上科大校长江绵恒致新生：未来能源的科技创新

核能分为裂变能和聚变能，目前实际使用的都是核裂变能。核能的最大优势是能量密度高。能源物质提供能量通常是通过化学反应或核反应产生的。化学反应中，原子或分子的电子组态发生变化，引起原子或分子的结合能发生变化；核反应中，反应前后原子核的结合能发生变化。化学反应产生的结合能变化是几个电子伏（eV）的量级，而核反应的结合能变化是百万电子伏（MeV）量级。因此，核能物质的能量密度要比常规化石能源高上百万倍。例如煤的能量密度为2.9x107J/kg,而核裂变燃料铀235的能量密度为7.49x1013J/kg。一个100万千瓦的煤电厂每年要消耗150万吨煤，同样发电量的核电站只需要500kg的铀235。核能在未来能源结构中的位置取决于能否解决核能利用的三大问题：1）项目投资大，建设周期长，财务风险高，回报不确定；2）核电站的安全性问题，核安全事故的发生既有不可抗力的自然因素，也有运行管理的人为因素；3）核废料的处理难题，虽然100万千瓦的核电站每年只需要500kg的铀235，由于铀235的天然丰度只有0.7%,经过富集的燃料也只有3%的铀235，因此所需的核燃料是百吨量级的，燃烧后的乏燃料（主要是铀238，仍含有剩余的铀235和钚239，加上强放射性的裂变产物）是数十吨吨量级的。这些乏燃料的处置，由于和强放射性的裂变产物共存，是核能可持续利用的一大难题。

世界核能发展，经历了从20世纪50年代后期起步至70年代末的高潮期，1979年美国三里岛核事故和1986年乌克兰切尔诺贝利核事故之后的低潮期，以及2011年3月11日日本福岛因地震海啸引起的核事故，使得全部在建核电站停工。

但是人类没有在前进道路上因为遇到挫折和灾难所却步，而是以不断进取的精神应对挑战。核反应堆技术已经发展到第三代，同时提出了第四代核反应堆技术的六种堆型，目标就是要解决前面所述的三大难题和挑战。

我们国家已将核能作为未来新能源发展的重要组成部分，目前投产的核电机组18台，装机容量为1569万千瓦，在建机组30台，装机容量3277万千瓦。在第四代核反应堆技术研发方面有清华大学(微博)的高温气冷堆，已经开始在山东荣成建设21万千瓦装机容量的工业示范装置；中国原子能研究院的钠冷快堆也取得了研发进展。中国科学院2011年在国家财政部的大力支持下，启动了钍基熔盐堆的先导专项。熔盐堆是第四代反应堆型中的一种，采用熔盐作为冷却剂，具有常压运行（安全性）、700oC以上高温输出（高效性）、非能动安全机制（安全性），以及小型模块化（经济性）等优点。钍基熔盐堆是采用天然钍232作为核燃料，地球上地壳层中的钍资源是铀资源的3倍，中国是稀土资源大国，与它伴生的钍资源也非常丰富，是未来中国核能开发的优势所在。

核能利用不仅仅是发电，高温反应堆输出的热，还可被用作各种高温反应的热源。前面提到煤的清洁、综合利用，需要外加非化石能源才能达到资源利用和环境保护的最佳平衡，因此将核能与碳（包括CO2和制氢）的转化过程相结合，形成新能源（核能、可再生能源）和化石能源相结合的综合能源系统，将会是未来我们国家能源结构调整的方向。

国际上对本世纪末能源供给结构预测有三种可能情形：1）在能源效率大大提高的前提下，未来能源以可再生能源为主，其中可再生能源又以太阳能为主，核能逐渐退出历史舞台；2）在能源效率没有明显提高的前提下，未来能源以太阳能和核能为主，二者并重；3）第一和第二种情形的折中。德国在日本福岛事故之后已经宣布至2022年全部停止核能的利用，因此德国的发展目标是情形1）。中国的发展表明情形2）或3）更适合我们的国情，因此要前瞻部署第四代核能技术的研究。