第四代核电来了，厉害在哪儿？科普中国

长期以来，一提到“核能”，人们最先顾虑的就是安全问题。在这种背景下，具备本质安全、高效低碳、核废料减量等突出优势的第四代核能反应堆，成为全球能源转型进程中，破解传统核电安全痛点、拓宽核能应用空间的关键突破口。我国“十五五”规划也明确提出，要稳妥推进四代堆技术研发与应用示范。

那么，到底什么是“四代堆”？它们又是怎么让核能更安全、更环保的？带着这些问题，科普中国咨询了中国原子能科学研究院的相关科研人员。

什么是“第四代核能反应堆”

“第四代反应堆”最早由美国能源部在 20 世纪 90 年代末提出。2001 年，美国联合阿根廷、法国、日本等 9 个国家成立“第四代核能系统国际论坛”（简称 GIF），并于 2002 年正式选定六大优先研发堆型。

“第四代反应堆”由 GIF 规划，指面向 2030 年后商用的新一代核电技术。四代堆是“革命性”的技术路线，即从物理原理、冷却剂类型到燃料循环方式都将发生根本性变化。简单来说，它是核能技术的“升级版”，比之前的核能技术更安全、更省钱、更环保，并且防核扩散。

我国于 2006 年正式加入 GIF 组织，深度参与第四代核能反应堆的国际研发与技术合作。

“第四代反应堆”的六大优先研发堆型包括：

1 超高温气冷堆

“超高温”是指反应堆堆芯采用石墨、陶瓷等耐高温材料，使得堆芯温度可以达到近 1000 摄氏度。“气冷”则是指不同于传统核电站的“水冷”方式，反应堆采用惰性气体氦气进行堆芯冷却和传热。

图片来源：央视新闻

2 超临界水冷堆

“超临界”是指反应堆运行在水的热力学临界点（374℃、22.1 兆帕）以上，水在此状态下成为兼具气液特性的单相流体，无沸腾相变。“水冷”则是指反应堆以超临界状态的轻水同时作为冷却剂与慢化剂，延续传统核电站的水冷技术路线，但参数与性能显著提升。

是指采用熔融态氟化盐混合物作为核燃料载体与冷却剂的反应堆。有别于传统核电固态燃料+水冷/气冷的模式，熔盐堆的堆芯无需固态燃料结构，依靠流动的高温熔盐承载核裂变反应，具有常压运行、高温输出的优点。

4 钠冷快堆

反应堆采用液态金属钠作为堆芯冷却剂，替代传统核电站的水冷、气冷方式，导热能力强、工作温度高。“快堆”则是指反应堆不设置慢化剂，依靠高能中子直接维持链式裂变反应，无需减速中子，快堆也是未来核能发展的重要方向。

5 铅冷快堆

同样是“快堆”类型，但堆芯冷却剂采用的是液态铅或铅铋合金。

6 气冷快堆

也是“快堆”类型，区别于水冷、铅冷等冷却方式，反应堆采用氦气等惰性气体作为堆芯冷却剂。

图片来源：开源证券研究所

“核能四代堆”是怎么让核能更安全、更环保的？

第四代核能系统国际论坛对“第四代反应堆”设定的核心目标是：

安全性：固有安全，极端事故无需场外应急，堆芯熔毁概率极低。

经济性：发电成本更低，效率更高（40%~50%，高于三代约 33%）。

可持续性：铀利用率大幅提升，核废料减量 90% 以上，支持闭式燃料循环。

防扩散：燃料与堆型设计降低核材料扩散风险。

这些目标是怎么通过技术设计具体实现的呢？

先说“安全”，四代堆最突出优势之一就是“固有安全”。所谓“固有安全”，通俗来讲就是，即使在严重事故情况下，不需采取任何人为和专设安全系统的干预，反应堆仍能保持安全状态。因此，四代堆无需场外采取大规模人员撤离等紧急措施，可从根本上杜绝大规模的放射性物质环境释放。

以钠冷快堆、铅冷快堆为例，它们用熔融的金属代替水作为冷却剂。金属熔融物具有更高的传热效率，且在常压下就能工作，不像水冷堆需要承受巨大压力。同时，快堆配备了“非能动安全系统”，在停机事故发生后，堆芯余热可以依靠冷却剂的自然循环被排出，大大提高了核电站的安全性。

再说“环保与可持续性”，四代堆能够通过高效利用天然铀资源、大幅减少放射性废物、提供长期清洁能源，实现核能的可持续发展。

具体来说，传统核电站对于天然铀资源的利用效率并不高，它利用铀-235的裂变来产生能量，但铀-235 在天然铀中的占比仅有 0.714% ，就像是吃一个皮厚肉少的柚子，费尽力气也只吃到一小口，更多的部分被丢弃了。而四代堆能把这些“原本要被丢弃的果皮、果核”都利用起来，铀资源利用率从 1% 左右提高到 60%~70%，原本只能用几十年的铀矿，能用上千年。

不仅如此，四代堆还能实现核废料大幅减量且更加安全。普通核电站会不断产生需要深埋地底存放几万、几十万年的长寿命核废料，四代堆则能把这类高危害、长寿命的核废料当燃料“烧掉”或者“转化”，使得剩下的废料辐射寿命大幅缩短，也更容易处理。以快堆为例，一座快堆可以支持 5~6 座同功率压水堆的次量锕系核素（MA）嬗变，使放射性废物对环境的辐射影响时间缩短 100 倍，废物量也同时大大减少。

图片来源：开源证券研究所

除了发电，四代堆的高温特性，让它可以“一专多能”，例如核能制氢、工业用热、海水淡化、城市供暖等。

2024 年获批的江苏徐圩核电项目就是个典型例子。这是全球首个核能与石化产业大规模耦合的创新项目。核电厂不仅可以发电，还可以为连云港的石化基地供应工业蒸汽，每年将供气 3250 万吨、减少二氧化碳排放 1960 万吨，有效缓解高耗能产业减排脱碳压力。

我国“核能四代堆”的研发取得了哪些进展？

核电站建设通常遵循“实验堆→原型堆→示范堆→商用堆”的路径，相当于从实验室验证到大规模商业化应用这样一个“打怪升级”过程。目前俄罗斯、美国、法国、日本等国家都开展了四代堆的技术攻关，部分堆型建成了商业化运行的电厂。中国在钠冷快堆、高温气冷堆和钍基熔盐堆等方面具备工程化与商业化能力，取得多项建设成果。

1 钠冷快堆——中国原子能科学研究院

钠冷快堆是目前运行经验最丰富的先进核能系统，也是我国正在重点发展的堆型之一。2010 年，中国原子能科学研究院建成了实验快堆。2024 年，一体化闭式循环快堆创新联合体成立。在 2035 年左右将实现一体化快堆工程示范，具备商业化应用条件。

2 高温气冷堆——石岛湾高温气冷堆

2003 年清华大学建成实验堆。2023 年，山东石岛湾 20 万千瓦级商业示范电站正式投运，这是全球首座投入商业运行的第四代核电站，标志着中国在第四代核能技术研发和应用领域达到世界领先水平。

3 钍基熔盐堆——中国科学院上海应用物理研究所

2025 年，中科院上海应用物理研究所牵头建成的 2 兆瓦（热功率）液态燃料钍基熔盐实验堆，首次实现堆内钍‑铀核燃料转换，标志我国成为目前国际上唯一运行并实现钍燃料入堆的熔盐堆的国家。

2兆瓦液态燃料钍基熔盐实验堆厂房。图片来源：新华社