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| 吳宜燦院士：第五代核能系統 |
| 來源：核科學與工程 作者：吳宜燦 李亞洲 金鳴 等 時間：2021/5/31 |
編者按：傳統核能自身發展面臨核安全、核廢料處置和公眾接受度等挑戰，同時受到技術不斷進步價格不斷下降的可再生能源的沖擊，核能領域創新迫在眉睫。吳宜燦院士提出了第五代核能系統“核5G”，并深入詮釋了親近性、靈活性、智能性技術特征，為核能創新發展指明了重要方向。
核能未來之路：親近、靈活、智能的“核5G”
導 語
目前我國是世界上最大的二氧化碳排放國家。近日，習近平總書記在以視頻方式出席領導人氣候峰會時重申中國將力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和（簡稱“雙碳目標”）。在實現“雙碳目標”背景下，核能發展將迎來新的機遇。但傳統核能系統仍體現出單一孤立的特點，與其他能源以及終端用戶缺少直接關聯。為此，中國科學院院士、國際核能院院士吳宜燦撰文提出第五代核能系統“核5G”概念，闡述其親近、靈活、智能的技術特征，可為構建未來多元共生能源提供重要借鑒。
觀 點
作為低碳高密度能源，核能在“雙碳目標”下應用前景廣闊。2020年9月，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會上提出二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。作為一種不產生二氧化碳等溫室氣體的低碳能源，核能未來發展前景廣闊。國內外相關研究預測，中國要實現2060年達到碳中和的目標，核電裝機容量需要增加6~10倍。
然而傳統核能發展自身也面臨一些挑戰，比如核安全、核廢料處置和公眾接受度問題等。為此，不同的核能系統概念被提出，新的技術也不斷發展，以解決這些問題和挑戰。2002年美國發起了第四代核能系統國際論壇GIF組織，以期共同合作研究開發第四代核能系統。
傳統核能供給呈現出“單一孤立”特點難以滿足未來能源“多元共生”需求。目前僅不到1%的核能用于供熱等非電應用，變成了一種與消費市場相對隔離的、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節與分配。同時，新建反應堆單堆功率水平多在GW量級，無法適用于電力需求增速較快的新興經濟體國家中普遍存在的中小型能源網絡，以及廣闊的非電應用市場。從能源安全角度出發任何國家都不可能僅發展單一能源，未來能源需求必將體現出多元共生的特點。下一代核能系統為打破“單一孤立”的束縛，可從兩個方面入手，一是與其他能源的關系，二是與用戶的關系。
為此，吳宜燦等提出第五代核能系統“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、智能性等技術特征，可滿足未來能源多元共生應用需求的第五代核能系統。
“核5G”在多元共生能源結構中將發揮重要作用
傳統化石能源為基礎的能源系統以電網為中心，間接將能源傳輸和轉化到用戶；為更好保障能源安全，提升多元能源需求的供給能力，降低能源傳輸的損耗，需要構建包含下一代核能在內的多元共生的能源系統構架和分配體系，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”所需發展的關鍵技術
文章指出多元共生下的先進核能應擺脫基于縱深防御的傳統安全觀，為此提出“從源頭確保核安全”的理念及核安全“四項革新”，即在目標、技術、方法和措施四方面進行革新。“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用需求的第五代核能系統，其具備下述技術特征。
（1）親近性。物理親近：對于公眾和環境而言，未來反應堆應能貼近用戶運行。心理親近：“核5G”直接服務于用戶，公眾能否在心理上接受至關重要，因此科普和教育成為核能發展所必需的工作。核安全問題不僅是技術問題，歷來也是社會問題。
（2）靈活性。運行靈活：實現堆跟機運行以及輸出隨著負載的快速變化，可使用更多樣的燃料設計、燃料結構材料和燃料組合物運行；支持孤島模式運行；極大提高燃料利用率，延長一次裝料運行時間的同時改善經濟性。部署靈活：功率擴展、制造的靈活性，降低現場建造周期和費用，并提升資金靈活性。產品靈活：除去電力供應外，還可提供更多高品質或更多量的工藝熱，還可以提供氫氣、化工產品、放射性同位素等。
（3）智能性。綜合處理多元化、分布式或多節點能源網絡的系統關聯性，并在各個環節擺脫對人員、技能的依賴，減少人因失誤。智能性體現貫穿在核能系統從設計、制造、運維等全周期環節。
“核電寶”是“核5G”概念的初步實踐。
近年已出現在此方面的探索和實踐，比如具有超安全、超小型、超長效的技術特點、采用特種液態金屬（鉛/鉍/鋰等）作為冷卻工質的超小型可移動式先進核能系統“核電寶”，已被世界核協會（WNA）收錄。期待未來有更多具備上述技術特征的新型反應堆出現。
原文參見：“吳宜燦,李亞洲,金鳴,等.第五代核能系統概念及其特征[J].核科學與工程,2021,41(02):201-210.”
編輯部語
2020年8月，中國科協在第二十二屆中國科協年會閉幕式上發布了10個對科學發展具有導向作用的科學問題和10個對技術和產業具有關鍵作用的工程難題。作為能源領域唯一入選的重大前沿課題——“第五代核能系統會是什么樣子？”，引發社會各界廣泛討論和思考。
為此，我刊特邀中國科學院院士、國際核能院院士吳宜燦撰寫關于《第五代核能系統概念及其特征》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《核科學與工程》期刊，跟隨院士一起探索核能發展之路。
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