1 全球核能產業及科技進展

核能是重要的清潔、低碳、安全、高效的能源形式，未來一段時期，二代核電將會陸續退出運行，三代核電技術即將成為全球主流，各國也積極開展第四代反應堆、小型模塊化反應堆以及空間堆等科技前沿領域的研究。

1.1 世界各國核能產業進展

2022年以來在政治、氣候、疫情等因素的影響下，世界各國制定并實施了一系列關于核能產業發展的政策和措施。美國在2022年10月對采用AP1000技術的沃格特勒核電站3號機組進行首次裝料，2023年7月實現并網發電，這是美國自哈里斯核電站1號機組開工35年以來正式啟動并完成建設的核電機組。法國在2021年底宣布大規模重振核電發展，2023年6月進一步頒布《加速核能發展法案》，預計在2050年前新建6~14座反應堆。英國計劃在2050年前將核電機組裝機量由目前的6吉瓦提升至24吉瓦。韓國政府目前正在積極打造核電生態圈據點，成立核能出口戰略委員會以促進韓國核電出口。

1.2 世界各國核能科技進展

第四代核反應堆的研發建造一直是核能領域的焦點之一。2023年12月，中國石島灣核電站的球床模塊式高溫氣冷堆(HTR-PM)正式投入商業運行，是世界首座四代商用核反應堆，標志著中國的第四代核反應堆技術走在世界前列。

圖1 HTR-PM球床模塊式高溫氣冷堆設計模型

在小型模塊化反應堆研究方面，2023年美國核管理委員會(Nuclear Regulatory Commission，NRC)發布了認證NuScale電力公司的小型模塊化反應堆的最終規則，使其成為監管機構批準在美國使用的第七個反應堆設計，也是第一個小堆。法國在支持加速國際模塊化小堆取證、推進小堆法規協調方面處于領先地位。俄羅斯“羅蒙諾索夫院士號”商用海上浮動核電站于2019年12月并網發電，屬于小型緊湊式模塊化小堆，可用于供電和供應蒸汽進行海水淡化。在事故狀態下，可通過非能動安全系統達到應急停堆冷卻、堆芯應急冷卻、堆腔淹沒、安全殼應急降壓等功能。2023年7月由中國中核集團研制的全球首個陸上商用模塊化小堆“玲龍一號”反應堆(ACP100)核心模塊完成出廠驗收，有望在2025年年底實現并網發電。

在空間堆研究方面，俄羅斯國家航天集團參與研發的“宙斯”核動力太空拖船配裝了兆瓦級動力裝置，已經具備太空運行能力。2022年8月，由中國數十家單位聯合承擔的“兆瓦級超小型液態金屬冷卻空間核反應堆電源”項目通過驗收。該項目形成了一套國產自主化三回路空間堆電源系統設計方案，在大規模、長時間的航天任務中將具有優良的應用潛質，未來為中國航天動力的發展提供了一條可行的技術路徑。

圖2 兆瓦級超小型液態金屬冷卻空間核反應堆

2 聚變技術進展

根據國際原子能機構(IAEA)發布的數據，目前全球在運營的核聚變裝置有96座，在建的核聚變裝置有11座，計劃建設的裝置則有29座;裝置數量排名前5位的國家分別是：美國、日本、俄羅斯、中國、英國。

2021年9月，聯邦聚變系統公司(CFS)和麻省理工學院等離子體科學與聚變中心報道了高溫超導磁體的成功測試。2022年12月13日，美國能源部正式宣布慣性約束核聚變激光點火成功，加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室于12月5日首次成功在核聚變反應中實現“凈能量增益(Net EnergyGain)”。近年來，世界各國的民間投資正大量流入聚變技術研究領域，私營公司數量激增。相較于2022年，私營聚變技術公司由33家增加至43家，來自美國的25家公司占據了數量上的主導地位;英國、德國以及日本國內則各有3家公司，數量位于美國之后;中國國內目前共有2家私營性質公司，分別是新奧科技發展有限公司以及能量奇點能源科技有限公司。

中國核聚變研究起步于20世紀60年代初，從20世紀70年代開始，中國集中選擇了托卡馬克為主要研究途徑，先后建成并運行了一系列托卡馬克實驗裝置。

2.1 EAST托卡馬克裝置

托卡馬克(俄語：Токамак)，又稱環磁機，是一種利用磁約束來實現可控核聚變的環形容器。圍繞環面移動的螺旋形狀的磁力線能夠使等離子體達到穩定的平衡。

東方超環(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)是由中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所設計研制的世界上第一個“全超導非圓截面托卡馬克”核聚變實驗裝置。EAST不斷追求在等離子體參數、約束性能和長時間穩態運行上的突破，不斷探尋未來聚變堆的高約束穩態運行模式，穩步推進等離子體物理研究，為國際熱核聚變實驗堆(ITER)和中國聚變工程實驗堆(CFETR)設計建設奠定科學與技術基礎，推動著中國在磁約束核聚變領域研發能力和科技水平的提升。

從20世紀80年代以來，實現長時間高約束放電一直是國際聚變界追求的目標和挑戰性極大的前沿課題。為此，國際上也建立了眾多托卡馬克大實驗裝置，如國際熱核聚變實驗堆(ITER)裝置、美國托卡馬克聚變試驗反應堆(TFTR)裝置、歐洲聯合環(JET)等。

圖3 EAST全超導托卡馬克 (圖片來源：中國科學院等離子體物理研究所官網)

2.2 國際熱核聚變實驗堆(ITER)

國際熱核聚變實驗反應堆(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)是中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度共7方聯合建造的國際熱核聚變實驗堆裝置，是國際核聚變研究的巨型工程，將成為世界上最大的磁約束等離子體物理學實驗，也是目前正在建設的世界上最大的實驗性托卡馬克核聚變反應堆，地點在法國的卡達拉奇(Cadarache)。ITER工程的目標是從等離子體物理實驗研究，到大規模電力生產的核聚變發電廠的轉變。中國在ITER項目中約承擔了9%的貢獻。自2008年以來，中國先后安排實施了多個采購包的制造任務，包括ITER屏蔽包層模塊、第一壁、磁體支撐、超導磁體線圈等核心關鍵部件。ITER計劃確定在2025年12月實現第一束等離子體。ITER計劃一旦商業化成功，意味著可控熱核聚變將為人類提供大規模的潔凈能源，擺脫化石能源的束縛。

2.3 中國聚變工程實驗堆(CFETR)

中國聚變工程實驗堆(China Fusion Engineering Test Reactor，CFETR)是中國自主設計和研制、以中國為主聯合國際合作的重大聚變實驗堆科學工程，其首要任務是實現聚變能可利用，探索未來聚變能的開發與應用潛力。2023年12月，國家“十三五”重大科技基礎設施“聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施(CRAFT)”的首批分系統“結構材料測試平臺”及“交流損耗測試系統”完成驗收。CRAFT是合肥獲批綜合性國家科學中心后首個落戶大科學裝置集中區的國家重大科技基礎設施項目，該設施目標是建成國際核聚變領域參數最高、功能最完備的綜合性研究及測試平臺。

3 核能與其他能源的耦合技術進展

在“雙碳”目標下，能源行業面臨低碳化轉型，這就要求增加清潔能源的使用占比以及優化化石能源的利用過程達到碳減排的目的。核能作為一種穩定、清潔且利用技術較為成熟的能源，在推動低碳化進程中具有重要作用。與其他能源的耦合，成為進一步利用核能的新路徑。

3.1 核能與氫能

核能制氫是一種低碳甚至無碳化制氫技術，可支持氫氣進行大規模生產。高溫熱化學循環與高溫蒸汽電解兩種工藝滿足無溫室氣體排放、清潔、效率高的要求，是目前被用來與核能結合的主流制氫工藝。包括中國、美國、俄羅斯在內的世界主要核工業國家均在積極推進核能制氫。針對核能與氫能的耦合，圍繞核電系統、制氫工藝和耦合裝置等已有許多研究。

較高的流體出口溫度使超高溫氣冷堆與制氫工藝具有良好的適配性，如何進行耦合以獲得更高的熱效率和更好的經濟性是需要考慮的問題。氫氣的儲存與運輸是一個尚未完全解決的難題，儲存與運輸的成本是限制制氫工業發展的重要原因，如果將核能制氫與耗氫工藝進行地理位置上近距離的耦合，可以避免氫氣的遠距離運輸和大量儲存，降低成本。例如高溫氣冷堆制氫耦合煉鋼系統，將核能進行充分利用，同時也實現了氫氣的即產即用，具有很好的應用潛力。

3.2 核能與太陽能、風能

太陽能與風能都具有較強的時間間歇性，輸出波動較大，難以獨立承擔電力供給，將核能與太陽能、風能進行耦合是緩解其間歇性的有效途徑。

因為光熱裝置的存在，核能與太陽能可以進行熱耦合。太陽能輔助壓水堆核電站二回路發電系統利用光熱裝置產生的蒸汽代替壓水堆二回路蒸汽為二級再熱器供熱，使得二回路主蒸汽可以全部用來推動汽輪機做功，提高了壓水堆核電機組的效率，同時也充分利用了核電站周圍的太陽能。

圖4 國家電投海陽核電“核能+光伏”工程

(圖片來源：國家電力投資集團有限公司)

太陽能和風能可以單獨或同時與核能進行耦合，再加上一種或多種工業過程，就形成了一個獨立的有穩定能源供給和產品輸出的生產系統。例如，通過“風電+核電”制氫制氨可實現全生產過程的零碳排放;通過“光電+風電+核電”進行供電和海水淡化，在對太陽能與風能發電的靈活調度下可同時滿足電力需求與淡水需求。

3.3 核能與煤炭

煤炭作為主要能源之一，滿足了全球五分之二的電力需求，但煤炭燃燒和加工產生的一氧化碳與二氧化碳也是溫室氣體的主要來源之一。核能參與煤炭利用過程是降低煤炭行業碳排放量的一種有效途徑，正在探索之中。

4 反應堆多物理場多尺度耦合計算技術進展

核反應堆是一個由中子場、溫度場、流場、應力場、化學場等多個物理過程相互緊密耦合的系統。因此，先進核反應堆數值模擬涉及多學科交叉，需要解決的是以反應堆為對象的多尺度、大規模、多物理耦合問題。

4.1 耦合技術

耦合需要的程序與耦合技術是程序耦合的兩個主要部分，對于不同的程序，選取合適的耦合方式可以提高計算的速度與穩定性。從數值求解的角度可將耦合方式分為強耦合和弱耦合。從數據傳遞的角度又可將耦合方式分為串行耦合和并行耦合。程序在耦合過程中對空間的劃分和時間的迭代也有很多的方法。空間的劃分可以分為兩種：區域分解耦合方法和區域重疊耦合方法，主要用在多尺度耦合上。時間上可分為三種：顯式耦合方式、半隱式耦合方式以及隱式耦合方式。

4.2 多物理耦合

多物理場廣泛存在于核反應堆系統中，反應堆中的各個物理現象并不是獨立存在的，各個物理場之間會相互影響。在反應堆系統中，中子物理場-熱工水力場耦合(核熱耦合)是最為關鍵的多物理場耦合方式。近年來，國內外研究機構對反應堆多物理場耦合計算進行大量的研究，并開展了許多項目，開發了許多用于多物理場耦合計算的程序。

4.3 多尺度耦合

熱工水力分析是反應堆分析的重要組成部分，也是其他物理過程分析的基礎。根據模型的分辨率，可將熱工水力學程序分為三類：熱工水力系統分析程序、熱工水力堆芯子通道計算程序以及計算流體力學程序(CFD)。不同尺度的熱工水力分析程序各有優勢，將上述熱工水力分析程序進行耦合，可大幅度提高熱工水力分析程序的性能。

5 反應堆數字孿生技術進展

數字孿生技術近年來迅速得到較高關注，全球許多研究機構已開展了關于先進核能領域應用數字孿生技術的研究，旨在進一步推動核能的數字化、安全化、便捷化。基于數字孿生技術，使用建模和仿真可定位、評估和解決潛在的風險領域，如圖所示;還可使用收集到的數據，在建造真實反應堆之前，對新堆進行設計與優化。

圖5 數字孿生的概念及相關特征(引用)

5.1 各國數字孿生技術研發現狀

美國愛達荷州國家實驗室(INL)使用傳感器數據和開源技術構建了微堆敏捷非核實驗試驗臺(MAGNET)的虛擬模型，以創建一致的信息流并實現實時數據共享。2022年7月，研究人員對模擬微堆進行了首次數字孿生測試，成功預測了熱管溫度，并能夠檢測到溫度異常值。法國艾西斯騰公司(Assystem)與微堆開發商Naarea公司簽署“聯合研發超小型模塊堆”的合作協議。其中，艾西斯騰負責反應堆數字孿生模型的開發。加拿大2022年1月聯合發布《加拿大核工業先進制造發展路線圖》，目標之一是組建核工業先進制造聯盟。數字孿生技術是該聯盟重點關注的技術領域之一。2022年10月，中核集團核工業計算機應用研究所與北京航空航天大學成立核工業數字孿生工程技術聯合實驗室。此外，美國的智能核資產管理發電(GEMINA)項目、法國的反應堆安全殼的現實驗證(VERCORS)項目、俄羅斯的突破(Provy)項目、英-日的LongOps項目等都是對核能領域應用數字孿生技術的探索項目。

5.2 數字孿生反應堆的關鍵應用

數字孿生核反應堆的實現，有望對核反應堆進行故障預測與預防、狀態監測、事故工況下的應急響應與決策及輔助新堆設計與優化等。

1)故障預測與預防。核反應堆的數字孿生系統具有模擬功能，維護過程能夠在組件發生故障前進行，防止發生事故而導致嚴重后果。

2)狀態監測。數字孿生能夠提供與技術規范相關的實時信息、集成與分析，通過歷史記錄、產出表現和技術判斷等信息充分支持各類操作決策。

3)應急響應與決策。數字孿生可基于物理模型，輔助神經網絡模型，在罕見緊急情況或事故中進行預測響應，提高響應效率。

4)新堆設計與優化。數字孿生反應堆存在于虛擬空間，設計更改、組件拆除和部件組裝等工作相較于實際空間中變得極為便捷。

5.3 主要技術挑戰

1)對于物理實體相關數據，收集哪種類型的數據并無統一的標準和規范。

2)對復雜且動態變化的多源異構數據的關聯和交互是實現數字孿生技術的一個巨大挑戰。

3)建立核反應堆的數字孿生系統需開發多領域統一建模平臺，實現多領域方程聯合求解，降低不同模型在融合過程的誤差，并提高設計和建模效率。

4)儀器和數值模型數據的不確定性評估。

基于上述問題，需：(1)開發新型傳感器或多模式傳感器;(2)合理設置傳感器的數量、種類和位置;(3)根據數據屬性，確定最佳采集頻率;(4)對新傳感器的不確定性評估;(5)模型開發和集成中的不確定性量化和傳播;(6)集成、異構模型的驗證和確認。

6 核能信息化與數據庫建設進展

核能領域內的各類數據庫是開展相關研究和開發工作的重要參考和有力工具。

反應堆熱工水力試驗臺架是采用比例模化方法對反應堆進行模擬的實驗裝置，用于分析反應堆正常運行及事故瞬態下的熱工水力現象。試驗臺架實驗數據可為核電廠的系統設計和安全分析，以及程序的驗證和評估提供支持。近幾十年來，各國建設了眾多反應堆熱工水力試驗臺架。同時，為了更好地收集、整理和保存熱工水力試驗臺架相關的實驗信息與實驗數據，國際上已經建立了一些專門的數據庫，例如TIETHYS(The International Experimental Thermal Hydraulics Systems Database)、STRESA(Storage of Thermal Reactor Safety Analysis Data)、SANIS(Simulation and Experimental Analyses Network Information System)等。

圖6 TIETHYS數據庫首頁

近年來，隨著自主化核電技術及相關分析程序的快速發展，中國在整體性試驗臺架建設與運行方面積累了較多的經驗和數據，相關的實驗數據庫建設也在進行中，同時，核數據、核材料方面的數據庫也在不斷擴充完善，為今后人工智能在核能領域的進一步應用提供助力。

7 核廢物處理技術進展

隨著核電的快速發展，核電站產生的核廢物處理處置問題已引發廣泛關注。中國開展的多層級放射性廢物管理評估，有效地提升了放射性廢物安全管理水平，業績顯著。2022年11月24日，龍和國家集中處置場開始接收首批核電廢物。這標志著中國首個國家級核電廢物集中處置場正式投入運行。中國已規劃在甘肅北山建造首座高放廢物處置地下實驗室。

7.1 中低放廢物處理與處置

中低放廢物處理技術的研究熱點主要是核電廠放射性廢液處理工藝、放射性固廢處理及固化工藝。

核電站放射性廢液處理工藝包括化學沉淀法、吸附法、離子交換法、生物處理法和膜分離法。膜工藝在放射性廢液處理方面具有巨大的潛力。吸附法是利用多孔性固態物質吸附去除放射性水中核素離子的一種有效方法。吸附法的關鍵是不同吸附劑對放射性廢水中核素的吸附效果有較大差別。因此，制備高效的吸附劑是吸附法處理放射性廢液的研究重點。Penzin等研究結果表明，相比膠結、深度蒸發，離子選擇性凈化方法是最有效的，因為它顯著減少了轉運處理的中放廢物的體積。

核電廠的放射性固體廢物包括工藝廢物(濃縮液固化體、離子交換樹脂、水回路/通風濾芯、廢水淤積物)、技術廢物(維修用輔助設備/防護物品、被污染衣物)以及一般廢物(被污染溶劑、報廢一回路大部件)。目前對于放射性固體廢物處理技術主要研究方向在于固廢的減量減容技術以及后續的固化技術研究，主要包括等離子處理技術、蒸汽重整技術等;固化技術可分為水泥固化和玻璃固化。

7.2 高放廢物處理與處置

從高放廢液中選擇性去除放射性核素也是一個十分有前景的研究方向。對于無法選擇性去除的放射性核素，目前的處理方式就是進行固化處理。高放廢物玻璃固化是目前世界上唯一工程化應用的固化方式，美國、法國、日本、德國、俄羅斯、比利時、印度、中國等均采用該技術實現了高放廢液的固化處理。目前，國際上高放廢液玻璃固化體的處置方式均采用深地質掩埋，因此對于深地質處置條件下，固化體的長期化學穩定性也是一個十分重要的研究內容。

7.3 乏燃料處理與處置

世界各國的核燃料循環策略可分為兩種，即開式和閉式：前者將乏燃料視為高放廢物，直接進行深層地質處置;后者將乏燃料視為一種寶貴資源，對其進行后處理，回收鈾和钚，然后用于制造新燃料元件。目前，全世界擁有大規模商業后處理設施的國家包括法國、英國、俄羅斯和日本。印度擁有4座小型后處理設施，美國也擁有一定的后處理能力。

中國高放廢物的處置采用“三步走”式的發展戰略，從選址到建立地下實驗室最后到設立高放廢物處置庫。2021年6月17日，高放廢物地質處置地下實驗室工程建設項目開工動員大會在甘肅北山新場場址舉行，標志著中國高放廢物地質處置正式進入“三步走”的第二步，即地下實驗室階段。

圖7 中國高放廢物地質處置北山地下實驗室三維透視圖(圖片來源：國家原子能機構)

8 結論

本文對核能科技的前沿進展進行了概述，包括核裂變和聚變技術、核能與其他能源的耦合利用、信息化與核能數據庫技術、核廢物處理技術等方面。核能與氫能、太陽能、風能等其他能源耦合技術將促進新能源的開發利用和傳統化石能源的低碳化轉型，助力雙碳目標的實現。目前，反應堆多物理場耦合技術在國內外均取得了一些進展，但由于該領域涉及的問題十分復雜，仍有很多尚未解決的問題，仍將是未來核能領域的研究重點。核能信息化及數字孿生技術則允許研究人員用較低成本對核電站運行中的各類情況進行計算，對核電站的建設、運行、維護以及事故防護等方面的研究都提供了支撐。本文還總結了放射性廢物與乏燃料處理與處置技術，尤其是中國開展了高放射性廢物處置中北山地下實驗室的建設，標志著中國高放廢物地質處置進入了“三步走”戰略的第二步。核能因其安全性、經濟性且低碳減排等優勢，預期仍將是未來能源可持續戰略中不可缺少的組成部分，而全球可控核聚變實驗堆的研發和商業化有希望徹底解決人類能源問題，為以人工智能為代表的新一輪科技與工業革命奠定堅實基礎。