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中国智库报告丨核动力航天器、耐事故燃料……国际核工业与技术,哪些动态值得关注?

发布时间:2022-09-13 信息来源:

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  核工业作为高科技战略产业和国家安全的重要基石,始终是大国竞争的战略制高点。小到消毒灭菌、无损检测、诱变育种,大到医学诊断治疗、核能发电,乃至在军事、太空等领域都发挥重要作用,核能、核燃料、核技术……与核工业相关的应用已经深入到人类世界的方方面面。

  他山之石,可以攻玉。为及时准确了解和把握国外核工业发展态势,中核战略规划研究总院等部门持续开展相关研究,形成《2021年国外核工业与技术重大发展动向》报告。目前,国外核工业与技术有哪些最新进展?我国又如何形成具有中国特色的核工业发展道路?总台中国之声记者王泽华对话中核战略规划研究总院首席专家许春阳:《核动力航天器、耐事故燃料……国际核工业与技术,哪些动态值得关注?》

  世界上核电站有几座,最新技术哪家强?

  应对气候变化是人类共同的课题,“双碳”目标已成为世界各国共同的价值追求。核能发电作为安全可靠的清洁能源,被各国普遍视为推动实现“双碳”目标的重要解决方案之一。放眼世界,目前全球范围内核能,尤其是核电领域的发展情况如何?

  许春阳:核能发展历史已经超过半个世纪。目前,全世界的核电站运行着400多座反应堆,最近这个数字达到439座,在全球总发电量中大约占到10%。在运机组数量位居前列的国家,依次是美、法、中、俄、日、韩、印等。全世界正迎来核电的新一轮建设发展,目前全世界正在建造反应堆数量有55座,数量排在前列的国家有中、印、俄等国家。对于大批目前在运的第二代核电反应堆,主要目标是延长它的运行寿命。主要的核电国家都推出了自己的第三代主打堆型,在安全性上有了明显的提升。例如我国的“华龙一号”“国和一号”,还有美国的AP1000、法国的EPR、俄罗斯的VVER-1200等。

  

  “华龙一号”巴基斯坦卡拉奇核电工程3号机组

  许春阳介绍,在核电领域新技术方面,针对目前在运在建的第二代、第三代核电反应堆的安全性、经济效率等方面问题,各国正积极研发耐事故燃料。使用新型的包壳材料和芯块材料,在事故条件下具有较好的稳定性,显著降低事故后果、提高核燃料的利用率。同时,国际核工业正大力推广小型模块化反应堆,乃至微型反应堆建设。

  许春阳:小堆、微堆,在技术上比较成熟,装机容量小、安全性更高,一次性投资成本比传统的大型核电站低得多,制造和运输灵活,不像化石燃料能源那样需要不断运送燃料,更适合在偏远地区、海岛等特殊场景使用。俄罗斯近年来建成了世界上第一个海上浮动核电站,海上浮动核电站实际上就是由造船厂把核电站的反应堆建造在一艘驳船上,再把驳船拖曳到目的地,给当地发电。许多国家还在发展第四代核电技术,目前的重点方向有钠冷快堆、超高温气冷堆等,通过提高核燃料利用效率、减轻放射性废物处置压力等方法,提高核能的可持续性。各国还在发展聚变反应堆技术,有望在资源利用上更接近取之不尽、用之不竭,但是聚变堆技术挑战更大,研发的周期更长。

  核动力航天器、重离子治疗,核技术应用范畴有多广?

  其实,核技术在提高人民生活水平、促进社会经济发展过程中也发挥了不可替代的重要作用。许春阳说,核技术与国民经济制造业领域43个细分行业中的近三分之一的行业有关,广泛应用在工业、医学、农业、环保、公共安全等领域。

  许春阳:其中,工业方面的应用占比最高,达到了55%;医疗卫生占比约18%;农业占比约为17%;公共安全方面占比5%左右。举例来说,近年来新兴起一种治疗技术叫重离子治疗,重离子到达肿瘤病灶前,能量释放不多,到达病灶后释放大量能量。这种治疗方式,对周围健康组织损伤控制到极小,对肿瘤杀伤力大,对于一些癌症,具有疗程短、无痛苦、副作用小、治愈率高等优势。再比如,稳定同位素溯源,这是近些年发展较快一种食品安全和鉴定技术。主要原理是利用动植物体内的天然稳定同位素差异,判定农产品产地及真实性。

  

  核能在太空探测领域应用优势明显

  此外,相比太阳能、化学能,核能在太空探测领域也有很大优势。许春阳表示,过去半个多世纪以来,美国就探索利用放射性同位素电源为航天器提供电力。

  许春阳:放射性同位素电源原理是将一种同位素钚-238的衰变能转换为几百瓦的电力,供给航天器。近年来大家熟知的美国火星车“毅力号”“好奇号”,还有飞掠冥王星的“新地平线号”探测器都使用了放射性同位素电源。美国正在研发另外一种月球表面的反应堆电源,将给月球基地提供能源。它利用反应堆核裂变产生的能量,而不是放射性同位素衰变产生的能量来发电,适合用来满足更大功率的用电需求。

  那么,核动力汽车、飞机,具备来到我们身边的可能性吗?

  许春阳:对汽车、飞机这类装置来说,主要考虑安全和经济成本两个关切。汽车、飞机核动力在事故和放射性污染隐患方面,以目前的技术水平,难以在合理的水平上消除。还有一个问题是,核动力作为一种能源,在汽车、飞机这样小的尺度上应用,它的经济成本往往是远不如传统能源的。所以在技术水平克服这些安全、经济上的挑战以前,核动力汽车和飞机距离我们的日常生活仍然会比较遥远。

  除此之外,听说核辐照还可用于消毒灭菌,是这样吗?

  许春阳:目前食品的灭菌与保鲜、适合于辐照的医疗产品的灭菌很多是通过辐照方法完成的,它有高效、环保、可靠的特点。辐照杀菌消毒一般是利用钴-60或铯-170放射源产生的伽马射线,把真菌、细菌、病毒消灭掉,它的优势是不产生污染和废物,没有化学残留,过程简单、速度快,不需要破坏产品包装,不会产生二次污染等等。利用辐照灭菌,医用防护服生产出来后的灭菌时间从两周缩短到一天,显著提高了生产效率。辐射消毒灭菌中,因为利用伽马射线而且能量不算高,不会使消毒灭菌对象发生明显的活化,不会有放射性残留。

  国外先进核工业与技术,对我国有何启示?

  比起美国、俄罗斯这些上世纪中叶就开始大规模发展核工业的国家,我国的核工业起步稍晚,但发展速度快。许春阳表示,特别是本世纪初以来,我国核工业技术发展势头强劲、创新步伐活跃,有些方面甚至超过了一些老牌核工业国家。

  许春阳:从核电角度来说,我国国内核电建设步伐较快,比较短的时间内就成长为一个核电大国,现在还有了具有完全自主知识产权的“华龙一号”三代核电技术。反而是西方国家,因为前期很长一段时间,新建核电项目非常少,造成有经验的人员退休、技术能力流失等问题,目前一些新建核电机组出现工期大幅拖延的情况比较多。

  

  全球首座陆上商用模块式多用途小堆示范工程开工建设

  在国外先进核技术当中,哪些方面契合我国目前的发展现状,可以学习借鉴?

  许春阳:国际目前正在研发耐事故燃料,我国相关研发也正在开展,有些进入了堆内考验的阶段。我国还建起一批大型的研发设施,比如中国先进研究堆、中国实验快堆等;自主三代核电“华龙一号”海内外示范工程全面建成;全球首座陆上商用模块式多用途小堆示范工程“玲龙一号”开工建设;高温气冷堆示范工程实现临界,快堆示范工程加快推进等。

  

  新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置

  此外,在太空探测领域,我国开展了嫦娥五号月壤中子活化分析;在核聚变方面,新一代“人造太阳”中国环流器二号M装置建成;在基础物理领域,我国建成了世界上束流强度最高的深地实验设施——锦屏深地核天体物理加速器。许春阳说,老牌核工业国家在这一领域有几十年的探索历史,有很多成功的经验,也有不少失败的教训。我国应充分反思、研究,自力更生、以我为主,针对具体需要形成自己的发展路线。

  许春阳:比如针对目前能源形势和双碳的紧迫需求,如何进一步提高核能发电的经济性,如何提高资源利用的可持续性,在这些方面应该系统性地提出自己的解决办法。这些前沿性的科学技术探索,尤其是兴建大型的尖端设施,是一代又一代的中国科学家的青春和汗水换来的,也是我们国家的骄傲。科学的发展往往不是一个国家独自完成的,全世界科学家和工程师广泛合作,以前赴后继的方式,后来者站在前人的成就基础上继续开拓,不断推进核能与核技术的发展和利用,为全人类造福。