研究最多的方案。惯性约束核聚变将装载氘氚的微型靶丸加热，使得内部氘氚受惯性力约束产生聚变反应。 发电的初级阶段，从为军事服务走向和平利用，时间大体上在20世纪50年代到60年代中期，以早期开发的原型堆核电厂为主，证明了利用核能发电的技术是可行的。第二代核电是指20世纪70年代至现在仍在运行的大部分商业核电厂，证明了核电在经济上是可行的。第三代核电是从20世纪90年代开始，为应对化学燃料发电引起的环境污染，特别是温室效应引起的全球变暖问题，美国率先制订了《美国用户要求文件（URD）》，欧洲也制订了《欧洲用户要求文件（EUR）》，进一步明确了防范与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求，国际上通常把满足这两份文件之一的核电机组称为第三代核电机组。第四代核电是指在反应堆和燃料循环方面有重大创新的核能系统，其安全性和经济性都更加优越，废物量极少，无需厂外应急，并具有防核扩散能力。目前，随着三代核电实现规模化商业化建设运行，世界核电技术已基本完成了向三代核电的转型升级，进入四代核电技术研发与部分堆型的工程示范验证阶段。 小型模块化反应堆方面，其研发起源于上世纪60年代，最初应用于军事领域，可用于保障军事基地能源供给安全、建造核动力舰艇等方面，是典型的军民融合技术。在美、俄等国带动下，基于“军转民”的小型堆开始逐渐推广应用于电力、船舶等民用领域。截至2022年底，在IAEA注册的小堆型号已超过80个，涵盖水、气、熔盐、金属等多种冷却剂类型，在国内外已成功实践、进入实质开发阶段或具有代表性的有38个堆型，其中小型压水堆技术发展比较成熟，成为当前小堆技术发展的主流，占据主导地位。 56 聚变堆方面，全球范围内对于可控核聚变的研究已经超过60年。过去20-30年，国际热核聚变实验堆（ITER）计划为推动该领域技术发展做出了重要贡献。ITER计划是当今世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一，其目标是通过建造反应堆级的托卡马克装置，验证利用核聚变发电的科学和工程技术可行性，我国是ITER计划核心参与国之一。作为聚变能实验堆，ITER要把上亿度由氘和氚组成的高温等离子体约束在体积837立方米的“磁笼”中，持续时间突破百秒量级甚至更高级别。近年来，随着高温超导材料的大规模工业化应用，高温超导紧凑型核聚变装置也为加快聚变能源商业化进程开辟了新的路径。 （三）先进核能产业核心技术 目前，全球能源正处于向清洁低碳转型发展的重要时期。先进核能技术为核能低碳拓宽了综合应用场景，且提升了核能的安全性和可持续发展要求。 1、小型模块化反应堆技术 上海先进核能产业发展白皮书 2021年2月，美国国家科学院发布可控核聚变发展路线图《BringingFusiontotheUSGrid》，提出要建设一台小型化聚变示范电站（ACom-pactFusionPilotPlant），并于2035年-2040年在美国实现聚变发电入网。2022年12月13日，美国能源部宣布，LLNL劳伦斯利佛莫尔实验室研究的“惯性约束（激光核聚变）聚变堆取得了聚变能净能量增益的历史性突破，为不久将来聚变能的示范及商业应用提供了信心。 7 在现有的小型堆设计中，压水堆技术仍占据主导地位，采用成熟、经过充分 验证的技术，技术路线以紧凑式和一体化为主。根据IAEA最新版（2022年版）的 《小型模块化反应堆手册》，在18个会员国，有超过80种SMR正在开发和部署之中。（主要国家的小堆型号和研发状态见附录一） 小型模块化反应堆需攻关的关键技术包括：一是关键设备研制技术，包括海洋控制棒驱动机构共性关键技术研究、海上小型堆换料关键设备共性关键技术研究、直流蒸汽发生器共性关键技术研究、内置蒸汽稳压器共性关键技术研究、海洋条件下设备鉴定共性关键技术研究等；二是关键运维技术研究，包括小型堆运维关键技术研究、智能运维技术研究、在线监测和诊断技术研究、多堆控制共性关键技术研究等；三是示范工程建造技术，包括小型堆地下施工技术研究、模块化制造安装技术与工厂预制技术研究、反应堆设备装卸工艺验证及优化研究等；四是针对不同应用场景的专项技术，包括车载堆关键技术、空间堆关键技术、深海开发用反应堆关键技术等；五是支持安全审评的共性关键技术，包括标准及安全审查技术研究、厂址适应性与选择方法研究、裂变产物行为和放射性源项研究、应急简化技术研究等。 8 2、第四代核能系统技术 （1）钠冷快堆（SFR） 钠冷快堆采用金属合金型核燃料，燃料置于不锈钢包壳内，以液态钠作为冷却剂，液态钠充满燃料和包壳的缝隙，采用闭式燃料循环，出口温度约550℃。钠冷快堆的发展目标是经济发电、燃料增殖和核废料嬗变，其闭式燃料循环技术已经得到全球认可和部分验证。 钠冷快堆主要面临以下技术挑战：一是由于钠冷快堆的设计是为了处置高放废物，使得大量锕系元素能够再循环成为研究重点；二是由于采用非能动余热排 出系统设计，需要确保所有设计基本初因事件都有非能动的安全响应；三是因为钠与水接触发生放热反应且液态金属钠的强腐蚀容易造成泄漏，需要开展在役检查和维修技术研究，还包括预防钠泄露等的仪器仪表检测研究；四是高密度钠作冷却剂，需要考虑提高抗震设计以及严重自然灾害的应急能力；五是存在新型燃料制造等，需要考虑降低投资成本的问题。 上海先进核能产业发展白皮书 （2）铅冷快堆（LFR） 铅冷快堆采用包含铀238或超铀核素的金属体或氮化物作为核燃料，以铅/铋液态金属作为冷却剂，采用闭式循环，堆芯出口温度为550℃，有的甚至可达到800℃。铅冷快堆发展目标是实现快谱闭式燃料循环，长寿命核废料最小化，更适于供热、制氢等多元化应用。 铅冷快堆主要面临以下技术挑战：一是新型核燃料研发带来的材料的兼容性问题研究，包括燃料以及包壳等的研发；二是含铅运行环境带来的腐蚀控制问题研究；三是研究堆结构、支撑和换料的重新设计问题；四是核燃 料再循环、再加工和核废物处理处置研究；五是铅冷却剂的在线化学检测和控制技术；六是由于铅作为冷却剂，需要开展能量转换技术研究和能量转换装置的研发；七是高密度铅使得堆体需要重新进行抗震设计研究。 （3）熔盐堆（MSR） 熔盐堆是第四代先进核反应堆中唯一使用液态燃料的堆型，以液态熔盐作为核燃料载体和冷却剂，具有失效安全、结构紧凑、常压工作、高温输出和地域适应性强等特点，是国际公认适合实现钍基核燃料工业利用的堆 9 10 上海先进核能产业发展白皮书 型，尤为适合我国钍资源丰富的国情。熔盐堆高