2023年12月6日，全球首座第四代核電站——山東榮成石島灣高溫氣冷堆核電站商業示范工程圓滿完成168小時連續運行考驗，正式投入商業運行。這標志著我國在第四代核電技術研發和應用領域達到世界領先水平。

國際原子能機構在《聯合國氣候變化框架公約》第二十八次締約方大會上聯合40余個成員國共同發表《凈零需要核能》聲明，我國已表示支持并加入。在應對氣候變化大背景下，先進核能技術和未來應用有哪些新方向?

第四代核能系統是指目前正在設計和研究開發的、經濟性和安全性更優越、廢物量極少、無需廠外應急，并具有防核擴散的核能利用系統。鈉冷快堆(SFR)、鉛冷快堆(LFR)、氣冷快堆(GFR)、超臨界水冷堆(SCWR)、超高溫氣冷堆(VHTR)和熔鹽堆(MSR)等6種堆型，是最有開發前景的第四代核能系統的候選堆型。第四代核能系統在電力、冶金、石化等領域具有較為廣闊的應用前景，如熱電聯產、工業用熱、氫氣制備、海水淡化等。

隨著核電設計、建造等技術進步，為適應能源市場多樣化需求，世界各國正致力于開發功率較小、可靈活布置的小型模塊式反應堆(SMR)。與傳統大中型反應堆相比，小型反應堆具有以下優點：模塊化設計和建造，工廠預制，可根據需要進行多模塊集成，方便運輸;功率較小(通常發電功率小于30萬千瓦)，一次性投資小，建造周期短，靈活布置，適用于能源或工業基礎設施有限的偏遠地區;擁有一系列非能動安全系統，具有增強的防核擴散能力，具有良好的廠址適應性。

核能熱電聯產：

中小火電機組的替代者

以高溫氣冷堆為代表的第四代核反應堆，憑借自身技術特性、成熟度，以及較好的環境相容性，對即將退役的中小火電機組具有替代性。從目前研究來看，高溫氣冷堆在替代火電方面具有眾多優勢：反應堆主蒸汽參數與常規火電超高壓機組參數基本相當，可同時承接火電廠退役后電力用戶、熱力用戶，直接和原有管網系統、原有出線走廊對接，無需新建電力和蒸汽輸出設施。經評估和少量改造后，火電廠現有配套設施可直接用于高溫氣冷堆核電站，降低項目建造和運營成本。

國際上，美國能源部(DOE)核能辦公室聯合多個國家級實驗室在2022年9月發布《調查燃煤電廠“變”核能項目之益處和挑戰》。這份報告顯示，美國大多數現有和新近退役的燃煤發電廠可以被重新利用，低成本容納核能項目。這些火電廠址可容納的潛在核電裝機容量預計超過250吉瓦，所發電量相當于美國一年發電量的1/4。煤電項目轉為核電項目后，可以幫助當地增加就業崗位、刺激經濟，并改善周邊環境。

近年來，我國大型電力集團在“雙碳”目標下積極探索轉型路徑，但由于企業火電資產份額大，轉型面臨較大的碳排放考核壓力。通過探索在原廠址替代建設核電，可以帶來低碳轉型良機，實現廠址資源重復利用。當前，中核集團正在與國家能源集團、華能集團等公司開展合作，研究即將退役的火電廠址轉為核電廠址的可行性。

核能工藝熱應用：

高耗能行業低碳轉型的利器

將反應堆核裂變產生的能量轉化為高溫、高壓蒸汽或其他熱介質后供給用戶端，可用于石化、煤氣化、鋁生產、石油開采等領域，以滿足相關生產工藝的熱負荷需求。相比于燃煤鍋爐或天然氣等熱源，核能供汽規模效應強，在碳排放約束下，具有一定的經濟可行性，有助于石化等高耗能企業新項目審批，幫助地方政府緩解降碳指標壓力。

國際上，基于在役核電機組工藝熱應用的研究和實踐均已開始，在實踐方面，捷克斯洛伐克、加拿大、德國、瑞士等國的部分核電站采取熱電聯產方式為廠區周邊提供工業蒸汽。如加拿大布魯斯核產業開發園，布魯斯A核電站的二次熱傳輸系統通過換熱器將高壓蒸汽轉移至布魯斯散裝蒸汽系統(BBS)，可為重水生產廠提供約750兆瓦中壓蒸汽。另有72兆瓦蒸汽被輸送至布魯斯能源中心工業園，可滿足塑料薄膜制造商、溫室、乙醇工廠、苜蓿工廠、蘋果汁濃縮工廠和農業研究設施的熱需求。在研究方面，俄羅斯基于自身40多年高溫氣冷堆經驗，正在開展MHR-100型譜化設計，其中MHR-100R計劃為煉油廠提供高溫熱源。美國在“下一代核電站”計劃中，以高溫氣冷堆為基礎，研究原油開采和煉油的電力與工藝蒸汽的熱電聯產。

在國內，目前在運的大型壓水堆核電機組二回路蒸汽溫度一般為200～300攝氏度，可以在發電同時滿足部分中低溫熱負荷需求。正在建設的田灣核電蒸汽供能項目以3、4號核電機組蒸汽作為熱源，通過多級換熱，將工業蒸汽通過熱網輸送至連云港石化產業基地。最近新投運的石島灣高溫氣冷堆示范工程二回路蒸汽溫度在571攝氏度左右，可以滿足工業用戶的高溫熱負荷需求;將來開發出超高溫氣冷堆后，將進一步拓展其工藝熱應用領域。鉛冷快堆、熔鹽堆等其他尚處于研究開發中的核能系統同樣具有溫度參數高、固有安全性等特點，雖短期內不具備商業化條件，但從長期來看，其核能工藝熱應用場景也較為豐富。

核能制氫：

規模化供氫的低碳方案

將先進核能系統與先進的制氫工藝耦合，可以實現氫的大規模生產。核能制氫具有不產生溫室氣體、穩定高效、可規模化生產等優點，是滿足大規模低碳氫需求的解決方案。目前，核能制氫主要有電解水制氫和熱化學制氫兩種方式。

國際上，美國、日本等國家都在謀劃核能制氫發展路線圖，支持核能制氫相關技術開發、示范驗證與推廣。2020年，美國能源部(DOE)發布的氫項目計劃提出，開發在超高溫度下運行的先進反應堆，以匹配先進的熱化學循環制氫工藝。2021年，DOE核能辦公室發布戰略愿景，將核能制氫作為“確保美國現有核反應堆持續運行”戰略目標實現的支撐舉措之一。日本自20世紀80年代起一直推進高溫氣冷堆和制氫工藝研究，按照政府公布的綠色增長戰略，該國將采取“三步走”的戰略，最終目標是到2050年將利用高溫氣冷堆工藝熱制氫的成本降至12日元/立方米(約合7.3元人民幣/千克)。

在國內，中核集團與清華大學等單位合作開展核能制氫研究與工程試驗，利用高溫氣冷堆蒸汽品質好、固有安全性高的特點將高溫氣冷堆與熱化學循環制氫技術耦合，實現規模化生產氫氣，目標是建成600兆瓦超高溫氣冷堆，與熱化學制氫工廠匹配生產。2021年，由清華大學、中核集團、華能集團、中國寶鋼、中信集團五方聯合發起成立高溫氣冷堆碳中和制氫產業技術聯盟，以我國先進的高溫氣冷堆技術為基礎，將高溫氣冷堆技術與鋼鐵冶煉、化工等具體應用場景相結合，開發氫冶煉、氫化工等應用技術。2022年9月，中核集團與茂名市政府、東華能源三方簽署戰略合作協議，以高溫氣冷堆為動力源，構建零碳產業園。

核能海水淡化：

開發國際市場的生力軍

在沿海淡水資源缺乏的地區，可以將核能系統發電與海水淡化裝置耦合，采取反滲透法、低溫多效蒸餾法或多級閃蒸法等工藝，實現海水脫鹽。由于海水淡化工藝所需要的熱源溫度不高，依托在役核電廠就可以快速部署工程化項目，實現核能海水淡化應用。

自20世紀60年代起，日本、印度、哈薩克斯坦、俄羅斯、韓國、巴基斯坦等十幾個國家均開展了海水淡化的相關研究，推進工程應用。日本在本國建設了10個核能海水淡化裝置，將多種海水淡化工藝與反應堆相耦合，積累的運行經驗超過150堆年。

我國的海水淡化技術近年也日趨成熟。得益于濱海核電廠得天獨厚的水資源條件，遼寧紅沿河核電站、福建寧德核電站、浙江三門核電站、山東海陽核電站等相繼采用海水淡化技術來解決自身淡水使用問題，其他核電廠也在考慮建設海水淡化設施。2021年5月，國家電投集團與清華大學聯合在海陽建設的“水熱同產同送”科技示范工程投運。該技術利用海陽核電機組的抽汽和余熱驅動水熱同產設備，通過多級閃蒸和多效蒸餾工藝，將海水直接變成滿足飲用水標準的95攝氏度淡水。

海水淡化國際市場需求巨大，特別是中東和北非部分國家淡水極度缺乏，阿曼、沙特、巴林、科威特、阿聯酋等國都在全球十大缺水國家之列，相關地區的多個國家對于利用核能開展海水淡化表示了很大興趣。目前，國內水處理企業正在開拓國際海水資源利用市場，自主海水淡化技術與裝備已經出口印尼、巴基斯坦等國。未來，國內核能企業可以聯合水處理企業，加強與相關國家合作，將高溫氣冷堆、小型壓水堆等核電產品與海水淡化工程出口綁定，聯合開發國際市場。

(張萌、田錚供職于中核工程咨詢有限公司，許月陽供職于國家能源集團科學技術研究院有限公司。編輯：王偉)