摘要：本文综合介绍了当前全球核能科技前沿进展。简述了核聚变技术最新进展，指出核能与氢能、太阳能等其他能源的耦合利用为发展可再生能源和实现“双碳”目标提供了新的解决途径；高精度多物理场耦合分析计算、反应堆数字孪生技术、核能信息化与数据库建设是未来核能可持续发展的重要方

目前，世界核能产业的规模依然在扩大，技术路线更加多样化，国际项目合作十分紧密，各国的核能技术开发和科学研究工作稳步推进。

1 全球核能产业及科技进展

核能是重要的清洁、低碳、安全、高效的能源形式，未来一段时期，二代核电将会陆续退出运行，三代核电技术即将成为全球主流，各国也积极开展第四代反应堆、小型模块化反应堆以及空间堆等科技前沿领域的研究。

1.1 世界各国核能产业进展

2022年以来在政治、气候、疫情等因素的影响下，世界各国制定并实施了一系列关于核能产业发展的政策和措施。美国在2022年10月对采用AP1000技术的沃格特勒核电站3号机组进行首次装料，2023年7月实现并网发电，这是美国自哈里斯核电站1号机组开工35年以来正式启动并完成建设的核电机组。法国在2021年底宣布大规模重振核电发展，2023年6月进一步颁布《加速核能发展法案》，预计在2050年前新建6~14座反应堆。英国计划在2050年前将核电机组装机量由目前的6吉瓦提升至24吉瓦。韩国政府目前正在积极打造核电生态圈据点，成立核能出口战略委员会以促进韩国核电出口。

1.2 世界各国核能科技进展

第四代核反应堆的研发建造一直是核能领域的焦点之一。2023年12月，中国石岛湾核电站的球床模块式高温气冷堆（HTR-PM）正式投入商业运行，是世界首座四代商用核反应堆，标志着中国的第四代核反应堆技术走在世界前列。

图1 HTR-PM球床模块式高温气冷堆设计模型

在小型模块化反应堆研究方面，2023年美国核管理委员会（Nuclear Regulatory Commission，NRC）发布了认证NuScale电力公司的小型模块化反应堆的最终规则，使其成为监管机构批准在美国使用的第七个反应堆设计，也是第一个小堆。法国在支持加速国际模块化小堆取证、推进小堆法规协调方面处于领先地位。俄罗斯“罗蒙诺索夫院士号”商用海上浮动核电站于2019年12月并网发电，属于小型紧凑式模块化小堆，可用于供电和供应蒸汽进行海水淡化。在事故状态下，可通过非能动安全系统达到应急停堆冷却、堆芯应急冷却、堆腔淹没、安全壳应急降压等功能。2023年7月由中国中核集团研制的全球首个陆上商用模块化小堆“玲龙一号”反应堆（ACP100）核心模块完成出厂验收，有望在2025年年底实现并网发电。

在空间堆研究方面，俄罗斯国家航天集团参与研发的“宙斯”核动力太空拖船配装了兆瓦级动力装置，已经具备太空运行能力。2022年8月，由中国数十家单位联合承担的“兆瓦级超小型液态金属冷却空间核反应堆电源”项目通过验收。该项目形成了一套国产自主化三回路空间堆电源系统设计方案，在大规模、长时间的航天任务中将具有优良的应用潜质，未来为中国航天动力的发展提供了一条可行的技术路径。

图2 兆瓦级超小型液态金属冷却空间核反应堆

2 聚变技术进展

根据国际原子能机构（IAEA）发布的数据，目前全球在运营的核聚变装置有96座，在建的核聚变装置有11座，计划建设的装置则有29座；装置数量排名前5位的国家分别是：美国、日本、俄罗斯、中国、英国。

2021年9月，联邦聚变系统公司（CFS）和麻省理工学院等离子体科学与聚变中心报道了高温超导磁体的成功测试。2022年12月13日，美国能源部正式宣布惯性约束核聚变激光点火成功，加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室于12月5日首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益（Net EnergyGain）”。近年来，世界各国的民间投资正大量流入聚变技术研究领域，私营公司数量激增。相较于2022年，私营聚变技术公司由33家增加至43家，来自美国的25家公司占据了数量上的主导地位；英国、德国以及日本国内则各有3家公司，数量位于美国之后；中国国内目前共有2家私营性质公司，分别是新奥科技发展有限公司以及能量奇点能源科技有限公司。

中国核聚变研究起步于20世纪60年代初，从20世纪70年代开始，中国集中选择了托卡马克为主要研究途径，先后建成并运行了一系列托卡马克实验装置。

2.1 EAST托卡马克装置

托卡马克（俄语：Токамак），又称环磁机，是一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器。围绕环面移动的螺旋形状的磁力线能够使等离子体达到稳定的平衡。

东方超环（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）是由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所设计研制的世界上第一个“全超导非圆截面托卡马克”核聚变实验装置。EAST不断追求在等离子体参数、约束性能和长时间稳态运行上的突破，不断探寻未来聚变堆的高约束稳态运行模式，稳步推进等离子体物理研究，为国际热核聚变实验堆（ITER）和中国聚变工程实验堆（CFETR）设计建设奠定科学与技术基础，推动着中国在磁约束核聚变领域研发能力和科技水平的提升。

从20世纪80年代以来，实现长时间高约束放电一直是国际聚变界追求的目标和挑战性极大的前沿课题。为此，国际上也建立了众多托卡马克大实验装置，如国际热核聚变实验堆（ITER）装置、美国托卡马克聚变试验反应堆（TFTR）装置、欧洲联合环（JET）等。

图3 EAST全超导托卡马克

（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所官网）

2.2 国际热核聚变实验堆（ITER）

国际热核聚变实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）是中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共7方联合建造的国际热核聚变实验堆装置，是国际核聚变研究的巨型工程，将成为世界上最大的磁约束等离子体物理学实验，也是目前正在建设的世界上最大的实验性托卡马克核聚变反应堆，地点在法国的卡达拉奇（Cadarache）。ITER工程的目标是从等离子体物理实验研究，到大规模电力生产的核聚变发电厂的转变。

中国在ITER项目中约承担了9%的贡献。自2008年以来，中国先后安排实施了多个采购包的制造任务，包括ITER屏蔽包层模块、第一壁、磁体支撑、超导磁体线圈等核心关键部件。ITER计划确定在2025年12月实现第一束等离子体。ITER计划一旦商业化成功，意味着可控热核聚变将为人类提供大规模的洁净能源，摆脱化石能源的束缚。

2.3 中国聚变工程实验堆（CFETR）

中国聚变工程实验堆（China Fusion Engineering Test Reactor，CFETR）是中国自主设计和研制、以中国为主联合国际合作的重大聚变实验堆科学工程，其首要任务是实现聚变能可利用，探索未来聚变能的开发与应用潜力。

2023年12月，国家“十三五”重大科技基础设施“聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）”的首批分系统“结构材料测试平台”及“交流损耗测试系统”完成验收。CRAFT是合肥获批综合性国家科学中心后首个落户大科学装置集中区的国家重大科技基础设施项目，该设施目标是建成国际核聚变领域参数最高、功能最完备的综合性研究及测试平台。

3 核能与其他能源的耦合技术进展

在“双碳”目标下，能源行业面临低碳化转型，这就要求增加清洁能源的使用占比以及优化化石能源的利用过程达到碳减排的目的。核能作为一种稳定、清洁且利用技术较为成熟的能源，在推动低碳化进程中具有重要作用。与其他能源的耦合，成为进一步利用核能的新路径。

3.1 核能与氢能

核能制氢是一种低碳甚至无碳化制氢技术，可支持氢气进行大规模生产。高温热化学循环与高温蒸汽电解两种工艺满足无温室气体排放、清洁、效率高的要求，是目前被用来与核能结合的主流制氢工艺。包括中国、美国、俄罗斯在内的世界主要核工业国家均在积极推进核能制氢。针对核能与氢能的耦合，围绕核电系统、制氢工艺和耦合装置等已有许多研究。

较高的流体出口温度使超高温气冷堆与制氢工艺具有良好的适配性，如何进行耦合以获得更高的热效率和更好的经济性是需要考虑的问题。氢气的储存与运输是一个尚未完全解决的难题，储存与运输的成本是限制制氢工业发展的重要原因，如果将核能制氢与耗氢工艺进行地理位置上近距离的耦合，可以避免氢气的远距离运输和大量储存，降低成本。例如高温气冷堆制氢耦合炼钢系统，将核能进行充分利用，同时也实现了氢气的即产即用，具有很好的应用潜力。

3.2 核能与太阳能、风能

太阳能与风能都具有较强的时间间歇性，输出波动较大，难以独立承担电力供给，将核能与太阳能、风能进行耦合是缓解其间歇性的有效途径。

因为光热装置的存在，核能与太阳能可以进行热耦合。太阳能辅助压水堆核电站二回路发电系统利用光热装置产生的蒸汽代替压水堆二回路蒸汽为二级再热器供热，使得二回路主蒸汽可以全部用来推动汽轮机做功，提高了压水堆核电机组的效率，同时也充分利用了核电站周围的太阳能。

图4 国家电投海阳核电“核能+光伏”工程

（图片来源：国家电力投资集团有限公司）

太阳能和风能可以单独或同时与核能进行耦合，再加上一种或多种工业过程，就形成了一个独立的有稳定能源供给和产品输出的生产系统。例如，通过“风电+核电”制氢制氨可实现全生产过程的零碳排放；通过“光电+风电+核电”进行供电和海水淡化，在对太阳能与风能发电的灵活调度下可同时满足电力需求与淡水需求。

3.3 核能与煤炭

煤炭作为主要能源之一，满足了全球五分之二的电力需求，但煤炭燃烧和加工产生的一氧化碳与二氧化碳也是温室气体的主要来源之一。核能参与煤炭利用过程是降低煤炭行业碳排放量的一种有效途径，正在探索之中。

4 反应堆多物理场多尺度耦合计算技术进展

核反应堆是一个由中子场、温度场、流场、应力场、化学场等多个物理过程相互紧密耦合的系统。因此，先进核反应堆数值模拟涉及多学科交叉，需要解决的是以反应堆为对象的多尺度、大规模、多物理耦合问题。

4.1 耦合技术

耦合需要的程序与耦合技术是程序耦合的两个主要部分，对于不同的程序，选取合适的耦合方式可以提高计算的速度与稳定性。从数值求解的角度可将耦合方式分为强耦合和弱耦合。从数据传递的角度又可将耦合方式分为串行耦合和并行耦合。程序在耦合过程中对空间的划分和时间的迭代也有很多的方法。空间的划分可以分为两种：区域分解耦合方法和区域重叠耦合方法，主要用在多尺度耦合上。时间上可分为三种：显式耦合方式、半隐式耦合方式以及隐式耦合方式。

4.2 多物理耦合

多物理场广泛存在于核反应堆系统中，反应堆中的各个物理现象并不是独立存在的，各个物理场之间会相互影响。在反应堆系统中，中子物理场-热工水力场耦合（核热耦合）是最为关键的多物理场耦合方式。

近年来，国内外研究机构对反应堆多物理场耦合计算进行大量的研究，并开展了许多项目，开发了许多用于多物理场耦合计算的程序。

4.3 多尺度耦合

热工水力分析是反应堆分析的重要组成部分，也是其他物理过程分析的基础。根据模型的分辨率，可将热工水力学程序分为三类：热工水力系统分析程序、热工水力堆芯子通道计算程序以及计算流体力学程序（CFD）。不同尺度的热工水力分析程序各有优势，将上述热工水力分析程序进行耦合，可大幅度提高热工水力分析程序的性能。

5 反应堆数字孪生技术进展

数字孪生技术近年来迅速得到较高关注，全球许多研究机构已开展了关于先进核能领域应用数字孪生技术的研究，旨在进一步推动核能的数字化、安全化、便捷化。基于数字孪生技术，使用建模和仿真可定位、评估和解决潜在的风险领域，如图所示；还可使用收集到的数据，在建造真实反应堆之前，对新堆进行设计与优化。

图5 数字孪生的概念及相关特征（引用）

5.1 各国数字孪生技术研发现状

美国爱达荷州国家实验室（INL）使用传感器数据和开源技术构建了微堆敏捷非核实验试验台（MAGNET）的虚拟模型，以创建一致的信息流并实现实时数据共享。2022年7月，研究人员对模拟微堆进行了首次数字孪生测试，成功预测了热管温度，并能够检测到温度异常值。法国艾西斯腾公司（Assystem）与微堆开发商Naarea公司签署“联合研发超小型模块堆”的合作协议。其中，艾西斯腾负责反应堆数字孪生模型的开发。加拿大2022年1月联合发布《加拿大核工业先进制造发展路线图》，目标之一是组建核工业先进制造联盟。数字孪生技术是该联盟重点关注的技术领域之一。2022年10月，中核集团核工业计算机应用研究所与北京航空航天大学成立核工业数字孪生工程技术联合实验室。此外，美国的智能核资产管理发电（GEMINA）项目、法国的反应堆安全壳的现实验证（VERCORS）项目、俄罗斯的突破（Provy）项目、英-日的LongOps项目等都是对核能领域应用数字孪生技术的探索项目。

5.2 数字孪生反应堆的关键应用

数字孪生核反应堆的实现，有望对核反应堆进行故障预测与预防、状态监测、事故工况下的应急响应与决策及辅助新堆设计与优化等。

1）故障预测与预防。核反应堆的数字孪生系统具有模拟功能，维护过程能够在组件发生故障前进行，防止发生事故而导致严重后果。

2）状态监测。数字孪生能够提供与技术规范相关的实时信息、集成与分析，通过历史记录、产出表现和技术判断等信息充分支持各类操作决策。

3）应急响应与决策。数字孪生可基于物理模型，辅助神经网络模型，在罕见紧急情况或事故中进行预测响应，提高响应效率。

4）新堆设计与优化。数字孪生反应堆存在于虚拟空间，设计更改、组件拆除和部件组装等工作相较于实际空间中变得极为便捷。

5.3 主要技术挑战

1）对于物理实体相关数据，收集哪种类型的数据并无统一的标准和规范。

2）对复杂且动态变化的多源异构数据的关联和交互是实现数字孪生技术的一个巨大挑战。

3）建立核反应堆的数字孪生系统需开发多领域统一建模平台，实现多领域方程联合求解，降低不同模型在融合过程的误差，并提高设计和建模效率。

4）仪器和数值模型数据的不确定性评估。

基于上述问题，需：（1）开发新型传感器或多模式传感器；（2）合理设置传感器的数量、种类和位置；（3）根据数据属性，确定最佳采集频率；（4）对新传感器的不确定性评估；（5）模型开发和集成中的不确定性量化和传播；（6）集成、异构模型的验证和确认。

6 核能信息化与数据库建设进展

核能领域内的各类数据库是开展相关研究和开发工作的重要参考和有力工具。

反应堆热工水力试验台架是采用比例模化方法对反应堆进行模拟的实验装置，用于分析反应堆正常运行及事故瞬态下的热工水力现象。试验台架实验数据可为核电厂的系统设计和安全分析，以及程序的验证和评估提供支持。近几十年来，各国建设了众多反应堆热工水力试验台架。同时，为了更好地收集、整理和保存热工水力试验台架相关的实验信息与实验数据，国际上已经建立了一些专门的数据库，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。

图6 TIETHYS数据库首页

近年来，随着自主化核电技术及相关分析程序的快速发展，中国在整体性试验台架建设与运行方面积累了较多的经验和数据，相关的实验数据库建设也在进行中，同时，核数据、核材料方面的数据库也在不断扩充完善，为今后人工智能在核能领域的进一步应用提供助力。

7 核废物处理技术进展

随着核电的快速发展，核电站产生的核废物处理处置问题已引发广泛关注。中国开展的多层级放射性废物管理评估，有效地提升了放射性废物安全管理水平，业绩显著。2022年11月24日，龙和国家集中处置场开始接收首批核电废物。这标志着中国首个国家级核电废物集中处置场正式投入运行。中国已规划在甘肃北山建造首座高放废物处置地下实验室。

7.1 中低放废物处理与处置

中低放废物处理技术的研究热点主要是核电厂放射性废液处理工艺、放射性固废处理及固化工艺。

核电站放射性废液处理工艺包括化学沉淀法、吸附法、离子交换法、生物处理法和膜分离法。膜工艺在放射性废液处理方面具有巨大的潜力。吸附法是利用多孔性固态物质吸附去除放射性水中核素离子的一种有效方法。吸附法的关键是不同吸附剂对放射性废水中核素的吸附效果有较大差别。因此，制备高效的吸附剂是吸附法处理放射性废液的研究重点。Penzin等研究结果表明，相比胶结、深度蒸发，离子选择性净化方法是最有效的，因为它显著减少了转运处理的中放废物的体积。

核电厂的放射性固体废物包括工艺废物（浓缩液固化体、离子交换树脂、水回路/通风滤芯、废水淤积物）、技术废物（维修用辅助设备/防护物品、被污染衣物）以及一般废物（被污染溶剂、报废一回路大部件）。目前对于放射性固体废物处理技术主要研究方向在于固废的减量减容技术以及后续的固化技术研究，主要包括等离子处理技术、蒸汽重整技术等；固化技术可分为水泥固化和玻璃固化。

7.2 高放废物处理与处置

从高放废液中选择性去除放射性核素也是一个十分有前景的研究方向。对于无法选择性去除的放射性核素，目前的处理方式就是进行固化处理。高放废物玻璃固化是目前世界上唯一工程化应用的固化方式，美国、法国、日本、德国、俄罗斯、比利时、印度、中国等均采用该技术实现了高放废液的固化处理。目前，国际上高放废液玻璃固化体的处置方式均采用深地质掩埋，因此对于深地质处置条件下，固化体的长期化学稳定性也是一个十分重要的研究内容。

7.3 乏燃料处理与处置

世界各国的核燃料循环策略可分为两种，即开式和闭式：前者将乏燃料视为高放废物，直接进行深层地质处置；后者将乏燃料视为一种宝贵资源，对其进行后处理，回收铀和钚，然后用于制造新燃料元件。目前，全世界拥有大规模商业后处理设施的国家包括法国、英国、俄罗斯和日本。印度拥有4座小型后处理设施，美国也拥有一定的后处理能力。

中国高放废物的处置采用“三步走”式的发展战略，从选址到建立地下实验室最后到设立高放废物处置库。2021年6月17日，高放废物地质处置地下实验室工程建设项目开工动员大会在甘肃北山新场场址举行，标志着中国高放废物地质处置正式进入“三步走”的第二步，即地下实验室阶段。

图7 中国高放废物地质处置北山地下实验室三维透视图

（图片来源：国家原子能机构）

8 结论

本文对核能科技的前沿进展进行了概述，包括核裂变和聚变技术、核能与其他能源的耦合利用、信息化与核能数据库技术、核废物处理技术等方面。核能与氢能、太阳能、风能等其他能源耦合技术将促进新能源的开发利用和传统化石能源的低碳化转型，助力双碳目标的实现。目前，反应堆多物理场耦合技术在国内外均取得了一些进展，但由于该领域涉及的问题十分复杂，仍有很多尚未解决的问题，仍将是未来核能领域的研究重点。核能信息化及数字孪生技术则允许研究人员用较低成本对核电站运行中的各类情况进行计算，对核电站的建设、运行、维护以及事故防护等方面的研究都提供了支撑。本文还总结了放射性废物与乏燃料处理与处置技术，尤其是中国开展了高放射性废物处置中北山地下实验室的建设，标志着中国高放废物地质处置进入了“三步走”战略的第二步。核能因其安全性、经济性且低碳减排等优势，预期仍将是未来能源可持续战略中不可缺少的组成部分，而全球可控核聚变实验堆的研发和商业化有希望彻底解决人类能源问题，为以人工智能为代表的新一轮科技与工业革命奠定坚实基础。

本文作者：杨军、孙培杰、彭翠婷、胡梦岩、黄茜、张祎轩、黄宇航、罗志鹏、徐乐瑾

作者简介：杨军，华中科技大学能源与动力工程学院核工程与核技术系，教授，研究方向为反应堆热工水力及核能数字化；徐乐瑾（通信作者），华中科技大学能源与动力工程学院核工程与核技术系，副教授，研究方向为放射性废物处理及水处理技术。

论文全文发表于《科技导报》2024年第23期，原标题为《世界核能科技发展前沿进展》，本文有删减，欢迎订阅查看。

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来源：科技导报