编者按
创新是引领发展的第一动力，科技是战胜困难的有力武器。2022年，世界百年未有之大变局加速演进，新一轮科技革命和产业变革深入发展，科技创新不断为全人类赋能、为共同发展助力。在核能的科技创新方面，美国在核聚变实验中取得重大突破，带动了全球对核能创新的热潮，各核能主要大国也都取得了一些重要的创新成就，无论是在先进反应堆、核聚变中，还是在国防科技、核科技应用、先进技术耦合发展中，全球核能科技界始终保持着推动完善全球科技治理的初心，让科技成果为更多人所及所享，推动实现更加强劲、绿色、健康的全球发展。本文对全球主要国家的重大核能科技创新成果进行回顾，为我国2023年度的核能科技创新提供一些合作思路。
俄罗斯 Russia
陷入地缘政治旋涡中的艰难创新
自2022年2月俄乌事件开始以来，俄罗斯就深陷战争与国际纠纷，关于俄罗斯各方面实力是否衰退的问题在世界范围内展开了激烈的讨论。在这一年内，尽管俄罗斯的注意力主要放在军事战备上，但在核科技方面，俄罗斯的身影却未曾在世界舞台上消失。
在核能创新方面，俄罗斯国家原子能公司(Rosatom)表示，俄罗斯开始测试小型堆(SMR)燃料棒。位于波多利斯克市的卢奇科学生产协会(Luch Scientific Production Association)提供了一批经过多次改进的铀-铌燃料元件样品，用于在季米特洛夫格勒市反应堆研究所(NIIAR)进行测试。卢奇科学生产协会最新开发的燃料元件，将用于Shelf-M小型堆项目。该协会首次将Block技术用于铀-铌燃料棒燃料芯块生产，免除了燃料部件挤压工序，从而节省了生产时间。该技术已获得专利。目前卢奇科学生产协会正计划对铀-铌燃料棒模型进行热试。
俄罗斯小型堆试验性核燃料组件
2022年中旬，俄罗斯库尔斯克核电厂3号机组中已装入首根配有额外钴吸收体(SDPK)的棒，未来将生产钴-60。这座RBMK反应堆将装载27根SDPK棒，并将不断监测中子物理特性。这项工作是在俄罗斯原子能工业公司(Rosenergoatom)“RBMK型反应堆钴-60生产组织”项目下进行的。俄罗斯原子能工业公司将利用核电反应堆的独特能力，生产可用于医学、农业等行业的放射源。
库尔斯克核电厂机组反应堆容器
在核科技应用创新方面，俄罗斯科学院西伯利亚分院布德克核物理研究所和新西伯利亚国立大学的科研人员利用硼中子捕获疗法治愈了一组猫和狗的癌症，首次实现了利用加速器中子源治愈患有癌症的动物。并且中国也开始借助俄罗斯制造的加速器中子源治疗癌症。这项世界上首次关于中子对中大型哺乳动物的治疗效果的研究是向人类临床试验迈出的重要一步。
俄罗斯科学院西伯利亚分院布德克核物理研究所实验现场
在国防科技创新方面，俄罗斯首次接收了在塞维那工厂生产的09852型“别尔哥罗德”号核潜艇，将成为波塞冬无人潜航器的载体。该艇长184米，满载排水量23760吨，安装2台核动力反应堆，水下最大航速32节，装备6枚“波塞冬”核鱼雷和携带特种情报作战系统，可以攻击敌方水下通信网络，还可向深海运送无人潜航器和核动力深海工作站，执行研究勘探和侦察作战任务，实战部署后成为“军民两用”、“核常兼备”的重要战略威慑力量。
“别尔哥罗德”号核潜艇
此外，俄罗斯“军火库”设计局(Arsenal)文件显示，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，已经具备太空作战能力。尽管只有寥寥数语，但是在太空军事化日益严峻的当下，该则消息再次引起了各界对于俄罗斯“宙斯”核动力太空项目的关注。其中，作为项目核心的“兆瓦级核能动力装置”，其研制工作由俄罗斯凯尔迪什研究中心牵头，据称“军火库”设计局建议的在未来俄罗斯火星基地建造的核电站也使用该反应堆。
“宙斯”核动力太空项目概念图
美国 The US
核聚变取得历史性突破，核能相关创新齐头并进
2022年，美国的创新活动依旧走在引领时代发展的道路上，构建了国防科技和国家科技“两翼齐飞”的新局面，尤其在先进能源领域，特别是聚变领域取得了重大突破。
在先进能源方面，劳伦斯利弗莫尔国家实验室在2022年度开展的核聚变实验中，“国家点火设施”向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，首次实现净能量增益。本次试验采用的惯性约束核聚变是实现可控核聚变的两大主流方案之一，该技术利用激光的冲击波使得通常包含氘和氚的燃料球达到极高的温度和压力，来引发核聚变反应。美国本次的重大科学突破，将为其国防及清洁能源未来发展奠定扎实的基础。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的国家点火设施
美国X能源公司(X-energy)于2022年11月完成了小型高温气冷堆Xe-100的基础设计，并在橡树岭国家实验室(ORNL)的中试规模设施中利用天然铀，制造了首批三元结构各向同性核燃料(TRISO)颗粒。X-energy计划2023年向美国核管理委员会(NRC)提交专题报告，为其示范项目选择场地，并于当年年底提交示范项目的施工许可申请。
三元结构各向同性核燃料(TRISO)颗粒
美国比弗谷核电站大修成功也是核工业科技创新的典范工程。在2022年度这次大修中，比弗谷核电团队首次使用了西屋双子座机器人检查系统，用于封头检查。双子座系统使用两个独立的关节机械臂，可以通过视觉、超声波和涡流检查。其设计用于通过机头架上的人员进出口进行安装和拆卸，从而减少了安装或拆卸设备时拆卸机头的需要。
双子座机器人检查系统
在国防科技创新方面，美国宣布哥伦比亚级战略核潜艇于2022年正式通过研发测试，转入制造阶段，这是美国的第五代弹道导弹核潜艇，将是美国海军有史以来建造的最大潜艇预计2027年完成制造。哥伦比亚级战略核潜艇最显著的特点在于其搭载的核反应堆寿命与潜艇全寿命周期基本相同，无需进船坞更换核燃料，还可以显著提高潜艇在航率，相当于减少了潜艇需求数量。此外该潜艇可能搭载高超音速武器，同时具备核和常规的进攻性战略打击能力，极具威慑力。
哥伦比亚级战略核潜艇战术导弹舱
美国国防部高级研究计划局(DARPA)宣布，为其热核动力航天器演示计划第二、第三阶段征集提案。该计划名为“敏捷双月演示火箭”(DRACO)，旨在设计、开发和组装一台热核火箭发动机，以便2026年前在地球轨道上开展飞行演示，帮助监测地月空间，美国军方认为这是一个高度优先的战略领域。该项目旨在开发一种用于地月空间的热核推进系统，使用核裂变反应堆工作。与电力推进系统相比，其热核推进系统的推力重量比高约10000倍。
美国热核推进试验场
在核科技应用创新方面，美国辛辛那提大学首次尝试了临床FLASH放疗和首次FLASH质子治疗。这也是全球首个“超级质子治疗”的临床试验。FLASH 疗法是一种实验性的治疗方式，原理是在不到一秒的时间内以超高剂量率提供放射疗法，比传统放射疗法的速度快了100 倍。能达到一次照射摧毁所有癌细胞，而正常细胞无损害的效果。质子提供的超高剂量率辐射，还能治疗位于身体深处的肿瘤。可以说是放射性疗法发展的新方向。
临床FLASH放疗示意图
法国 France
核科技创新相对疲软，但后劲依旧充沛
2022年，法国国内问题频出，加上政府换届、能源危机、新冠疫情等一系列重大事件，导致科技创新整体节奏放缓，在核能科技创新方面，成果虽少但依旧具有亮点。
在核能创新方面，2022年，法国电力公司(EDF)宣布，其NUWARD模块化小堆设计将成为试点案例，并作为测试案例提供给欧洲多国核监管机构联合评审监管审查。这次评审由法国核安全局(ASN)牵头，捷克国家核安全办公室(SUJB)和芬兰辐射与核安全局(STUK)参与。通过这一行动，法电确认了其在促进欧洲国家合作，支持加速国际模块化小堆取证，进而推进小堆法规协调方面的领先地位。
NUWARD模块化小堆设计模型
此外，在核能制氢方面，2022年底，法国政府宣布“已保证2吉瓦电解水制氢设备”投入使用，并重申发展绿氢是工业脱碳的支点之一。这对于法国氢能战略路线图的实现确实是个不小的进步。与之匹配的是，为了更好进行氢能应用，法国也同步开展了创新技术氢动力汽车、氢动力替代柴油机车、氢能载客列车的研发。
法国的一座核能制氢工厂
在国防科技创新方面，2022年，法国海军“梭子鱼”级攻击型核潜艇首艇在法国布雷斯特军港正式加入海军作战序列。“梭子鱼”级攻击型核潜艇是法国海军第二代多用途攻击型核潜艇，是法国海军未来最为重要的水下作战力量。该潜艇采用泵动喷射推进方式，水下噪音仅110分贝，核动力装置在K15压水式核反应堆的基础上实施改进，总功率超过24500马力。K-15压水型核反应堆与美国核潜艇上的反应堆则有很大不同：它以低浓度的铀作为燃料用在反应堆中，铀浓度只有7-20%，而美国核潜艇使用的反应堆中的铀浓度高达95%。
“梭子鱼”级攻击型核潜艇
英国 The UK
国内虽然遇到诸多问题，但科技创新动力强劲
在经历了包括脱欧、疫情以后，英国的创新生态系统在2022年显示出了强劲的反弹力，虽然经历了三位首相换届的窘境，也遇到了能源危机等诸多问题，但依旧位列全球创新生态排名第二。其中金融科技成为了英国科技投资最强劲的行业。此外，利用技术来解决包括气候变化在内的挑战的科技公司，也继续增长并扩大规模。
在核能创新方面，英国牛津大学成功开发出一种高速射弹引发核聚变的技术，使核聚变的现实路径又多了一种选择。牛津大学开发的技术不使用复杂而昂贵的激光或磁铁，而是使用高速弹丸。目前英国相关专家普遍认为，射弹核聚变有可能是实现商业上可行的核聚变发电的最快途径，因为它比传统方法更简单、更节能、更便宜。
用于发射高速射弹的大型两级超高速气枪
在开发独有核聚变技术的同时，英国牛津大学也积极参与ITER计划的相关任务，并成功研发了一款用于维修核聚变电站反应堆的原型机器蛇，2022年度首次测试取得了成功。该机器蛇可以用激光来切割旧管道，并将新管道焊接到位，使反应堆能保持长期正常运作。
正在测试的机器蛇
在核动力基础技术研究方面，英国国家核实验室(NNL)已经证明，镅可以从民用发电厂使用的再加工核燃料中提取，并制成燃料球，形成电池的核心。并且，英国国家核实验室(NNL)于2022年中旬利用镅元素进行发电的实验首次获得成功。英国航天局称，这种方法为未来航天器太空飞行和探索宇宙提供了能源供应的新途径，使用这种供电方式为太空飞行器提供能源，可以支持其执行太空任务长达400年。
欧洲航天局希望阿尔戈登月任务使用镅元素的电池供电(构想图)
此外，2022年，英国国家核实验室(NNL)在放射性同位素铅-212生产方面取得突破性进展。英国国家核实验室(NNL)下属的普雷斯顿实验室研发了英国第一种国产铅-212的生产工艺，即能够通过对核材料进行复杂的化学分离和纯化来生产铅-212。目前，国家实验室正在就铅-212的质量保证和规模生产等问题开展进一步研究。铅-212是一种重要的医用放射性同位素，可用于靶向治疗，在破坏癌细胞的同时最大限度的减少对身体其他健康部位的损害。鉴于生产难度较大，铅-212的全球供应长期以来处于短缺状态。
普雷斯顿实验室研发现场
在核能商业化创新方面，英国芯动力科技公司(Core Power)首次展示了一个针对集装箱船领域的核电推进系统(NEPS)。该演示表明，考虑到目前的燃料价格和碳税，装有单个熔盐反应堆的14kTEU船舶的总生命周期成本可降低为传统推进能力船舶的一半。该技术带来的优势是，它不受燃料价格波动的影响，也能够通过更快的航行提高船舶效率，并产生零排放。在全球扩大绿能的背景下，核电推进正在引起业界的更多兴趣，而这被认为是航运业去碳化的关键。
Core Power公司用于海洋运输和重工业的可扩展原子动力技术演示图
韩国 South Korea
伴随核能政策转向，科技创新厚积薄发
2022年，韩国政府进行了换届，对于核能的态度发生了巨大转变，也因此鼓励和促进了该国核能科技创新的进程。
在核能创新方面，蔚山市政府宣布正式开启“核电站解体核心技术”研发工作，其申请的“放射性污染罐放射性物质消减及拆解技术开发”课题成功当选为中央政府产业通商资源部支持项目，将获得高达26亿韩元的财政补助。蔚山市政府称，该课题有望在2023年完成，技术研发成功后可用于同时拆解30座以上的放射性污染罐，创造60亿韩元的市场价值。
新韩蔚核电站
韩国原子能研究院(KAERI)新研究堆项目组2022年正式发表了关于KIJANG研究堆(KJRR)的最新进展报告。KJRR是一座热功率为15 MWt的开槽型池式研究堆，计划2027年首次临界，旨在利用低浓铀生产和供应钼-99等重要医用放射性同位素。KJRR是一座热功率为15 MWt的开槽型池式研究堆，于2012年启动，计划2027年首次临界，旨在生产和供应钼-99等重要的医用放射性同位素，并通过中子嬗变掺杂(NTD)生产半导体。
注：①反应堆厂房;②公用事业大楼;③裂变钼生产设施(FMPF)大楼;④放射性同位素生产设施(RIPF)大楼;⑤放射性废物处理设施(RWTF)大楼
KJRR场址鸟瞰图
在智能工厂方面，韩国电子通信研究院(ETRI)在2022年度向国内外成功展示了同时实时控制和监视智能工厂设施和机器人的“工业物联网(iot)服务”。这种智能工厂技术的核心是在整个制造过程中应用信息通信技术(ICT)，远程控制各种流程，同时使用机器人实现任务自动化。在韩国重启核电后，该类技术将应用于韩国新建的核电站中。
工业物联网(iot)服务演示
韩国原子能研究所(KAERI)、韩华电力系统公司(Hanwha Power Systems Co, Ltd)、现代工程公司(Hyundai Engineering Co, Ltd,)、庆尚北道(Gyeongsangbuk-do)和庆州市(Gyeongju)签署超临界二氧化碳发电技术商业化协议。各方计划通过该协议建成并示范一座测试和示范设施，并为基于小型堆(SMR)的发电系统开发超临界二氧化碳发电技术。超临界二氧化碳温度高达700℃，有可能被用于布雷顿循环。在将发电厂的热量转化为能源方面，布雷顿循环有可能比当今火电厂使用的传统的基于蒸汽的朗肯循环更有效。
韩国各创新企业签署超临界二氧化碳发电技术商业化协议
在核动力创新方面，由于韩国的核能政策转向，因此韩国三星重工加大了与韩国原子能研究所(KAERI)合作开发的熔盐反应堆投入力度。三星重工表示，这项核能开发技术还可以与三星集团在氨动力、氢动力的先进研究开发计划相辅相成，有望成为未来航运、航空业的替代型低碳能源。
三星船厂实景
加拿大 Canada
始终保持低调的科技创新发展势头
2022年，加拿大实现了后疫情时代的经济重新开放，并继续保持着低调的科技大国气质，在核能科技创新方面，不声不响的取得了一些重要成果。
在核能创新方面，日立核能(GEH)的加拿大子公司与萨斯喀彻温省工业和采矿供应商协会(SIMSA)之间达成合作协议，推动了BWRX-300小型模块化反应堆(SMR)在加拿大萨斯喀彻温省的潜在部署行动。BWRX-300是一个约300MWe的水冷自然循环小型模块化反应堆(SMR)，带有非能动安全系统，代表了自1955年以来最具创新性的沸水反应堆设计。
BWRX-300小型模块化反应堆部署鸟瞰图
加拿大Prodigy清洁能源公司与美国NuScale电力公司一直在合作开发具有竞争力的海上核电技术。2022年度，两家公司已联合公开一款基于小型堆(SMR)技术的海上核电厂概念设计，该电厂可以为全球沿海地区输送安全、经济、可靠的电力。该海上核电厂能够装备1-12个NuScale小型堆模块。国际原子能机构(IAEA)在关于小型堆开发报告中称，未来浮动式小型堆电厂的趋势愈加明显，这种完全能够进行工厂化制造的设计可为偏远地区提供即插即用式的电力和热能。
加美合作的海上浮动概念堆
加拿大先进反应堆概念公司(ARC)与加拿大核实验室(CNL)进行合作，研发了ARC-100模块化小堆燃料制造工艺。通过加拿大核研究基金(CNRI)提供的资金，核实验室将为ARC公司提供核燃料制造方面的专业知识，利用乔克河(Chalk River)实验室的先进研究设施，开发用于ARC技术的原型燃料细棒生产线。核实验室还将为开发“加拿大制造”生产线提供一套合格的程序。ARC公司计划于2029年底前在新不伦瑞克省莱普罗角建成一座10万千瓦钠冷快堆ARC-100，使用金属燃料，换料周期为20年。
10万千瓦钠冷快堆ARC-100概念图
在聚变领域，加拿大也不甘落后。加拿大国家核实验室(CNL)和与商业核聚变开发商General Fusion于2022年开展了一系列联合项目，以加速在加拿大部署商业核聚变动力。双方共同利用核实验室(CNL)先进的氚设施来开发提取氚的技术，以用于未来的聚变电站。
通用核聚变设施
此外，加拿大达灵顿核电厂2号机组钼-99靶输送系统已正式实现系统通电，使部分已安装的系统能够进行初步测试。这标志着利用达灵顿核电机组开展钼-99生产取得了重要进展。达灵顿核电厂4座反应堆均为加压重水堆，能够在不停堆的情况下插入和取出钼靶，可以保障钼-99的稳定供应。相对于需要使用高浓铀靶的传统钼-99生产技术，这一新技术消除了扩散风险。
加拿大达灵顿核电厂
其他国家 Other Countries
2022年，除了主要核能国家，还有一些国家也在努力发展核能技术创新，以期在未来的能源竞争中占据一席之地。
印度
2022年，印度第一座用钍作燃料的核能反应堆——先进重水反应堆(AHWR)已经设计完成。理论上，钍反应堆技术的第一步是利用传统的铀燃料反应堆产生的副产品钚。然后，将生成的钚投入快中子增殖反应堆中，与更多铀进行反应，产生更多的钚。这一步骤的目的是为了得到更多中子，中子达到一定数目后，就能够轰击钍，让钍裂变为铀-233。钍反应的最后一个步骤是把铀-233投入钍中。随后，热中子增殖堆便立即启动了，以后只需添加钍矿，核反应堆就能一直维持正常工作状态。不过目前AHWR更多的是为燃料转换循环提供实践经验，并示范其安全性。设计完成并不代表钍核能计划已迈入第三阶段，离实际应用还有很长的距离要走。
孟加拉海湾附近的先进重水反应堆(AHWR)现场
德国
德国：位于德国东北部城市格赖夫斯瓦尔德的大型核聚变装置仿星器文德尔施泰因7—X(Wendelstein 7—X)在2022年中旬开启了连续运转试验，并在高温下创造产生了高温等离子体等“聚变产物”。仿星器是以磁场约束核聚变等离子体，稳定运行提供动力的实验装置。目前，世界核聚变实验主要应用的是托卡马克(tokamak)磁约束技术路线，而仿星器则是另一种在研的磁约束技术路线。
仿星器文德尔施泰因7—X装置
瑞典
2022年，瑞典公司LeadCold与荷兰核能公司NGR宣部合作开展小型模块化铅冷快堆设计。其中瑞典公司LeadCold承担堆型设计，安全分析则由两家公司分别独立开展。瑞典公司LeadCold打算为反应堆建造一个电热模型，用来验证荷兰核能公司NGR提供的先进三维模拟技术。与此同时，瑞典公司LeadCold公司还宣布与本国皇家技术研究所合作研发四代核电所需要的特种钢铁材料。着力开发定制符合铅冷堆“SEALER(Swedish Advanced Lead Reactor) ”所需的特种钢铁材料。
小型模块化铅冷快堆概念图
日本
2022年，日本京都聚变工程公司(Kyoto Fusioneering)完成了聚变电厂设备综合测试设施的初步设计，该设施名为“独特的综合测试设施”(UNITY)，是世界上建设的首座此类设施。UNITY将通过工程模拟聚变动力核心内的热和电磁环境，在不使用核反应的情况下对聚变发电厂中的一套能量转换设备进行集成测试，此外，UNITY还配备了氚回收系统、测试毯模块、液态金属和熔盐的主要冷却回路、热交换器等，可以模拟等离子加热、等离子排气、氢氚泵和聚变燃料循环演示等。分析来看，UNITY是全球首个将聚变反应堆技术作为一个综合性系统进行测试的设施，具有开创性设计，可在一个设施中测试聚变电厂所需多个系统。这种先进的测试平台将吸引聚变领域公司和人才，并帮助他们集中资源开发聚变核心技术，对聚变技术发展有积极意义。
UNITY设施外场
比利时
比利时核能研究中心(SCK-CEN)和国家放射性元素研究所(IRE)宣布了扩大镥-177生产的计划。这种放射性同位素在治疗前列腺癌等方面前景广阔。在过去的两年里，比利时核能研究中心为充分改进创新的纯镥-177生产方法，做了大量研发工作。现在，该中心已准备好将研究成果应用于一条大规模生产线。
镥-177生产与试验
捷克
2022年，捷克理工大学(CTU)核科学与物理工程学院(FNSPE)VR-2研究堆建设项目获得了捷克国家核安全办公室(SúJB)的批准。核科学与物理工程学院2014年启动了VR-2研究堆项目，2020年获得了反应堆选址许可。VR-2研究堆将处于次临界状态，运行只能通过外部中子源来实现。一旦外部中子源停用，裂变就会停止。这种方式使反应堆设计和建设更加简单。VR-2研究堆将主要用于核工程专业的教学。此外，它还将用于开展研究性实验。
VR-2研究堆示意图
