第四代核能保障體系介紹

賈小波

（大唐國際發(fā)電股份有限公司，北京 100140）

1 第四代核能系統(tǒng)和第三代核電機組的區(qū)別

美國于20世紀(jì)80年代出臺了“先進輕水堆用戶要求”文件，即U R D文件（U t i l i t y Reguirements Document）[1]，對核電的安全性和經(jīng)濟性提出了一系列定量的指標(biāo)要求。之后，歐洲各國電力界也提出了“歐洲用戶對輕水堆核電站的要求”，即EUR文件（European Utility Requirements）[2]，表達了與URD文件相同或相似的看法。國際原子能機構(gòu)也對其推薦的核安全法規(guī)（NUSS系列）進行了修訂補充，進一步明確了對防范和緩解嚴重事故，提高安全可靠性和改善人因工程等要求。國際上通常把滿足URD文件或EUR文件的核電機組稱為第三代核電機組。

2000年1月，在美國能源部的倡議下，美國、法國、日本、英國等核電發(fā)達國家組建了“第四代核能國際論壇”（Generation IV International Forum，簡稱GIF），并于2001年7月簽署了合約，共同合作研究開發(fā)第四代核能系統(tǒng)（Generation IV System）。GIF 的工作集中在一個或多個第四代核能系統(tǒng)的合作開發(fā)和示范方面，這些系統(tǒng)可能具有經(jīng)濟性、安全性和可靠性、可持續(xù)性的優(yōu)點，并且可能在2030年前投入商業(yè)使用。GIF提出了第四代核能系統(tǒng)的具體技術(shù)目標(biāo)，主要是：

可持續(xù)性：滿足清潔空氣目標(biāo)以及提高系統(tǒng)長期可用率和全世界能源生產(chǎn)的有效燃料利用；最大限度地減少核廢物和管理核廢物以及減少長期管理工作；

經(jīng)濟性：提供優(yōu)于其他能源的壽期成本；提供可與其他能源項目相比較的財政風(fēng)險水平；

安全性和可靠性：有很高的安全性和可靠性；堆芯損壞的可能性和損壞程度非常低；消除對場外應(yīng)急響應(yīng)的需要；

防擴散能力和實物保護：加強實物保護，以防止犯罪分子轉(zhuǎn)移或盜竊武器可用材料，以及防范恐怖襲擊。

配合GIF，選出了6種創(chuàng)新反應(yīng)堆概念及其支持性的燃料循環(huán)供進一步的合作研究與開發(fā)，它們是：

超臨界水冷反應(yīng)堆（SCWR）——在水的熱力學(xué)臨界點以上運行的高溫高壓水冷反應(yīng)堆；

熔鹽反應(yīng)堆（MSR）——在超熱中子譜反應(yīng)堆中用循環(huán)的熔鹽燃料混合物生產(chǎn)裂變電力和使用全部錒系元素再循環(huán)的燃料循環(huán)；

超高溫反應(yīng)堆（VHTR）——采用一次通過式鈾燃料循環(huán)的石墨慢化氦冷反應(yīng)堆；

鈉冷快堆（SFR）——快中子譜、鈉冷堆和有效管理錒系元素和轉(zhuǎn)化鈾-238的閉式燃料循環(huán)（見圖1）；

鉛冷快堆（LFR）——快中子譜、鉛或鉛/鉍低共熔液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆和有效轉(zhuǎn)化鈾-238和管理錒系元素的閉合燃料循環(huán)；

氣冷快堆（GFR）——快中子譜、氦冷反應(yīng)堆和閉合燃料循環(huán)（見圖2）。

第四代核能系統(tǒng)相對第三代來說，是完全革新的新一代核能系統(tǒng)。第三代核電機組的設(shè)計原則，是在采用第二代核電機組已積累的技術(shù)儲備和運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對其不足之處，進一步采用經(jīng)過開發(fā)驗證可行的新技術(shù)，以顯著改善其安全性和經(jīng)濟性，滿足URD文件或EUR文件和NUSS建議法規(guī)的要求。三代堆突破性的革新技術(shù)較少，基本上是在二代的基礎(chǔ)上修修補補，采用一些跟隨當(dāng)今技術(shù)潮流的新技術(shù)。而第四代核能系統(tǒng)是瞄準(zhǔn)未來的用戶需求，對堆型的根本性創(chuàng)新設(shè)計提出了較高的要求，從堆型概念設(shè)計開始，從根本上解決目前核電發(fā)展過程中遇到的安全性、經(jīng)濟性、可持續(xù)發(fā)展性、防核擴散和恐怖襲擊等方面的問題。第三代堆基本上都是熱中子堆，而第四代只有兩種是熱中子堆，一種是新概念堆，另外三種是快堆。

目前，第三代的消化、吸收、再創(chuàng)新，最終結(jié)果是在第三代的基礎(chǔ)上的改進，要滿足未來對于核能系統(tǒng)的更高先進性要求，要想在設(shè)計理念上的根本性革新突破，仍然需要第四代核能系統(tǒng)作為支撐。

2 國際及國內(nèi)第四代核能系統(tǒng)研究的進展情況

GIF提出了第四代核能系統(tǒng)初步的工作“路線圖”[3]。 認為從現(xiàn)在的概念設(shè)想轉(zhuǎn)到商用實施(產(chǎn)業(yè)化), 需經(jīng)四個步驟:

第一步: 可存在性(Viability)研究。明確方案切實可行的關(guān)鍵所在, 并證明其原則上是可行的；

第二步: 性能研究。工程規(guī)模的研究開發(fā)和優(yōu)化, 使其性能達到期望的水平；

第三步: 系統(tǒng)示范。建造中等或較大規(guī)模的示范系統(tǒng)以驗證設(shè)計；

第四步: 商用實施。

目前, 世界上不僅限于GIF成員，美國、日本和歐盟都有專門的研究機構(gòu)和基金負責(zé)相關(guān)技術(shù)的開發(fā)和試驗，正在逐步開展可存在性和性能研究。以超臨界輕水冷卻反應(yīng)堆為例，其高熱效率大大提高了核電的經(jīng)濟性和競爭力，因此它的研究也得到了世界主要核技術(shù)大國的大力支持，目前已設(shè)計出適用于超臨界情況下的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱工水力分析程序，完成了反應(yīng)堆堆芯、一回路、控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等的初步設(shè)計，同時研究了反應(yīng)堆運行時15種瞬態(tài)、事故工況和LOCA的物理過程和傳熱情況，提出了熱工水力進一步研究的方向在于優(yōu)化堆芯相關(guān)參數(shù)，盡力提高冷卻劑出口平均溫度，以獲取更高的熱效率[4]。目前尚不能確定究竟哪種堆型系統(tǒng)能成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化, 但按照GIF對第四代的發(fā)展計劃, 將在2020年前后選定一種或幾種堆型,2025年前后建成創(chuàng)新的原型機組系統(tǒng)示范，大約從2030年起廣泛地采用第四代核電機組系統(tǒng)。

中國原子能科學(xué)研究院的快堆研究也進入原型堆階段。在此基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)未來先進核能技術(shù)的需要，研發(fā)具有第四代核能特征的快堆電站，應(yīng)是我國第四代核能技術(shù)研發(fā)的重點之一。今后大規(guī)模發(fā)展核能需要快堆與壓水堆匹配發(fā)展。作為我國第四代核能技術(shù)的研發(fā)重點，快堆研發(fā)已納入國家重大項目專項。

超臨界水堆在我國剛剛起步，在超臨界火力發(fā)電機組方面，我國已積累了豐富的經(jīng)驗，超臨界水的流動傳熱研究和高溫高壓材料的研究也已開展。國內(nèi)一些大學(xué)例如上海交通大學(xué)，也開展了超臨界壓力下的熱工水力特性實驗和理論研究。

我國在20世紀(jì)70年代就開始了高溫氣冷堆的基礎(chǔ)研究，2000年12月建成10 MW高溫氣冷實驗堆HTR-10，目前，電功率為200 MW的高溫氣冷堆示范電站即將開工建設(shè)。因此，發(fā)展超高溫氣冷堆，我國具有很好的基礎(chǔ)。

3 國內(nèi)第四代核能系統(tǒng)研發(fā)存在問題

（1）尚缺乏產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)性

當(dāng)前的第四代研究與實現(xiàn)商業(yè)化的研發(fā)過程缺少互相支撐和依托，通常是各自干各自的，不能形成有效的產(chǎn)業(yè)化鏈條。從快堆到超臨界水堆的研究，在研究所或者高校的層面進行基礎(chǔ)性研究是必須的階段，如何把研究機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用企業(yè)連接起來是關(guān)鍵，目前的研究需要大量的工程驗證，而不僅是在實驗室做研究。高溫氣冷堆的研究就面臨著示范電站的各種工程實際問題，例如經(jīng)濟性問題、規(guī)模放大的工程可實現(xiàn)性問題、設(shè)備制造等問題。多種第四代堆型的各自為戰(zhàn)，閉門搞研發(fā)，則會造成研發(fā)、設(shè)計、設(shè)備制造、工程建造缺乏相互銜接，一遇到實際問題就會面臨困境。

（2）缺乏自主創(chuàng)新

面對引進的第二代或者第三代技術(shù)，雖然有相當(dāng)程度的消化和吸收、改進和創(chuàng)新，但是仍然停留在較淺的層面，堆型本身的設(shè)計創(chuàng)新能力不足。由于不是我們自己從零開始一步一步試驗驗證建立的核電系統(tǒng)，對于新一代核能系統(tǒng)缺乏自主研發(fā)的信任支撐，一遇到國外新技術(shù)核電站產(chǎn)品的沖擊，加上市場需求的洪流，以往自主研發(fā)創(chuàng)新的基礎(chǔ)將再次被淹沒。長時間積累的慣性引進思維，束縛了我國核電研發(fā)創(chuàng)新。

（3）關(guān)注度不夠，投入不夠

目前中國核電發(fā)展關(guān)注的焦點在于第三代核能系統(tǒng)的引進吸收，國內(nèi)核電產(chǎn)業(yè)緊緊圍繞當(dāng)前核電建設(shè)高潮而進行各項規(guī)劃和部署，缺少對第四代核能系統(tǒng)的規(guī)劃和統(tǒng)籌考慮。目前對第四代的關(guān)注僅限于專家呼吁階段。國內(nèi)的研發(fā)資源分散，正趕上被當(dāng)前核電建設(shè)高峰期的巨大商業(yè)利益重重包圍，翻版現(xiàn)有核電技術(shù)任務(wù)繁重。對下一代核能系統(tǒng)研發(fā)投入的力度遠遠不夠。

我國第三代核電機組可能在2015年可以開始大規(guī)模復(fù)制，2020年初步實現(xiàn)中長期規(guī)劃目標(biāo)。按照目前GIF對第四代的發(fā)展計劃，第四代核能系統(tǒng)將在2025年建成示范電站，2030年實現(xiàn)商用并廣泛推廣。到2030年，第一批第三代核電機組剛運行10年左右，核電的市場份額仍然相對較小，加上環(huán)境對火電的制約，水電資源有限，社會發(fā)展必然需要建設(shè)大量新型的核電機組。屆時，中國將再次面臨選擇，是繼續(xù)建設(shè)剛引進吸收的第三代技術(shù)堆型，還是緊跟世界步伐使用更先進、更高效、更安全的第四代核能系統(tǒng)。有人可能覺得是二十年以后的事情，不確定性很大，現(xiàn)在不必思考。但是技術(shù)的不斷革新性進步，采用新技術(shù)的核電機組產(chǎn)品不斷更新，使得核能系統(tǒng)的應(yīng)用始終面臨選擇的過程。如果屆時中國不能形成具有自主創(chuàng)新的第四代核能系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，歷史的一幕將會重演。因此，從現(xiàn)在開始，全面參與第四代的研發(fā)，并走出具有自己特色的核電研發(fā)應(yīng)用道路，才能牢牢把握主動權(quán)，根據(jù)自己的發(fā)展需要建設(shè)自己的核電站，保障自己的能源戰(zhàn)略。

4 關(guān)于第四代核能系統(tǒng)從研發(fā)到商用的保障體系建議

國家通過招標(biāo)引進了第三代核電技術(shù)，當(dāng)前正處于第三代機組的技術(shù)邊學(xué)習(xí)邊建設(shè)的高潮時期。在快速推進第三代核電站建設(shè)和技術(shù)研發(fā)的同時，應(yīng)在第四代核能技術(shù)的研發(fā)中盡早做出戰(zhàn)略部署，統(tǒng)籌長遠規(guī)劃。如何處理好新一代核能系統(tǒng)研發(fā)的保障體系問題，已經(jīng)需要引起重視并切實行動。在先進核電技術(shù)上實現(xiàn)自主創(chuàng)新，保障核電的可持續(xù)發(fā)展，以避免落后于世界核能發(fā)展步伐，避免代代需引進，避免再次陷入靠市場換不來核心技術(shù)的困境。為此，建議：

（1）制定第四代核能系統(tǒng)開發(fā)戰(zhàn)略

第四代先進核能系統(tǒng)的開發(fā)是一個相對較長的過程，不可能一日建成羅馬，需要長期的投入和積累，因此最重要的是首先有一個國家層面的戰(zhàn)略部署，制定相應(yīng)的重大專項規(guī)劃，政府在其中扮演舵手的角色，應(yīng)站在全局的角度把握整個研發(fā)規(guī)劃。

回顧中國經(jīng)歷過的第二代核能系統(tǒng)技術(shù)引進路線，有收獲也走過彎路，曾經(jīng)多次要統(tǒng)一技術(shù)路線，到現(xiàn)在的多種技術(shù)路線并存，事實證明了一個長遠的核電系統(tǒng)開發(fā)規(guī)劃的重要性，政治因素不能再作為影響核電技術(shù)路線的決定性因素，否則損失的是國家整個核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

（2）充分利用國內(nèi)研發(fā)資源，建立第四代核能系統(tǒng)研發(fā)平臺

第四代研發(fā)需要與商業(yè)應(yīng)用的實際相結(jié)合，需要工程實際的驗證和連接，避免研究脫離實際，浪費大量的人力和物力，力爭在商業(yè)化道路上少走彎路。國家與企業(yè)聯(lián)合組建核能系統(tǒng)開發(fā)體系，應(yīng)考慮電力企業(yè)作為開發(fā)支撐系統(tǒng)的不可缺少的重要力量，加大企業(yè)對研發(fā)的投入力度，形成良性的循環(huán)。

新一代核能系統(tǒng)的研發(fā)必須基于中國現(xiàn)有核電產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，整合國內(nèi)研發(fā)、設(shè)計、設(shè)備制造資源，在一個平臺上明確分工，統(tǒng)籌規(guī)劃，建立一個良好的體系。資源的整合模式可以是機構(gòu)的合并，也可以根據(jù)需要由政府牽頭，由相關(guān)科研院所、企業(yè)、政府機構(gòu)聯(lián)合成立專門的實體或常設(shè)機構(gòu)，集中當(dāng)前國內(nèi)的研發(fā)資源，吸取我國大飛機制造、航天工程、聚變堆工程等其他項目的有益嘗試和經(jīng)驗教訓(xùn)，做大項目。

組織機構(gòu)可考慮依托國家相關(guān)部委，成立第四代核能系統(tǒng)辦公室，其下聯(lián)合科研院所、大學(xué)研究機構(gòu)、核工程設(shè)計院、設(shè)備制造企業(yè)設(shè)立專項工作組，建立溝通和協(xié)調(diào)機制，由國家撥付和企業(yè)投資兩種方式提供資金支持。

第四代核能系統(tǒng)辦公室主要負責(zé)制定我國第四代核能系統(tǒng)從研發(fā)到商用的階段性計劃，承擔(dān)第四代核能系統(tǒng)計劃的相關(guān)基礎(chǔ)概念研究、工程設(shè)計研究、工程技術(shù)研究、制造工藝設(shè)計等的組織實施管理工作。規(guī)劃重點學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)工作。統(tǒng)一協(xié)調(diào)國內(nèi)各個參與單位各項協(xié)調(diào)工作。

（3）選定兩種適合中國國情的第四代堆型

針對當(dāng)前國際上公認的幾種四代堆型，明確研發(fā)目標(biāo)，集中力量摸索出中國自己的第四代道路。堆型要考慮中國的核燃料資源狀況，考慮國內(nèi)研發(fā)基礎(chǔ)、技術(shù)成熟度和堆型本身的優(yōu)缺點。

積極研發(fā)超臨界水堆：超臨界水堆經(jīng)濟性好，技術(shù)基礎(chǔ)好，水堆已經(jīng)積累相對較多的經(jīng)驗，超臨界火電技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟，工程可實現(xiàn)性較高。在大型壓水堆核電站的研發(fā)方面，我國已有幾十年的歷史，具有自主研發(fā)30萬千瓦和60萬千瓦壓水堆核電機組的能力。同時進行了從跟蹤調(diào)研世界先進技術(shù)到概念設(shè)計、總體設(shè)計、設(shè)計技術(shù)研究、計算機軟件開發(fā)等一系列的研究與開發(fā)活動，已具備了研究開發(fā)超臨界水堆核電站的基礎(chǔ)和能力。因此可以加大投入力度、加快研發(fā)步伐，爭取能夠在國際上保持先進行列。

穩(wěn)步推進快堆研發(fā)進度：在第四代核能國際論壇提出的6種堆型中，有3種是快堆。在國際上，由于熱中子堆是當(dāng)今核電站的主力堆型，鈾資源的利用效率低是熱堆的一大弊端，隨著鈾資源的消耗，國際上對于快堆的需求不斷得到關(guān)注，快堆是國際上未來核電站的發(fā)展方向之一。快堆的技術(shù)難度適中，性能研究也有一定的積累，商用也有實際工程借鑒。閉合核燃料循環(huán)是快堆核能系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在重點進行快堆技術(shù)研發(fā)的同時，應(yīng)重點開展壓水堆乏燃料后處理、MOX燃料制造及快堆乏燃料后處理等技術(shù)的研發(fā)。發(fā)展快堆技術(shù)，應(yīng)根據(jù)我國核電發(fā)展的需求和應(yīng)用目標(biāo)，逐步落實快堆中長期發(fā)展規(guī)劃，明確下一階段的快堆技術(shù)工程目標(biāo)和實施途徑。

逐步開展超高溫氣冷堆研究：超高溫氣冷堆可以滿足未來對核能制氫和高溫工藝熱的需求，具有固有安全性好、發(fā)電效率高、單一堆功率規(guī)模較小、在廠址選擇上及電網(wǎng)要求上有靈活性等特點，超高溫氣冷堆核電站可以作為大型壓水堆核電站的補充。熔鹽堆、鉛冷快堆、氣冷快堆的研究均需要進一步調(diào)研以確定研發(fā)策略。

（4）與國際上發(fā)達國家加強溝通與合作，吸取有益經(jīng)驗

在以美國為首，有英國、法國、日本等多個國家參與提出的第四代核能系統(tǒng)開發(fā)計劃中，明確提出，從未來核電技術(shù)的國際化、市場份額和研究開發(fā)的資金等角度出發(fā)，以往依靠一國單獨封閉的技術(shù)開發(fā)已經(jīng)不符合時代的需求，希望在第四代核能技術(shù)的開發(fā)中加強國際合作研究開發(fā)和交流，并提出了相應(yīng)的多邊合作研究計劃，倡導(dǎo)國際多邊合作。與聚變能源的國際合作研究一樣，第四代核能系統(tǒng)的開發(fā)也是一項國際化的系統(tǒng)工程，核能行業(yè)的緊密關(guān)聯(lián)性使得任何一種技術(shù)的革新和改進都將對各國的核電發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

積極開展國際交流與合作，要在自主研發(fā)、自主設(shè)計的基礎(chǔ)上，重點領(lǐng)域要有自己的核心突破，設(shè)計理念、整體系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計要自己主導(dǎo)，具體領(lǐng)域的一些技術(shù)難度大、國內(nèi)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱的技術(shù)上考慮中外合作的方式。在國際合作中，既要保持自己的路線特色，又要兼顧國際公認的革新性理念，走出適合我國國情的第四代核能系統(tǒng)路線。

5 結(jié)束語

我國當(dāng)前具備跟上世界核電研發(fā)水平的實力和機會，當(dāng)前第四代核能系統(tǒng)正處于國際合作研究的大環(huán)境下，正在開展可存在性和性能研究階段，正是我們介入的好時機。抓住這個切入點，發(fā)揮自主創(chuàng)新的潛力，中國就能擠入第四代核能系統(tǒng)俱樂部，與國際核能發(fā)展保持同步。

[1] Prepared For Electric Power Research Institute US.Advanced Light Water Reactor Utility Requirements Document[R], 1993.

[2] European Utility Requirements For LWR Nuclear Power Plants[R],1955 DTN, Electricity de France, ENELSPA,KEMANetherland.B.V. Etc.Revision B,November 1995.

[3] 歐陽予. 先進核能技術(shù)研究新進展. 中國核電，2009（2）：98-105.

[4] 劉松濤，張森如，張虹. 國外超臨界輕水反應(yīng)堆研究.東方電氣評論,2005年6月(19卷第2期)：69-73.