日本核能科技的未來發(fā)展路徑(上)
2024年8月20日,日本政府發(fā)布了《今后原子能科學(xué)技術(shù)的政策方向》。這份報告明確了日本在核能科技創(chuàng)新領(lǐng)域的未來戰(zhàn)略,以應(yīng)對全球能源轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn),實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。本文將全面解讀日本核能科技的背景、現(xiàn)狀、未來發(fā)展方向及國際合作策略。
一、核能科技發(fā)展的背景與形勢
1. 日本國內(nèi)核電發(fā)展的現(xiàn)狀和背景
日本的核能發(fā)展始于20世紀50年代,當(dāng)時核能被視為經(jīng)濟復(fù)蘇和工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。日本政府積極引進核能技術(shù),并通過政府與企業(yè)的合作快速推進核電站的建設(shè)。在20世紀70年代至80年代,隨著全球石油危機的爆發(fā),核能的重要性進一步提升,核電成為日本能源結(jié)構(gòu)中的核心組成部分。到2010年,核能在日本總電力供應(yīng)中的比例達到近30%。
2011年3月11日,東日本大地震引發(fā)了福島第一核電站的重大核事故。這次事故嚴重影響了公眾對核能的信任,也使得日本的核能政策發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。事故導(dǎo)致日本國內(nèi)54臺核反應(yīng)堆中的48臺被關(guān)閉,6臺因事故直接報廢。事故的直接經(jīng)濟損失預(yù)計超過20萬億日元,并涉及到廢爐、污染處理、賠償?shù)榷喾矫妗?br />
盡管如此,隨著全球能源安全問題的加劇以及日本承諾到2050年實現(xiàn)碳中和的目標(biāo),核能再次被視為不可或缺的能源來源。為了實現(xiàn)2030年核能發(fā)電占比達到20-22%的目標(biāo),日本于2023年的2月和4月分別出臺了《關(guān)于實現(xiàn)GX(綠色轉(zhuǎn)型)的基本方針》、《關(guān)于核能利用的基本觀點》以及《今后的核能政策方向與行動指南》等一系列文件政策,確定了日本核能復(fù)興政策的基本方針,日本政府計劃重新啟動現(xiàn)有核電站,并通過技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)和建設(shè)新的核能設(shè)施。
2. 全球核能科技發(fā)展的新形勢
全球范圍內(nèi),核能科技的發(fā)展趨勢正在向著更高效、安全和可持續(xù)的方向邁進。根據(jù)國際原子能機構(gòu)(IAEA)的統(tǒng)計,截至2024年1月,全球共有413座核電反應(yīng)堆在運行,總裝機容量達到371,510兆瓦。核電占全球總發(fā)電量的10%左右。盡管福島事故后全球核能發(fā)展的步伐有所放緩,但隨著新一代核反應(yīng)堆技術(shù)的進步,多個國家正在重新評估并加強對核能的投資。
國際能源署(IEA)的《2050年凈零排放路線圖》指出,要實現(xiàn)全球凈零排放目標(biāo),到2050年核能發(fā)電的裝機容量需要從2020年約394吉瓦增加到812吉瓦,這幾乎是當(dāng)前水平的兩倍。這一目標(biāo)的實現(xiàn)依賴于新一代核能技術(shù)的發(fā)展,如小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)和快速中子增殖爐(FBR)。這些技術(shù)被認為具有更高的安全性、經(jīng)濟性和靈活性,有助于實現(xiàn)大規(guī)模的零碳能源供給。
在20世紀80年代和90年代,日本在全球核能科技領(lǐng)域占據(jù)了重要地位。其核電站設(shè)計和建造技術(shù)、核燃料循環(huán)技術(shù)、以及反應(yīng)堆安全技術(shù)均處于世界前列。然而,由于福島事故的影響,過去十年中,日本在核能科技領(lǐng)域的國際影響力有所下降。這不僅體現(xiàn)在核電站建設(shè)數(shù)量的減少,還包括在核能相關(guān)的學(xué)術(shù)研究和國際合作中的地位變化。根據(jù)日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)(JST)的數(shù)據(jù)顯示,在1995年至2005年間,日本在“核能與工程”領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文數(shù)量全球排名第五,但到了2015年至2025年,這一排名已經(jīng)降至第十一位。
總體而言,盡管面臨多重挑戰(zhàn),核能仍然是日本實現(xiàn)能源安全與氣候目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著國內(nèi)外核能科技的發(fā)展,日本必須通過政策支持和技術(shù)創(chuàng)新,恢復(fù)并提升其在全球核能領(lǐng)域的競爭力。
二、日本核能科技創(chuàng)新的基本原則
在面對未來的核能發(fā)展時,日本政府確立了三個基本原則,確保核能科技的安全發(fā)展和持續(xù)創(chuàng)新。這些基本原則旨在平衡核能技術(shù)的進步與社會對核能安全和可持續(xù)性的關(guān)注。
1. 安全第一
“安全第一”是日本核能科技發(fā)展的首要原則。這一原則的確立不僅是對福島第一核電站事故教訓(xùn)的反思,更是確保未來核能發(fā)展的基礎(chǔ)。一方面,日本政府對所有運行中的核電站進行了全面的安全審查,并引入了更嚴格的安全標(biāo)準(zhǔn)。新的標(biāo)準(zhǔn)要求核電站必須具備更高的抗震、防洪、防火能力,特別是在防止極端自然災(zāi)害(如地震和海嘯)方面的能力。所有核電站必須符合這些標(biāo)準(zhǔn),才能獲得重新啟動的許可。另一方面,為了確保核能運營的透明性和可信度,日本成立了獨立的核能監(jiān)管機構(gòu),如核能規(guī)制委員會(NRA),負責(zé)監(jiān)督核電站的安全運營。每年所有核電站運營商必須提交詳細的安全評估報告,并接受獨立第三方的審查。日本政府還計劃在未來十年內(nèi)投入約5萬億日元用于核能設(shè)施的安全升級和技術(shù)創(chuàng)新,以確保即使在極端情況下,核能設(shè)施也能夠安全運行。
2. 技術(shù)創(chuàng)新與國際競爭力
技術(shù)創(chuàng)新是日本保持其在全球核能科技領(lǐng)域競爭力的關(guān)鍵。20世紀80年代至90年代,日本在核能技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位。然而,福島事故后,日本在該領(lǐng)域的國際競爭力有所下降。為了重新奪回在全球核能科技領(lǐng)域的領(lǐng)先地位,日本政府在2023年提出了一項雄心勃勃的計劃,未來十年內(nèi)投資超過1萬億日元用于核能科技的研究與開發(fā)。重點領(lǐng)域包括新一代反應(yīng)堆(如高溫氣冷堆和快速中子增殖爐)、核燃料循環(huán)技術(shù)以及放射性廢物處理技術(shù)。這些技術(shù)的突破將為日本核能科技的發(fā)展提供新的動力。在學(xué)術(shù)研究方面,日本政府計劃通過增加科研經(jīng)費、加強國際合作以及支持跨學(xué)科研究,推動核能領(lǐng)域的技術(shù)突破。政府計劃每年增加約2000億日元的科研經(jīng)費,以提升日本在該領(lǐng)域的研究能力和國際影響力。
3. 公眾參與與信任重建
福島事故后,公眾對核能的信任大幅下降,核能發(fā)展面臨巨大的社會壓力。為了重建公眾對核能的信任,日本政府認識到,必須通過透明的政策制定和廣泛的公眾參與來實現(xiàn)這一目標(biāo)。
根據(jù)日本政府的調(diào)查,2019年約有70%的日本民眾對核能持負面態(tài)度,認為其存在不可忽視的安全風(fēng)險。為了扭轉(zhuǎn)這一局面,政府在2020年啟動了“核能公眾溝通計劃”,旨在通過公開透明的政策討論、公眾咨詢和信息發(fā)布,增強社會對核能科技的理解和支持。
這一計劃包括定期舉辦全國性核能科技論壇,邀請專家、政府官員和普通民眾參與討論核能科技的最新進展和未來方向。政府還加強了對核能設(shè)施的開放日活動,讓公眾有機會參觀核電站,親身了解核能的運行機制和安全措施。此外,政府還計劃通過教育體系,增加中小學(xué)關(guān)于核能知識的教育內(nèi)容,培養(yǎng)下一代對核能科技的科學(xué)認識。
在政策制定過程中,政府還引入了公眾參與機制,確保核能政策的制定能夠反映公眾的意見和關(guān)切。例如,在新一代創(chuàng)新堆的開發(fā)過程中,政府通過公開聽證會和在線問卷調(diào)查,收集了超過10萬條公眾意見,并將其中有價值的建議納入政策制定。通過這些措施,日本政府希望能夠逐步重建公眾對核能的信任,使核能科技的發(fā)展更加符合社會的期望,從而為實現(xiàn)能源安全和碳中和目標(biāo)提供有力支持。
總體而言,日本核能科技創(chuàng)新的基本原則以安全為核心,以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動,以公眾信任為基礎(chǔ)。這些原則不僅反映了日本對核能發(fā)展的深刻反思,也體現(xiàn)了其在新時代中保持國際競爭力的決心。通過嚴格的安全標(biāo)準(zhǔn)、持續(xù)的技術(shù)投入以及廣泛的公眾參與,日本將努力在全球核能科技領(lǐng)域中繼續(xù)發(fā)揮重要作用。
三、未來核能科技創(chuàng)新的五大重點方向
日本政府在這份報告中提出了五大核能科技創(chuàng)新重點方向,以確保核能科技的安全性、可持續(xù)性和創(chuàng)新能力。這些施策旨在通過建設(shè)和管理核能設(shè)施、推動技術(shù)創(chuàng)新、加強國際合作等措施,推動核能科技的全面發(fā)展。
1. 開發(fā)新的試驗研究堆
日本政府計劃在現(xiàn)有研究設(shè)施的基礎(chǔ)上,開發(fā)新的研究堆,以支持核能技術(shù)的基礎(chǔ)研究和創(chuàng)新發(fā)展。這些研究堆不僅將用于材料科學(xué)、核燃料研發(fā)和放射性同位素生產(chǎn),還將支持新反應(yīng)堆設(shè)計的驗證和安全測試。
日本現(xiàn)有的核能研究設(shè)施老化嚴重,一些研究堆已接近其設(shè)計壽命終點,如京都大學(xué)研究堆(KUR)計劃在2026年5月前停止運行。為了彌補研究設(shè)施的空白期,并支持新技術(shù)的研發(fā),日本計劃開發(fā)新試驗研究堆,新研究堆的總投資將達到約1500億日元。日本計劃在“文殊”堆原址上建設(shè)新的研究堆,以滿足未來科研需求。2023年,日本原子能研究開發(fā)機構(gòu)(JAEA)選定了三菱重工業(yè)株式會社作為新研究堆的主承包商,計劃在2026年完成建設(shè),并于2027年開始試運行。
2. 開發(fā)新一代反應(yīng)堆及提升安全性
高溫氣冷堆(HTGR)和快速中子增殖爐(FBR)是日本新一代反應(yīng)堆技術(shù)的重點方向。這些新型反應(yīng)堆具有固有的安全性和高效能輸出,將成為日本碳中和戰(zhàn)略的重要組成部分。
高溫氣冷堆是一種高溫、高效的反應(yīng)堆類型,其設(shè)計特點是能夠在較高溫度下安全運行。HTGR的運行溫度可以達到900攝氏度以上,這使得它在發(fā)電效率、工業(yè)熱應(yīng)用和氫氣生產(chǎn)方面具有獨特的優(yōu)勢。在安全性方面,HTGR采用的陶瓷包覆顆粒燃料能夠在1600攝氏度的高溫下有效封閉放射性物質(zhì),這一技術(shù)已在HTTR的實驗中得到驗證。HTTR自2010年達到臨界,2011年停運,2021年又重啟,至今已累計運行超過71,000小時,驗證了高溫氣冷堆在高溫條件下的穩(wěn)定性和安全性。日本計劃在大洗研究開發(fā)中心的HTTR實驗堆的基礎(chǔ)上,進一步研發(fā)并商業(yè)化高溫氣冷堆技術(shù),預(yù)計將在2030年實現(xiàn)商業(yè)化。
快速中子增殖爐利用快速中子增殖钚燃料,不僅可以高效利用核燃料,還能減少核廢料的產(chǎn)生。日本的“常陽”實驗堆和已經(jīng)退役的“文殊”增殖反應(yīng)堆為FBR技術(shù)的研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。政府計劃在2026年之前完成“常陽”的新一輪安全升級,并在2027年重新啟動。屆時,“常陽”將成為全球唯一可運行的高速中子照射堆,預(yù)計將為包括法國和美國在內(nèi)的多個國家提供實驗服務(wù),進一步鞏固日本在國際核能技術(shù)研發(fā)中的重要地位。
3. 強化核能設(shè)施廢棄物處置和后處理技術(shù)
核能設(shè)施的廢棄物處置是核能可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。日本擁有多個進入退役階段的核能相關(guān)設(shè)施,這些設(shè)施的安全管理和廢料處理需要巨大的資金和技術(shù)支持。為確保核能設(shè)施的安全退役和核廢料的有效管理,日本制定了詳細的廢棄處置計劃,涵蓋79個設(shè)施,預(yù)計約需70年,總費用估算為1.9萬億日元。
核燃料循環(huán)與核廢料處理是確保核能可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在核燃料循環(huán)方面,日本計劃到2030年實現(xiàn)钚燃料的完全再利用,并在國內(nèi)建立一個完整的核燃料循環(huán)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)將涵蓋從核燃料制造到使用后的廢料處理的全過程,不僅提高資源利用效率,還將大大減少核廢料的產(chǎn)生量。
在處理高放射性核廢料方面,根據(jù)日本政府的估算,截至2023年,日本儲存的高放射性廢物總量已達到67.2萬桶(200L)當(dāng)量,并且每年還在持續(xù)增加,處理費用高達2900億日元。日本計劃通過引進先進的處理技術(shù),將高放射性廢物的體積減少60%以上,同時大幅降低其放射性強度。這一計劃預(yù)計將在2030年前后逐步實施,并有望在2050年前實現(xiàn)高放射性廢物的安全處置。
4. 核能科技研究和人才培養(yǎng)的強化
核能科技的持續(xù)創(chuàng)新依賴于高水平的研究與開發(fā)(R&D)以及專業(yè)人才的培養(yǎng)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),日本計劃在未來十年內(nèi)加大對核能科技研究和教育的投資。
在科研投入方面,政府將增加核能領(lǐng)域的科研經(jīng)費,與國內(nèi)外的大學(xué)和研究機構(gòu)合作,設(shè)立核能科技聯(lián)合研究項目,支持新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。重點領(lǐng)域包括次世代反應(yīng)堆、核燃料循環(huán)技術(shù)和放射性廢物處理技術(shù)。日本希望在未來十年內(nèi)成為全球核能科技創(chuàng)新的中心之一。
在人才培養(yǎng)方面:JAEA將與國內(nèi)外的大學(xué)和研究機構(gòu)合作,創(chuàng)建核能科技教育和研究的聯(lián)合項目。例如,JAEA計劃與京都大學(xué)和東京大學(xué)等頂尖學(xué)府合作,設(shè)立核能科學(xué)與工程的博士項目,與美國、歐洲和亞洲其他國家的合作研究項目,引進和培養(yǎng)國際化的核能科技人才。目標(biāo)是每年培養(yǎng)出至少100名具備國際競爭力的核能科技專家。這些人才將成為日本核能科技創(chuàng)新和發(fā)展的中堅力量。
5. 應(yīng)對福島第一核電站事故的后續(xù)處理
福島核電站事故的長期影響仍在持續(xù),處理事故遺留問題和恢復(fù)公眾對核能的信任是日本核能政策的核心議題。事故之后的廢料處理和環(huán)境修復(fù)工作涉及巨大的財政和技術(shù)投入。
日本政府在2022年制定了新的五年計劃,計劃在2027年之前完成福島核電站廢料的初步處理,并在2030年之前實現(xiàn)該地區(qū)的基本環(huán)境修復(fù)。政府計劃通過持續(xù)投資和國際合作,逐步解決福島核事故的遺留問題。
政府還計劃在2025年之前建立一個全球領(lǐng)先的核應(yīng)急響應(yīng)中心,確保在未來發(fā)生任何核事故時能夠迅速有效地應(yīng)對。這些措施旨在逐步解決福島核事故的遺留問題,同時提升日本在核能應(yīng)急響應(yīng)和環(huán)境修復(fù)方面的能力。
綜上所述,這五大重點施策顯示了日本在核能科技領(lǐng)域的長期戰(zhàn)略目標(biāo)和具體行動計劃。通過開發(fā)新試驗研究堆、推進新一代創(chuàng)新堆技術(shù)、強化廢料處理和核能設(shè)施的管理、加大科研和人才培養(yǎng)的投入以及處理福島事故的后續(xù)影響,日本希望在核能科技領(lǐng)域繼續(xù)保持全球競爭力,同時為全球能源安全和環(huán)境保護做出貢獻。通過這些施策,日本不僅致力于實現(xiàn)國內(nèi)能源的自給自足和碳中和目標(biāo),還希望通過技術(shù)輸出和國際合作,推動全球核能科技的進步。(待續(xù))
轉(zhuǎn)載自國際清潔能源論壇
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