隨著世界人口的增長和經濟發展，總體能源需求仍在不斷增加，另一方面由于相關節能增效的技術、政策與文化不斷推廣應用，世界能源總體需求預期將以每年1.2%的速度平穩增加，如果維持現有政策，未來20-30年的年平均增速預計在1.5%。
核能在世界能源結構中占有一席之地，作為一種穩定的大型基荷低碳能源，對于降低溫室氣體，控制氣候變化，保證能源供應具有重要的作用。核電對于世界能源供應和應對氣候變化的貢獻和重要性已經達成廣泛共識。在美國，核電保證了接近六成的低碳能源供應。當前世界能源結構隨能源需求增長而持續多樣化。世界能源繼續朝著低碳方向轉型，能源結構呈多元化態勢，可再生能源增長很快，不同形式的能源之間競爭日益激烈。
積極應對氣候變化，是中國實現可持續發展的內在要求，也是深度參與全球治理、打造人類命運共同體，推動全人類共同發展的責任擔當。黨的十九大提出，要推進綠色發展，建立綠色低碳循環發展的經濟體系，壯大清潔能源產業。推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系。我國能源發展形勢與世界總體形勢是相符合的。其中，核能是推進綠色發展、建設美麗中國的重要能源選擇。在福島事故后核電發展形勢在發生深刻變化。受其影響，全球核電發展明顯放緩，目前仍處于低潮期，美國新建核電項目長期停滯不前，歐洲、日韓等提出逐步消減核電計劃，原來核電占比領先的美洲和歐洲正在逐漸降低核電比例，亞洲、尤其是中國成為新建核電的引領者。原來的核電巨頭陸續遭遇困境，有的甚至破產重組，核能工業界格局在重新洗牌。
而另一方面，以多功能小型化反應堆、四代反應堆、先進核燃料等為代表的先進核能研發工作不斷深入并取得實質性進展，創新技術不斷涌現。二代核電建設基本退出歷史舞臺，三代核電已成為主流，四代反應堆、小型堆等技術格局、預期市場空間、機遇挑戰等都在發生復雜而深刻的變化。我國受世界環境影響，核能發展具有當前全球形勢的普遍性。同時，由于我國核工業的具體情況，國內核能發展也具有自身的特殊性。因此，深入分析和理解國內外核能行業面臨的變革與挑戰，研究分析核能發展形勢和未來方向，對建設世界一流的能源企業、打造核心競爭力具有積極意義。
全球核能發展形勢分析
1.全球核電總體情況及發展形勢分析
2017年，全球共有448座在運核電反應堆，總裝機容量為392 GWe，較2016年增加約1.2 GWe，當年有4個新機組上網發電，同時有5個機組被關停。可以看出，總裝機容量的增加是由于新機組的平均單機容量高于關停機組，而非機組數量的增加。2017年IEA的數據顯示，全球核電發電量占總發電量11%，美國為19%，中國為3.9%。到2018年11月，全球在建核電站54個，總容量約58GWe，其中當年新開工建設4個機組，分別在土耳其、孟加拉、俄羅斯和韓國。隨著田灣四號機組于2018年10月底并網，全球核電發電容量首次超過了400GWe。
當前世界能源結構隨能源需求增長而持續多樣化。世界能源繼續朝著低碳方向轉型，能源結構呈多元化態勢，可再生能源增長很快，充足的能源供應加上能源效率的不斷提升，能源之間競爭日益激烈。在總體能源發展背景下，對核電發展總體形勢進行分析，可以得到一下幾點認識。
（1）核電低碳能源的性質與貢獻毋庸置疑
圖1給出了各種發電技術壽命周期內的溫室氣體排放情況，其中圖中的彩色條帶分別表示排放的下限、平均值和上限。從中可以明顯的看出，核電壽命周期內的溫室氣體排放和水電相當，相對其他的發電技術是非常低的。另外，從圖中可以看出，在溫室氣體排放相對較低的幾種發電技術中，光伏和風電還屬于不可調度電能。
圖2給出了從1970年以來全球發電所排放的CO2實際總量以及三種低碳能源所避免的CO2排放量。從圖中可以看出，從上世紀70年代以來，電力生產所產生的CO2排放量隨著電力供應的增加而上升，水電所避免的CO2排放作用明顯。由于上世紀70和80年代大規模的核電建設和投產，導致從80年代后期，核能所避免的CO2排放量明顯上升且由于新建機組大幅減少而一直維持在可觀水平，再次說明了核電對于工業發展后期全球溫室氣體排放和目前的水平消減做出了很大的貢獻。2017年在美國，56%的零碳排放的能源由其核能供應，在新澤西州，97%的清潔能源來源于核能。
圖 2 全球發電所產生的CO2排放量以及低碳能源所避免的CO2排放量對比
（2）核電增長乏力，發展處于低潮
盡管各個國家情況不盡相同，但目前世界核電發展總體處于低潮期，發展速度明顯放緩，普遍受到政治、經濟、福島事故后公眾接受度、科技發展程度等等因素的限制。圖 3為1970～2017年世界核電生產能力，可見總體核發電量不及歷史最高水平，不同地域的變化趨勢仍基本維持：1）亞洲、東歐及俄羅斯保持增長；2）西歐和中歐保持下降；3）美國的核能發電量基本維持，且處于下降邊緣；4）南美洲和非洲的核能發電量有所下降。
圖 3 1970-2017年核電產能
亞洲的容量增加的主導因素在兩個人口大國：中國和印度。中東阿聯酋表現積極，東歐的一些國家，如保加利亞等正在嘗試發展核電，但由于這些地域人口少，發展規模十分有限。福島事故后，受到政治、公眾態度、經濟等問題的影響，大部分地區的核電基本都處在下降通道。尤其是傳統核電大國，美、法、德、日、韓都不同程度的減低核電容量比例。而本來要積極發展核電的南非也宣布取消原有核電發展計劃。
（3）核電面臨的主要問題
造成核電發展困局的原因是多方面的，除了政治、經濟、地區科技及工業發展水平等主要因素影響外，對于核能發展所面臨的主要問題和挑戰在當前核電工業界和學術界已有較為統一的認識[[iv]]，對主要觀點進行總結，主要包括：1）核電站安全性、尤其是福島事故后公眾對于核電安全性的擔憂增加；2）核電成本高、經濟性不佳；3）來自經濟性良好的天然氣、競爭力不斷增加的可再生能源以及新能源技術所產生的沖擊；4）乏燃料與放射性廢物的處置問題；5）在核電要實行更嚴格的安全監管、新堆型安全評審等方面，各國政府監管上也存在不確定性。
（4）不少二代機組面臨退役，新建機組已全面采用三代核電技術
通過調研可以發現，不少二代核電機組面臨退役，目前全球在建大型商用核電機組主要包括，AP1000、EPR、VVER系列中的三代機型和APR1400等，都屬于三代核電技術。二代技術已經退出歷史舞臺。
2.核能技術發展形勢分析
盡管核電面臨重要問題和挑戰，發展乏力，但由于核能的高科技屬性，對國家戰略具有重要支撐作用，因此相關核能技術的研發與創新，不論是在傳統核能技術強國，還是新興核能技術國家，都在緊鑼密鼓的開展。通過調研情況可以看出，這些技術研發工作對解決當前核電所面臨的主要問題也具有很好的針對性。
（1） 重視拓展核能的非電應用
圖 4 不同反應堆溫度及不同工藝熱應用溫度范圍
盡管核電發展受限，在核能的非電力應用方面越來越受到重視，相關技術研發正在開展。如果在能量密集型生產領域引用核能技術將大大降低溫室氣體的排放。這些生產領域往往同時需要電力和工藝熱，而核能技術可以很好的滿足這些要求。目前主要的核電機組能夠提供的熱量溫度大約在300攝氏度，隨著核能技術開發，涌現的小型反應堆和先進四代堆技術能夠供應更高溫度的熱量。核能非電領域的應用可以涵蓋海水淡化，制氫，原油開采，石油化工，船舶運輸，甚至是太空應用。各種反應堆能夠提供熱能的溫度范圍和相關工藝熱應用溫度范圍如所示。可以看出，區域供暖和海水淡化這些與民生息息相關的領域所需溫度低于現有核電機組，因此從理論上講完全沒有技術障礙。對于中等溫度的應用，如原油加工、直降生產等，小型堆和四代堆都可以滿足，對于更高溫度的應用，如制氫、鋼鐵制造、水泥加工等，具有較高溫度的四代堆，如高溫氣冷堆、熔鹽堆等完全能夠滿足。
（2） 重視核能與多種形式能源的深度融合
自2015年巴黎氣候變化協議之后，人們越來越關注可行的，具有經濟競爭力的清潔能源綜合解決方案。與傳統化石燃料相比，核能和可再生能源相結合的混合能源系統可以顯著減少溫室氣體（GHG）排放，這種整合還將促進海水淡化，氫氣生產，區域供熱，冷卻和其他工業應用的熱電聯產。為了促進整合技術落地，還需進一步開展技術研發，采取適當的政策和市場激勵措施。
低碳能源的兩個主要選擇是核能和可再生能源，許多國家在其國家能源結構中擁有這些能源，目前已有部分國家開始探索它們之間耦合協同方式。核可再生混合能源系統是由核反應堆，可再生能源發電和工業過程組成的綜合設施，可同時滿足電網靈活性，溫室氣體減排和投資資本的最佳利用需求。
核電目前基本是基荷運行，而風能和太陽能等可再生能源則是間歇性的。如果核電采用負荷跟蹤模式，可以提高可再生能源的效率。剛剛在2018年10月，IAEA組織來自15個成員國的24位專家深入討論了關于協調使用核能和可再生能源的創新概念和研究。目前，美國的Idaho國家實驗室、MIT、EPRI都在進行相關研究，在Idaho國家實驗室，還將搭建核能-可再生能源系統試驗平臺（Detail）。
（3）小型化反應堆技術開發應用成為新趨勢
針對大型商用核電站成本高建設周期長等問題，小型化反應堆在各方面相對靈活，小型模塊化反應堆除了具有傳統反應堆單一的發電功能以外，還有其他工業用途，主要為熱電聯產、工業供熱和海水淡化等。市場優勢在于其固有的高安全性和高效率的熱、電聯產能力，同時具有經濟性，能夠滿足不同用戶的需要。除了可以為城市供電外，還可以熱電聯產、提供海上及海島核動力、空間核動力等。很多國家都在致力開發小型化反應堆，成為核能發展及應用的一個新趨勢。當前世界上很多國家都開發了具有各自特色的小型反應堆，其中以壓水堆為主，大都借鑒了成熟的技術積累，最近開發的小型堆都具有三代以上的安全特性。
美國、中國、俄羅斯、法國、日本、韓國和阿根廷等國均提出了獨立的小型輕水堆設計方案，絕大部分處于設計或評審階段，俄羅斯部分堆型已進入建造或運行階段。在北美，很多私人投資的小企業，主導了先進核能研發，Third Way的最新調研顯示總共有56個公司在開發各式各樣的先進反應堆。美國NUSCALE堆型獲得NRC許可，得到一個由西部6個州的市政電力公司組成的聯合企業的支持，在愛達荷州開始建設12個50MW的小型模塊化反應堆，希望在2026年建成；阿根廷的CAREM-25原型堆正在建造；俄羅斯基于KLT-40S小堆的浮動核電站已于2017年完成建設，目前已經完成臨界運行，預計2019年投入使用。
（4） 四代堆研發積極穩步推進
上世紀80年代各國提出了許多新概念的反應堆設計和核燃料循環方案。在美國能源部的倡議下，10個國家（美國、英國、瑞士、南非、日本、法國、加拿大，巴西、韓國和阿根廷）派專家組成了“第四代核能系統論壇”（Generation IV Nuclear Energy International Forum，簡稱GIF），中國也于2006年加入了GIF，目前GIF共有13個國家參與。GIF選定的六個候選堆型，分別是超臨界水冷堆，超高溫氣冷堆，熔鹽堆，鈉冷快堆，鉛冷快堆和氣冷快堆。目標是要在2030年開發出新一代核能系統，使其在安全性、經濟性、可持續發展性、防核擴散、防恐怖襲擊等方面都具有顯著的先進性和競爭能力。
目前，部分四代堆前期示范堆都取得了實質性進展，包括中國的鈉冷快堆和高溫氣冷堆，都視為是四代堆的前期示范項目，為開發真正意義上的四代堆提供了很好的研發示范基礎和經驗。
（5） 關鍵共性支撐技術研究不斷深入
在核能關鍵共性支撐技術領域，針對反應堆安全、嚴重事故預防和緩解、先進燃料與材料研發、核燃料循環及乏燃料處置等方面的研究不斷深入，這些研究對于核能應用及安全監管進步具有重要的作用。
在反應堆安全方面，反應堆安全分析程序及相關實驗驗證廣泛開展，目前美、德、法、韓以及中國等國都開發了自己的安全分析程序，如RELAP、COBRA、ATHLET、TRACE、MARS、COSINE等等，安全分析程序的開發、試驗驗證、應用及改進都取得了進展。另外，在對局部重要熱工水力現象的研究方面，隨著CFD技術進步，其應用日益增強，將發揮越來越重要的作用。
福島事故之后，嚴重事故預防和緩解領域不斷進行深入研究。包括對堆芯熔融物及熔池行為、氫氣爆炸、熔融物與混凝土反應、蒸汽爆炸等的試驗及模擬，相關非能動安全系統可靠性研究，嚴重事故緩解改進措施等。同時，核安全監管對于超設計基準事故和拓展事故工況在福島事故后也有了越來越多的強制性要求。
對于先進事故容錯燃料（ATF）的研發也取得了實質進展。美國DOE設立了ATF研發計劃，并在2018年10月資助GE研發中心牽頭，聯合阿拉莫斯、橡樹嶺、愛德華國家實驗室，開發ATF燃料，提高對事故條件下極高溫度的抵抗力，保持燃料完整性。總部位于美國的全球核燃料公司（GNF）已制造ATF測試組件，裝入南方核電運行公司的兩臺Hatch核電站進行先導測試。法國的Framatome公司已與美國公用事業公司Entergy公司簽訂合同，在2019年秋季向阿肯色州核一核工廠的1號機組使用鍍鉻涂層的先導燃料組件。
國內核能發展形勢分析
1.當前主要情況
由于中國是能源消費大國，目前核電發電量占全國總發電量的4.16%。2015年統計結果表明全世界核能占總體能源消費4.4%，我國為1.3%，不僅距離核能發達國家，距離世界平均水平也存在很大差距。
到2018年11月，我國投入商業運行的核電機組共45臺，裝機容量達到 42,976MWe（額定裝機容量）。到2018年11月，我國在建核電13臺，總容量12,841MWe，位居世界第一。在建、在運機組總數和容量世界第三，僅次于美國和法國。按照中國核電中長期發展規劃目標，到2020年，中國大陸運行核電裝機容量將達到5800萬千瓦，在建3000萬千瓦左右。福島事故后，國內核電建設暫緩，僅最高在2015年批復開工了8臺核電機組的建設，之后一直在嚴格控制啟動速度。
在我國電力工程單位造價方面，目前核電最高，超過1.6萬元/千瓦，和海上風電相當，燃煤發電3.5千元/千瓦左右，水電工程單位造價平均約為1.1萬元/千瓦；陸上風電為7.7千元/千瓦，集中式光伏約7千元/千瓦，分布式光伏約為6.6千元/千瓦。相對于其他能源造價，核電的造價還是處于高位。
核電技術總體上與世界先進水平保持同步。三代核電技術研發和應用走在世界前列，四代核電技術、模塊化小型堆、海洋核動力平臺、先進核燃料與循環技術取得突破，可控核聚變技術得到持續發展。
2.政策文件主要指導內容梳理
通過梳理《能源發展十三五規劃》、《國家能源技術革命創新行動計劃》、《能源技術創新“十三五”規劃》以及國家能源局印發《2018年能源工作指導意見》中相關核電及核能技術發展的內容，可以初步總結一下幾點。
1. 堅持安全高效發展核電，堅持核電中長期發展規劃，堆型逐步向自主三代主力堆型集中，深入實施CAP1400和高溫氣冷堆核電重大科技專項。
2. 積極開發新一代反應堆，包括四代堆和小型堆，要推進相關示范工程建設。其中《國家能源技術革命創新行動計劃》特別提出積極研究推動北方地區核能供暖試點工作。
3. 在先進燃料、自主化燃料開發、嚴重事故緩解等共性支撐技術等方面繼續推動深入研究。
4. 發展乏燃料后處理自主技術，構建先進核燃料循環系統。
5. 探索研發可控核聚變技術。
3.發展形勢及特點分析
國內核能發展形勢既具有世界總體發展形勢的普遍性，也具有自身特點。
（1）國內核電發展目前同樣處于低潮，但長期來看仍有發展空間
盡管中國位于世界在建機組數量首位，但是相對于我國目前核電占比和世界平均水平差距而言，尤其在福島事故后，我國核準速度已經大大放緩，遠遠未達到每年6-8臺的預期目標。除了普遍性原因影響之外，還要考慮我國目前電力過剩的影響。
但是，對比世界各國人均用電量，我國人均年用電量不足4000千瓦時，約是日本的1/2、美國的1/3，中國人均生活用電量仍處于發展中階段。國內目前人均用電量低說明當前電力產能過剩是相對過剩。未來我國要在 2020年全面建成小康社會，2035年基本實現現代化，到本世紀中葉全面建成現代化強國，人均用電量定會翻倍增加，同時中國在控制全球氣候變化方面肩負重要責任，因此，從我國現代化建設和長期發展來看，核電仍會發展。
（2）在大型商用核電站方面已經掌握三代核電自主化技術
目前已經實現先進百萬千瓦級壓水堆核電站的自主設計、自主制造、自主建設和自主運營，全面建立與國際先進水平接軌的建設和運營管理模式，形成比較完整的自主化核電工業體系。掌握了AP1000 技術，世界首批AP1000機組建成并先后完成并網，標志著三代非能動核電技術消化吸收的完成。采用“華龍一號”自主三代技術的首堆示范項目開工建設，同樣的三代非能動自主化核電“國和一 號”CAP1400已經完全具備開工建設條件。首座高溫氣冷堆技術商業化核電站示范工程建設進展順利，核級數字化儀控系統實現自主化。
（3）先進小型化反應堆開發應用具有發展前景
開發小型堆對我國調整能源結構、支撐智能電網的發展、推動核能多元化應用、提升核電技術創新能力、確保核電技術領先地位、裝備制造業產業升級、走出去、軍民融合發展等具有重要意義。
在我國，小堆設計多重多樣，競相開放。中國核工業集團公司自2004年開始設計研發我國自主的小型輕水堆ACP100，目前已進入工程設計階段，ACP100 關鍵設備及軟件均屬自主研發，示范工程正在海南昌江進行建設，預計建設單臺100 MWe的ACP100機組。中國廣核集團設計了ACPR100和ACPR50S，打算應用于海上浮動平臺。此外清華大學、中國科學院核能安全技術研究所等單位都在開展小堆前期工作。目前已經通過國家能源局工程示范立項的主要包括中核集團的ACP100s和中廣核集團的ACPR50s。
結合近年我國建設海洋強國的行動，基于小型堆技術的海洋核動力平臺可以提供電力、熱能、淡水等資源保障，并且以核能發電、供應熱能或淡水，可根據需要變換供應點，且具有一次裝料運行時間長，運行成本低、無有害氣體排放、續航力高、海洋環境適應能力強等優點，是海洋油氣開采能源供應和島礁能源供給的最佳選擇。中船重工集團進行了海洋核動力平臺的研發。
另外，世界上主要發展中國家和新興工業國家用電需求有限，電網基礎設施建設尚不完善，將近75%的發電機組小于500 MWe，同時發展中國家的經濟實力有限，無法支撐大型反應堆的建設。在“一帶一路”建設背景下，構建全球能源互聯網，關系到未來全球能源格局，已得到越來越多國家的支持和響應。相對大型堆，小型堆系統簡化、安全性高、投資成本低，可有效的滿足“一帶一路”沿線國家對能源的需求。
（4）全面開展四代堆研發及示范工程建設
中核集團主攻鈉冷快堆，在實驗快堆的基礎上，開始霞浦示范項目CFER600設計建設。清華大學的首座高溫氣冷堆技術商業化核電站示范工程建設不斷推進。中國科學院上海應用物理研究所聚焦熔鹽堆，承擔中國科學院先導專項“釷基熔鹽堆”項目開展研發和武威示范項目建設。中國科學院正式啟動了戰略性先導科技專項“未來先進核裂變能ADS嬗變系統”，針對鉛基反應堆CLEAR開展全面研發工作，計劃到2030年后建成工業示范的加速器驅動核廢料嬗變系統。
（5） 關鍵共性支撐技術研究深入推進
在反應堆基礎物理、熱工水力研究、相關軟件開發、試驗驗證等方面，三大核電集團、核安全局、中科院、各大主要高校等都相應開展了各具特色的研究工作。中核集團具有水堆、快堆軟件及試驗臺架，廣核具有小堆、華龍型號非能動安全、燃料元件等試驗平臺，國家電投開發了三代非能動核電軟件，擁有完整的非能動安全、嚴重事故等試驗臺架。清華大學在高溫氣冷堆開展研究，上海交大、西安交大、華北電力、重慶大學等高校在反應堆物理、基礎熱工水力和嚴重事故研究中都開展了深入的研究工作。這些試驗研究工作已經達到世界水平，正在積極開展各個方面的國際合作。另外，在自主燃料組件開發方面和ATF方面都投入了研究力量，并且部分自主化燃料組件已經開始進行相應實驗測試，為最終入堆考驗做好基礎研發工作。
基于三代非能動核電技術的核能發展對策
三代非能動核電產業具備以下特點：
（1） 具備三代非能動核電技術核心競爭力；
（2）形成了較好的科技研發體系和能力；
（3）沿海核電廠址競爭激烈，內陸核電受國家核電政策影響進展緩慢；
（4）三代非能動核電推廣應用還面臨重大挑戰；
（5）國際合作格局發生變化，海外市場還未取得明確進展。
發展對策可以考慮以下幾點：
（1）完成三代核電AP1000自主化依托項目和CAP1400示范工程建設，完成壓水堆重大專項任務。優化改進CAP1000，進一步提高經濟性和安全性形成CAP1000設計體系并進行批量建設。燃料、軟件、儀控、設備等三代核電關鍵領域核心技術通過驗證并站在世界前列。
（2）致力于開發更安全更經濟的核電技術，爭取成為先進型號供應商和核電市場引領者。具備為國內外客戶提供系列化先進核電型號一體化解決方案和全壽期技術服務的能力。
（3）積極推進核電向核能轉變，推進多用途小型模塊化堆等新型號的技術研發，推動北方地區核能供熱項目落地；積極開展核能多能形式利用、核能-其他能源耦合等研究，推動示范項目落地。
（4）積極推進四代堆核能技術研發。
（5）在關鍵共性支撐技術和重點基礎研究方面持續深入開展物理、熱工、安全、嚴重事故分析、先進容錯燃料、自主化燃料組件、先進材料研發，廣泛開展國內外合作，達到世界領先水平，為集團核能技術創新可持續發展提供基礎研發能力支持。
