第四代核電技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展

閆宏偉，谷 文，鄭寶峰

自1954年世界上第一座核電站問世，截止到2010年底，全球正在運行的核電機組共442個，核電發(fā)電量約占全球發(fā)電總量的16%，正在建設(shè)的核電機組65個。這些反應(yīng)堆有著優(yōu)良的運行記錄。核電用五十多年的時間就超過了水電幾百年達到的在全球能源生產(chǎn)中的地位，已成為世界能源的重要組成部分。鑒于二代、三代核電站在經(jīng)濟、技術(shù)、公眾等方面均是可以接受的，那么，更加先進的核能系統(tǒng)就可能進一步擴大核能應(yīng)用的機會，未來要大規(guī)模采用的新型動力堆稱為第四代核電技術(shù)。

1 第四代核電站的提出

第一代核電站是早期的原型堆電站，即從1950年至1960年前期開發(fā)的輕水堆核電站[1]。

如前蘇聯(lián)1954年建成的世界第一座實驗性核電站（5000 kW），美國希平港壓水堆、德累斯頓沸水堆，英國的鎂諾克斯石墨氣冷堆等，證明了利用核能發(fā)電的技術(shù)可行性。

第二代核電站是1960年后期至1990年前期在第一代核電站基礎(chǔ)上開發(fā)建設(shè)的大型商用核電站[1]。

有壓水堆、沸水堆、坎杜堆以及俄羅斯的VVER和PBMK等，在進一步證明核能發(fā)電技術(shù)可行性的同時，也證明核電的經(jīng)濟性可與火電、水電相競爭。上世紀70年代，因為石油漲價引發(fā)的能源危機促進了核電的發(fā)展，目前世界上商業(yè)運行的四百多座核電機組絕大部分是在這段時期建成的，發(fā)揮著世界核能發(fā)電中堅力量的作用，稱為第二代機組[2]。

我公司目前承制的國內(nèi)百萬千瓦壓力容器項目中，無論是CPR1000堆型，還是M310堆型，都是介于二代與三代之間的壓水堆堆型，通常被稱為二代半堆型，目前此堆型還沒有形成完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，無法滿足我國核電項目出口到國際市場的需求。

第三代核電站是指先進的輕水堆核電站，即從1990后期到2010年開始運行的核電站[1]。

為解決三里島和切爾諾貝利核電站的嚴重事故的負面影響，世界核電界集中力量對嚴重事故的預(yù)防和后果緩解進行了研究和攻關(guān)，美國和歐洲先后出臺“先進輕水堆用戶要求”文件和“歐洲用戶對輕水堆核電站的要求”，進一步明確防范與緩解嚴重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。國際上通常把滿足這兩份文件之一的核電機組稱為第三代核電機組[2]。

第三代核電站采用標準化、最佳化設(shè)計和安全性更高的非能動安全系統(tǒng)，如改進型沸水堆（ABWR）、系統(tǒng) 80+（System 80+）、AP1000、EPR等[1]。

第三代核電技術(shù)問世以后，受到全球核電用戶的普遍關(guān)注，包括中國在內(nèi)的一些核電業(yè)主已經(jīng)選用或準備選用更安全、更經(jīng)濟的第三代核電技術(shù)進行新的核電機組建設(shè)[2]。

我公司目前在制的三門2號反應(yīng)堆壓力容器等項目及后續(xù)將要參與研發(fā)和制造的CP1000及CAP1400堆型就屬于第三代核電站，此堆型的制造成功，將為我國核電設(shè)備出口奠定基礎(chǔ)。

第四代核電站是一種革新型反應(yīng)堆。2000年1月，在美國能源部的倡議下，美國、英國、瑞士、南非、日本、法國、加拿大、巴西、韓國和阿根廷等十個有意發(fā)展核能利用的國家，聯(lián)合組成“第四代國際核能論壇（GIF）”，并于2001年7月簽署了合約，約定共同合作研究開發(fā)第四代核能系統(tǒng)。第四代核能系統(tǒng)是指安全性和經(jīng)濟性更加優(yōu)越，廢物量極少，無需廠外應(yīng)急，并具有防核擴散能力的核能利用系統(tǒng)，預(yù)計可以在2030年以前投入商業(yè)應(yīng)用[2]。

2 第四代核電站的目標要求

為了實現(xiàn)核能發(fā)電美好的未來，第四代核電站的開發(fā)目標可分為以下四個方面。

提高經(jīng)濟性 鑒于發(fā)電成本必須優(yōu)于本國或本地區(qū)建造的其他發(fā)電能源，第四代核電站基礎(chǔ)電力成本都必需具有可與其他電力資源競爭的價格水平[3]。

以秦山核電站為例，一期、二期、三期上網(wǎng)電價分別為0.42元/kW時、0.39元/kW時、0.46元/kW時，均低于浙江火電每千瓦時0.47元的上網(wǎng)電價。目前，采用二代或二代半技術(shù)的核電站投資成本約每千瓦1 000美元，三代核電站測算成本約每千瓦2 000美元。因此，為使投資風險做到最小，第四代核電站的投資費用必需控制在每千瓦1 000美元。以便將來核電站的建造費用能降低到與其他能源競爭的水平，在更加便于市場接受的小型反應(yīng)堆（100 MW）方面，工廠制造核電站的概念受到了人們的關(guān)注[3]。

提高安全性、可靠性 向當局和公眾示范說明其改進的安全裕量，大幅度降低堆芯損傷的概率及程度，具有快速恢復(fù)反應(yīng)堆運行的能力，取消在廠址外采取應(yīng)急措施的必要性[1]，能高度容忍人因錯誤。針對公眾對核電站和核燃料循環(huán)的安全顧慮，必須繼續(xù)確保足夠的可靠性。盡管現(xiàn)有輕水堆技術(shù)是極為安全的，但針對運行和維護的過分依靠，在某種意義上是更容易出問題的。尤其是在熟練技術(shù)支持基礎(chǔ)差的國家或不同安全文件或工作文化的國家，要發(fā)展這種輕水堆技術(shù)可能會存在問題。因此，第四代核電站必需具有更高的安全系數(shù)，不僅要得到國家的安全法規(guī)官員的認可，還要得到一般公眾的認可。第四代核電站的設(shè)計還要公開，通過具有透明度的綜合反應(yīng)堆試驗，證明最可能發(fā)生事故的后果不會發(fā)生重大堆芯損傷。也就是說，在溫度方面，要使用不熔化的堆芯燃料和包殼材料，要使用化學(xué)反應(yīng)性小的冷卻劑，并且在最壞的事故工況下，利用非能動冷卻導(dǎo)熱系統(tǒng)，以實現(xiàn)將堆芯溫度維持在可進行處理的范圍，還要制定出緊急情況下防止給現(xiàn)場外公眾帶來影響的事故方案[3]。

核能的可持續(xù)發(fā)展 從采礦到燃料制造、反應(yīng)堆運行、廢物處理的全部燃料循環(huán)、運輸、反應(yīng)堆解體及去污等所有過程加以考慮，尤其是在所有廢物處理流程中，都應(yīng)有徹底解決的方案。通過對核燃料的有效利用，實現(xiàn)提供持續(xù)生產(chǎn)能源的手段，實現(xiàn)核廢物量的最少化，減輕長期管理事務(wù)，保證公眾健康，保護環(huán)境[3]。

防止核擴散 利用反應(yīng)堆系統(tǒng)本身特性，在商用核燃料循環(huán)中處理材料，對于核擴散具有更高的防止性，將來自核燃料循環(huán)的回收物質(zhì)應(yīng)用于核武器的路完全堵死[3]。

3 中國核電技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

我國目前已建成并正在運行的核電站有6座、13臺機組（見表1），裝機容量1078.6萬kW，還不到全國總發(fā)電量的2%。截至2010年底，全國核電發(fā)電量為473億kW時，在一次性能源消費中占比僅0.5%。

根據(jù)國際原子能機構(gòu)2011年1月公布的最新數(shù)據(jù)，擁有核電機組最多的國家依次為：美國104個、法國58個、日本54個 (世界核工業(yè)聯(lián)合會公布的數(shù)字為55)、俄羅斯32個、韓國21個、印度20個、英國19個、加拿大18個、德國17個、烏克蘭15個、中國13個。其中法國核電占其國內(nèi)總電力的75%、比利時57%、瑞典39%、日本34%、德國31%、英國22%、美國20%、俄羅斯16%。與核電發(fā)展先進國家相比，我國的核能發(fā)電比例還很低。目前我國經(jīng)濟發(fā)展的高速增長，對能源電力的需求缺口很大，尤其是在我國的沿海地區(qū)，嚴重缺電制約著工業(yè)的發(fā)展[2]。

表1 中國核電站概況

因此，當前是中國核電發(fā)展的關(guān)鍵時期，為滿足發(fā)展國民經(jīng)濟對能源的需求，解決我國能源環(huán)境污染，實現(xiàn)溫室氣體減排目標，核電的裝機容量至少需要達到20 000萬kW，核電裝機占到電力總裝機的10%以上，核電發(fā)電量占到總電量的15%以上。只發(fā)展熱堆核電站根本無法滿足這一需求，必需采用熱堆電站與快堆電站“接力”的發(fā)展方式，才有可能實現(xiàn)這一目標。為此，快堆電站必須在2025年開始逐步取代熱堆電站，才能保證核電發(fā)展的燃料供給。

在我國，由清華大學(xué)核能設(shè)計研究院設(shè)計、建造的國家863計劃項目“10兆瓦高溫實驗堆”，2003年1月實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，2009年12月實現(xiàn)72小時連續(xù)滿功率運行，成為世界上首座投入運行的模塊式球床高溫氣冷實驗堆?！笆晃濉逼陂g，大型先進壓水堆及高溫氣冷堆聯(lián)合科研體系基本成型，完全由我國自主研發(fā)的第四代技術(shù)的20萬kW的高溫氣冷堆核電站示范工程，將于近期在山東榮城開工建設(shè)，整個項目加上科研的投資達50億元，建設(shè)周期約4年。

中國實驗快堆是國家“863”計劃重大項目，該堆采用的是已在美、法、俄、日等國家有多堆運行經(jīng)驗的鈉冷快堆技術(shù)，其成功臨界說明我國“壓水堆—快堆—聚變堆”核能“三步走”戰(zhàn)略獲得了突破性的進展，也從根本上為破解鈾資源短缺和核廢料處理難題提供了可能。因此，我國應(yīng)再加大安全高效大型快堆電站的開發(fā)力度，爭取跨越式發(fā)展。力爭到2020年建成中等規(guī)模的原型快堆電站，并具備相應(yīng)的閉合燃料循環(huán)能力。爭取在2025年開工建設(shè)大型快堆示范電站，并在2030年后建設(shè)具有國際上第四代核電技術(shù)特點商用電站。

在發(fā)展核電技術(shù)的同時，也要發(fā)展與之相匹配的燃料循環(huán)技術(shù)。中國的乏燃料后處理技術(shù)雖有一定的基礎(chǔ)，但總體上還比較薄弱，應(yīng)從基礎(chǔ)研究開始，進行先進燃料循環(huán)技術(shù)的研究。

4 結(jié)語

核電行業(yè)半個多世紀曲折的發(fā)展過程，是人們對核電這一新興能源產(chǎn)業(yè)化發(fā)展規(guī)律從進行摸索、認識到成熟掌握的歷史，其結(jié)果是使各國政府和公眾越來越多地認識到核能是可以安全掌握、具有經(jīng)濟競爭力、可持續(xù)發(fā)展的能源。針對世界核電技術(shù)的發(fā)展趨勢及我國經(jīng)濟快速發(fā)展對電力的需求缺口，當前要抓緊二代及二代加核電站的建設(shè)；抓緊三代核電技術(shù)的消化、吸收和自主創(chuàng)新；抓緊快中子反應(yīng)堆技術(shù)的研究開發(fā)；抓緊先進核燃料循環(huán)技術(shù)的研究開發(fā)。

[1]李強.鋯合金在550℃/25 MPa超臨界水中腐蝕行為的研究.上海大學(xué)博士論文，2008-08-01.

[2]范思立.技術(shù)路線漸明中國推動三代核電引進.中國經(jīng)濟時報，2007-05-11.

[3]汪勝國.世界核能發(fā)電的現(xiàn)狀及未來堆型的開發(fā).東方電氣評論，2006-09-25.

[4]陳偉，張軍，李桂菊.核電技術(shù)現(xiàn)狀與研究進展.世界科技研究與發(fā)展，2007-10-15.