編者按
創新是引領發展的第一動力，科技是戰勝困難的有力武器。2022年，世界百年未有之大變局加速演進，新一輪科技革命和產業變革深入發展，科技創新不斷為全人類賦能、為共同發展助力。在核能的科技創新方面，美國在核聚變實驗中取得重大突破，帶動了全球對核能創新的熱潮，各核能主要大國也都取得了一些重要的創新成就，無論是在先進反應堆、核聚變中，還是在國防科技、核科技應用、先進技術耦合發展中，全球核能科技界始終保持著推動完善全球科技治理的初心，讓科技成果為更多人所及所享，推動實現更加強勁、綠色、健康的全球發展。本文對全球主要國家的重大核能科技創新成果進行回顧，為我國2023年度的核能科技創新提供一些合作思路。
俄羅斯 Russia
陷入地緣政治旋渦中的艱難創新
自2022年2月俄烏事件開始以來，俄羅斯就深陷戰爭與國際糾紛，關于俄羅斯各方面實力是否衰退的問題在世界范圍內展開了激烈的討論。在這一年內，盡管俄羅斯的注意力主要放在軍事戰備上，但在核科技方面，俄羅斯的身影卻未曾在世界舞臺上消失。
在核能創新方面，俄羅斯國家原子能公司(Rosatom)表示，俄羅斯開始測試小型堆(SMR)燃料棒。位于波多利斯克市的盧奇科學生產協會(Luch Scientific Production Association)提供了一批經過多次改進的鈾-鈮燃料元件樣品，用于在季米特洛夫格勒市反應堆研究所(NIIAR)進行測試。盧奇科學生產協會最新開發的燃料元件，將用于Shelf-M小型堆項目。該協會首次將Block技術用于鈾-鈮燃料棒燃料芯塊生產，免除了燃料部件擠壓工序，從而節省了生產時間。該技術已獲得專利。目前盧奇科學生產協會正計劃對鈾-鈮燃料棒模型進行熱試。
俄羅斯小型堆試驗性核燃料組件
2022年中旬，俄羅斯庫爾斯克核電廠3號機組中已裝入首根配有額外鈷吸收體(SDPK)的棒，未來將生產鈷-60。這座RBMK反應堆將裝載27根SDPK棒，并將不斷監測中子物理特性。這項工作是在俄羅斯原子能工業公司(Rosenergoatom)“RBMK型反應堆鈷-60生產組織”項目下進行的。俄羅斯原子能工業公司將利用核電反應堆的獨特能力，生產可用于醫學、農業等行業的放射源。
庫爾斯克核電廠機組反應堆容器
在核科技應用創新方面，俄羅斯科學院西伯利亞分院布德克核物理研究所和新西伯利亞國立大學的科研人員利用硼中子捕獲療法治愈了一組貓和狗的癌癥，首次實現了利用加速器中子源治愈患有癌癥的動物。并且中國也開始借助俄羅斯制造的加速器中子源治療癌癥。這項世界上首次關于中子對中大型哺乳動物的治療效果的研究是向人類臨床試驗邁出的重要一步。
俄羅斯科學院西伯利亞分院布德克核物理研究所實驗現場
在國防科技創新方面，俄羅斯首次接收了在塞維那工廠生產的09852型“別爾哥羅德”號核潛艇，將成為波塞冬無人潛航器的載體。該艇長184米，滿載排水量23760噸，安裝2臺核動力反應堆，水下最大航速32節，裝備6枚“波塞冬”核魚雷和攜帶特種情報作戰系統，可以攻擊敵方水下通信網絡，還可向深海運送無人潛航器和核動力深海工作站，執行研究勘探和偵察作戰任務，實戰部署后成為“軍民兩用”、“核常兼備”的重要戰略威懾力量。
“別爾哥羅德”號核潛艇
此外，俄羅斯“軍火庫”設計局(Arsenal)文件顯示，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，已經具備太空作戰能力。盡管只有寥寥數語，但是在太空軍事化日益嚴峻的當下，該則消息再次引起了各界對于俄羅斯“宙斯”核動力太空項目的關注。其中，作為項目核心的“兆瓦級核能動力裝置”，其研制工作由俄羅斯凱爾迪什研究中心牽頭，據稱“軍火庫”設計局建議的在未來俄羅斯火星基地建造的核電站也使用該反應堆。
“宙斯”核動力太空項目概念圖
美國 The US
核聚變取得歷史性突破，核能相關創新齊頭并進
2022年，美國的創新活動依舊走在引領時代發展的道路上，構建了國防科技和國家科技“兩翼齊飛”的新局面，尤其在先進能源領域，特別是聚變領域取得了重大突破。
在先進能源方面，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室在2022年度開展的核聚變實驗中，“國家點火設施”向目標輸入了2.05兆焦耳的能量，產生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，首次實現凈能量增益。本次試驗采用的慣性約束核聚變是實現可控核聚變的兩大主流方案之一，該技術利用激光的沖擊波使得通常包含氘和氚的燃料球達到極高的溫度和壓力，來引發核聚變反應。美國本次的重大科學突破，將為其國防及清潔能源未來發展奠定扎實的基礎。
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的國家點火設施
美國X能源公司(X-energy)于2022年11月完成了小型高溫氣冷堆Xe-100的基礎設計，并在橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的中試規模設施中利用天然鈾，制造了首批三元結構各向同性核燃料(TRISO)顆粒。X-energy計劃2023年向美國核管理委員會(NRC)提交專題報告，為其示范項目選擇場地，并于當年年底提交示范項目的施工許可申請。
三元結構各向同性核燃料(TRISO)顆粒
美國比弗谷核電站大修成功也是核工業科技創新的典范工程。在2022年度這次大修中，比弗谷核電團隊首次使用了西屋雙子座機器人檢查系統，用于封頭檢查。雙子座系統使用兩個獨立的關節機械臂，可以通過視覺、超聲波和渦流檢查。其設計用于通過機頭架上的人員進出口進行安裝和拆卸，從而減少了安裝或拆卸設備時拆卸機頭的需要。
雙子座機器人檢查系統
在國防科技創新方面，美國宣布哥倫比亞級戰略核潛艇于2022年正式通過研發測試，轉入制造階段，這是美國的第五代彈道導彈核潛艇，將是美國海軍有史以來建造的最大潛艇預計2027年完成制造。哥倫比亞級戰略核潛艇最顯著的特點在于其搭載的核反應堆壽命與潛艇全壽命周期基本相同，無需進船塢更換核燃料，還可以顯著提高潛艇在航率，相當于減少了潛艇需求數量。此外該潛艇可能搭載高超音速武器，同時具備核和常規的進攻性戰略打擊能力，極具威懾力。
哥倫比亞級戰略核潛艇戰術導彈艙
美國國防部高級研究計劃局(DARPA)宣布，為其熱核動力航天器演示計劃第二、第三階段征集提案。該計劃名為“敏捷雙月演示火箭”(DRACO)，旨在設計、開發和組裝一臺熱核火箭發動機，以便2026年前在地球軌道上開展飛行演示，幫助監測地月空間，美國軍方認為這是一個高度優先的戰略領域。該項目旨在開發一種用于地月空間的熱核推進系統，使用核裂變反應堆工作。與電力推進系統相比，其熱核推進系統的推力重量比高約10000倍。
美國熱核推進試驗場
在核科技應用創新方面，美國辛辛那提大學首次嘗試了臨床FLASH放療和首次FLASH質子治療。這也是全球首個“超級質子治療”的臨床試驗。FLASH 療法是一種實驗性的治療方式，原理是在不到一秒的時間內以超高劑量率提供放射療法，比傳統放射療法的速度快了100 倍。能達到一次照射摧毀所有癌細胞，而正常細胞無損害的效果。質子提供的超高劑量率輻射，還能治療位于身體深處的腫瘤。可以說是放射性療法發展的新方向。
臨床FLASH放療示意圖
法國 France
核科技創新相對疲軟，但后勁依舊充沛
2022年，法國國內問題頻出，加上政府換屆、能源危機、新冠疫情等一系列重大事件，導致科技創新整體節奏放緩，在核能科技創新方面，成果雖少但依舊具有亮點。
在核能創新方面，2022年，法國電力公司(EDF)宣布，其NUWARD模塊化小堆設計將成為試點案例，并作為測試案例提供給歐洲多國核監管機構聯合評審監管審查。這次評審由法國核安全局(ASN)牽頭，捷克國家核安全辦公室(SUJB)和芬蘭輻射與核安全局(STUK)參與。通過這一行動，法電確認了其在促進歐洲國家合作，支持加速國際模塊化小堆取證，進而推進小堆法規協調方面的領先地位。
NUWARD模塊化小堆設計模型
此外，在核能制氫方面，2022年底，法國政府宣布“已保證2吉瓦電解水制氫設備”投入使用，并重申發展綠氫是工業脫碳的支點之一。這對于法國氫能戰略路線圖的實現確實是個不小的進步。與之匹配的是，為了更好進行氫能應用，法國也同步開展了創新技術氫動力汽車、氫動力替代柴油機車、氫能載客列車的研發。
法國的一座核能制氫工廠
在國防科技創新方面，2022年，法國海軍“梭子魚”級攻擊型核潛艇首艇在法國布雷斯特軍港正式加入海軍作戰序列。“梭子魚”級攻擊型核潛艇是法國海軍第二代多用途攻擊型核潛艇，是法國海軍未來最為重要的水下作戰力量。該潛艇采用泵動噴射推進方式，水下噪音僅110分貝，核動力裝置在K15壓水式核反應堆的基礎上實施改進，總功率超過24500馬力。K-15壓水型核反應堆與美國核潛艇上的反應堆則有很大不同：它以低濃度的鈾作為燃料用在反應堆中，鈾濃度只有7-20%，而美國核潛艇使用的反應堆中的鈾濃度高達95%。
“梭子魚”級攻擊型核潛艇
英國 The UK
國內雖然遇到諸多問題，但科技創新動力強勁
在經歷了包括脫歐、疫情以后，英國的創新生態系統在2022年顯示出了強勁的反彈力，雖然經歷了三位首相換屆的窘境，也遇到了能源危機等諸多問題，但依舊位列全球創新生態排名第二。其中金融科技成為了英國科技投資最強勁的行業。此外，利用技術來解決包括氣候變化在內的挑戰的科技公司，也繼續增長并擴大規模。
在核能創新方面，英國牛津大學成功開發出一種高速射彈引發核聚變的技術，使核聚變的現實路徑又多了一種選擇。牛津大學開發的技術不使用復雜而昂貴的激光或磁鐵，而是使用高速彈丸。目前英國相關專家普遍認為，射彈核聚變有可能是實現商業上可行的核聚變發電的最快途徑，因為它比傳統方法更簡單、更節能、更便宜。
用于發射高速射彈的大型兩級超高速氣槍
在開發獨有核聚變技術的同時，英國牛津大學也積極參與ITER計劃的相關任務，并成功研發了一款用于維修核聚變電站反應堆的原型機器蛇，2022年度首次測試取得了成功。該機器蛇可以用激光來切割舊管道，并將新管道焊接到位，使反應堆能保持長期正常運作。
正在測試的機器蛇
在核動力基礎技術研究方面，英國國家核實驗室(NNL)已經證明，镅可以從民用發電廠使用的再加工核燃料中提取，并制成燃料球，形成電池的核心。并且，英國國家核實驗室(NNL)于2022年中旬利用镅元素進行發電的實驗首次獲得成功。英國航天局稱，這種方法為未來航天器太空飛行和探索宇宙提供了能源供應的新途徑，使用這種供電方式為太空飛行器提供能源，可以支持其執行太空任務長達400年。
歐洲航天局希望阿爾戈登月任務使用镅元素的電池供電(構想圖)
此外，2022年，英國國家核實驗室(NNL)在放射性同位素鉛-212生產方面取得突破性進展。英國國家核實驗室(NNL)下屬的普雷斯頓實驗室研發了英國第一種國產鉛-212的生產工藝，即能夠通過對核材料進行復雜的化學分離和純化來生產鉛-212。目前，國家實驗室正在就鉛-212的質量保證和規模生產等問題開展進一步研究。鉛-212是一種重要的醫用放射性同位素，可用于靶向治療，在破壞癌細胞的同時最大限度的減少對身體其他健康部位的損害。鑒于生產難度較大，鉛-212的全球供應長期以來處于短缺狀態。
普雷斯頓實驗室研發現場
在核能商業化創新方面，英國芯動力科技公司(Core Power)首次展示了一個針對集裝箱船領域的核電推進系統(NEPS)。該演示表明，考慮到目前的燃料價格和碳稅，裝有單個熔鹽反應堆的14kTEU船舶的總生命周期成本可降低為傳統推進能力船舶的一半。該技術帶來的優勢是，它不受燃料價格波動的影響，也能夠通過更快的航行提高船舶效率，并產生零排放。在全球擴大綠能的背景下，核電推進正在引起業界的更多興趣，而這被認為是航運業去碳化的關鍵。
Core Power公司用于海洋運輸和重工業的可擴展原子動力技術演示圖
韓國 South Korea
伴隨核能政策轉向，科技創新厚積薄發
2022年，韓國政府進行了換屆，對于核能的態度發生了巨大轉變，也因此鼓勵和促進了該國核能科技創新的進程。
在核能創新方面，蔚山市政府宣布正式開啟“核電站解體核心技術”研發工作，其申請的“放射性污染罐放射性物質消減及拆解技術開發”課題成功當選為中央政府產業通商資源部支持項目，將獲得高達26億韓元的財政補助。蔚山市政府稱，該課題有望在2023年完成，技術研發成功后可用于同時拆解30座以上的放射性污染罐，創造60億韓元的市場價值。
新韓蔚核電站
韓國原子能研究院(KAERI)新研究堆項目組2022年正式發表了關于KIJANG研究堆(KJRR)的最新進展報告。KJRR是一座熱功率為15 MWt的開槽型池式研究堆，計劃2027年首次臨界，旨在利用低濃鈾生產和供應鉬-99等重要醫用放射性同位素。KJRR是一座熱功率為15 MWt的開槽型池式研究堆，于2012年啟動，計劃2027年首次臨界，旨在生產和供應鉬-99等重要的醫用放射性同位素，并通過中子嬗變摻雜(NTD)生產半導體。
注：①反應堆廠房;②公用事業大樓;③裂變鉬生產設施(FMPF)大樓;④放射性同位素生產設施(RIPF)大樓;⑤放射性廢物處理設施(RWTF)大樓
KJRR場址鳥瞰圖
在智能工廠方面，韓國電子通信研究院(ETRI)在2022年度向國內外成功展示了同時實時控制和監視智能工廠設施和機器人的“工業物聯網(iot)服務”。這種智能工廠技術的核心是在整個制造過程中應用信息通信技術(ICT)，遠程控制各種流程，同時使用機器人實現任務自動化。在韓國重啟核電后，該類技術將應用于韓國新建的核電站中。
工業物聯網(iot)服務演示
韓國原子能研究所(KAERI)、韓華電力系統公司(Hanwha Power Systems Co, Ltd)、現代工程公司(Hyundai Engineering Co, Ltd,)、慶尚北道(Gyeongsangbuk-do)和慶州市(Gyeongju)簽署超臨界二氧化碳發電技術商業化協議。各方計劃通過該協議建成并示范一座測試和示范設施，并為基于小型堆(SMR)的發電系統開發超臨界二氧化碳發電技術。超臨界二氧化碳溫度高達700℃，有可能被用于布雷頓循環。在將發電廠的熱量轉化為能源方面，布雷頓循環有可能比當今火電廠使用的傳統的基于蒸汽的朗肯循環更有效。
韓國各創新企業簽署超臨界二氧化碳發電技術商業化協議
在核動力創新方面，由于韓國的核能政策轉向，因此韓國三星重工加大了與韓國原子能研究所(KAERI)合作開發的熔鹽反應堆投入力度。三星重工表示，這項核能開發技術還可以與三星集團在氨動力、氫動力的先進研究開發計劃相輔相成，有望成為未來航運、航空業的替代型低碳能源。
三星船廠實景
加拿大 Canada
始終保持低調的科技創新發展勢頭
2022年，加拿大實現了后疫情時代的經濟重新開放，并繼續保持著低調的科技大國氣質，在核能科技創新方面，不聲不響的取得了一些重要成果。
在核能創新方面，日立核能(GEH)的加拿大子公司與薩斯喀徹溫省工業和采礦供應商協會(SIMSA)之間達成合作協議，推動了BWRX-300小型模塊化反應堆(SMR)在加拿大薩斯喀徹溫省的潛在部署行動。BWRX-300是一個約300MWe的水冷自然循環小型模塊化反應堆(SMR)，帶有非能動安全系統，代表了自1955年以來最具創新性的沸水反應堆設計。
BWRX-300小型模塊化反應堆部署鳥瞰圖
加拿大Prodigy清潔能源公司與美國NuScale電力公司一直在合作開發具有競爭力的海上核電技術。2022年度，兩家公司已聯合公開一款基于小型堆(SMR)技術的海上核電廠概念設計，該電廠可以為全球沿海地區輸送安全、經濟、可靠的電力。該海上核電廠能夠裝備1-12個NuScale小型堆模塊。國際原子能機構(IAEA)在關于小型堆開發報告中稱，未來浮動式小型堆電廠的趨勢愈加明顯，這種完全能夠進行工廠化制造的設計可為偏遠地區提供即插即用式的電力和熱能。
加美合作的海上浮動概念堆
加拿大先進反應堆概念公司(ARC)與加拿大核實驗室(CNL)進行合作，研發了ARC-100模塊化小堆燃料制造工藝。通過加拿大核研究基金(CNRI)提供的資金，核實驗室將為ARC公司提供核燃料制造方面的專業知識，利用喬克河(Chalk River)實驗室的先進研究設施，開發用于ARC技術的原型燃料細棒生產線。核實驗室還將為開發“加拿大制造”生產線提供一套合格的程序。ARC公司計劃于2029年底前在新不倫瑞克省萊普羅角建成一座10萬千瓦鈉冷快堆ARC-100，使用金屬燃料，換料周期為20年。
10萬千瓦鈉冷快堆ARC-100概念圖
在聚變領域，加拿大也不甘落后。加拿大國家核實驗室(CNL)和與商業核聚變開發商General Fusion于2022年開展了一系列聯合項目，以加速在加拿大部署商業核聚變動力。雙方共同利用核實驗室(CNL)先進的氚設施來開發提取氚的技術，以用于未來的聚變電站。
通用核聚變設施
此外，加拿大達靈頓核電廠2號機組鉬-99靶輸送系統已正式實現系統通電，使部分已安裝的系統能夠進行初步測試。這標志著利用達靈頓核電機組開展鉬-99生產取得了重要進展。達靈頓核電廠4座反應堆均為加壓重水堆，能夠在不停堆的情況下插入和取出鉬靶，可以保障鉬-99的穩定供應。相對于需要使用高濃鈾靶的傳統鉬-99生產技術，這一新技術消除了擴散風險。
加拿大達靈頓核電廠
其他國家 Other Countries
2022年，除了主要核能國家，還有一些國家也在努力發展核能技術創新，以期在未來的能源競爭中占據一席之地。
印度
2022年，印度第一座用釷作燃料的核能反應堆——先進重水反應堆(AHWR)已經設計完成。理論上，釷反應堆技術的第一步是利用傳統的鈾燃料反應堆產生的副產品钚。然后，將生成的钚投入快中子增殖反應堆中，與更多鈾進行反應，產生更多的钚。這一步驟的目的是為了得到更多中子，中子達到一定數目后，就能夠轟擊釷，讓釷裂變為鈾-233。釷反應的最后一個步驟是把鈾-233投入釷中。隨后，熱中子增殖堆便立即啟動了，以后只需添加釷礦，核反應堆就能一直維持正常工作狀態。不過目前AHWR更多的是為燃料轉換循環提供實踐經驗，并示范其安全性。設計完成并不代表釷核能計劃已邁入第三階段，離實際應用還有很長的距離要走。
孟加拉海灣附近的先進重水反應堆(AHWR)現場
德國
德國：位于德國東北部城市格賴夫斯瓦爾德的大型核聚變裝置仿星器文德爾施泰因7—X(Wendelstein 7—X)在2022年中旬開啟了連續運轉試驗，并在高溫下創造產生了高溫等離子體等“聚變產物”。仿星器是以磁場約束核聚變等離子體，穩定運行提供動力的實驗裝置。目前，世界核聚變實驗主要應用的是托卡馬克(tokamak)磁約束技術路線，而仿星器則是另一種在研的磁約束技術路線。
仿星器文德爾施泰因7—X裝置
瑞典
2022年，瑞典公司LeadCold與荷蘭核能公司NGR宣部合作開展小型模塊化鉛冷快堆設計。其中瑞典公司LeadCold承擔堆型設計，安全分析則由兩家公司分別獨立開展。瑞典公司LeadCold打算為反應堆建造一個電熱模型，用來驗證荷蘭核能公司NGR提供的先進三維模擬技術。與此同時，瑞典公司LeadCold公司還宣布與本國皇家技術研究所合作研發四代核電所需要的特種鋼鐵材料。著力開發定制符合鉛冷堆“SEALER(Swedish Advanced Lead Reactor) ”所需的特種鋼鐵材料。
小型模塊化鉛冷快堆概念圖
日本
2022年，日本京都聚變工程公司(Kyoto Fusioneering)完成了聚變電廠設備綜合測試設施的初步設計，該設施名為“獨特的綜合測試設施”(UNITY)，是世界上建設的首座此類設施。UNITY將通過工程模擬聚變動力核心內的熱和電磁環境，在不使用核反應的情況下對聚變發電廠中的一套能量轉換設備進行集成測試，此外，UNITY還配備了氚回收系統、測試毯模塊、液態金屬和熔鹽的主要冷卻回路、熱交換器等，可以模擬等離子加熱、等離子排氣、氫氚泵和聚變燃料循環演示等。分析來看，UNITY是全球首個將聚變反應堆技術作為一個綜合性系統進行測試的設施，具有開創性設計，可在一個設施中測試聚變電廠所需多個系統。這種先進的測試平臺將吸引聚變領域公司和人才，并幫助他們集中資源開發聚變核心技術，對聚變技術發展有積極意義。
UNITY設施外場
比利時
比利時核能研究中心(SCK-CEN)和國家放射性元素研究所(IRE)宣布了擴大镥-177生產的計劃。這種放射性同位素在治療前列腺癌等方面前景廣闊。在過去的兩年里，比利時核能研究中心為充分改進創新的純镥-177生產方法，做了大量研發工作。現在，該中心已準備好將研究成果應用于一條大規模生產線。
镥-177生產與試驗
捷克
2022年，捷克理工大學(CTU)核科學與物理工程學院(FNSPE)VR-2研究堆建設項目獲得了捷克國家核安全辦公室(SúJB)的批準。核科學與物理工程學院2014年啟動了VR-2研究堆項目，2020年獲得了反應堆選址許可。VR-2研究堆將處于次臨界狀態，運行只能通過外部中子源來實現。一旦外部中子源停用，裂變就會停止。這種方式使反應堆設計和建設更加簡單。VR-2研究堆將主要用于核工程專業的教學。此外，它還將用于開展研究性實驗。
VR-2研究堆示意圖
