安全性能越來越高四代核電站的進化之旅

◎本刊主筆 季天也

自從1954年蘇聯(lián)建成了世界第一座核電站以來，人類和平利用核能已經(jīng)長達61年了。在這半個多世紀的時間里，核電技術經(jīng)歷了3次飛躍，共形成了4代技術，每一代核電站在經(jīng)濟性、安全性和高效性方面都取得了更大的突破。那么，從第一代到第四代核電站在技術上都有哪些改進呢？

美國1957年建成的希平港核電站的反應堆容器，該核電站已于1982年退役。

中子敲開核電大門

核能利用的起源可以追溯到80多年前。1932年，英國物理學家詹姆斯·查德威克進行了一系列實驗發(fā)現(xiàn)，原子核的組成部分除了有之前已知的帶正電的質子和帶負電的電子，還存在一種不帶電的中子，使科學界更加全面地認識了原子核的構造和特性。原子彈和核電站所利用的核反應就是由中子觸發(fā)的。查德威克的這一發(fā)現(xiàn)，如同一把開啟原子核之門的鑰匙，成為核能利用的開端，他也因此獲得了1935年的諾貝爾物理學獎。

在這一基礎上，后來的科學家進一步發(fā)現(xiàn)，用游離的中子撞擊鈾等重元素的原子核，會使該原子核一分為二，同時放出比同等水平的化學反應大幾百萬倍以上的恐怖能量，這就是原子彈和核電站的工作原理——核裂變反應。

第一代證明核能發(fā)電可行

盡管世界上第一顆原子彈1945年就在美國誕生了，但它這種瞬間釋放全部能量的反應模式無異于“一錘子買賣”，只是為破壞而生的一介莽夫，用來造福生產(chǎn)生活還是有很大距離的。直到1954年6月27日，蘇聯(lián)終于建成了由石墨水冷反應堆構成、發(fā)電功率為5兆瓦（1兆瓦=1000千瓦=0.1萬千瓦）的世界第一座核電站——奧布涅斯克實驗性核電站。很快，英國在1956年建成了45兆瓦的卡德豪爾石墨氣冷堆原型核電站；美國緊跟著于1957年建成60兆瓦的希平港壓水堆原型核電站，1960年又建成德累斯頓沸水堆原型核電站；1962年加拿大又建成25兆瓦的重水堆核電站……雖然當時它們的發(fā)電功率僅僅相當于同期火力發(fā)電機組的零頭，屬于原型機組，但它們實現(xiàn)了溫和而可持續(xù)的可控核裂變，驗證了核能發(fā)電在技術上是可行的。

根據(jù)燃料形式、冷卻劑種類等因素的不同，核電站反應堆的類型多種多樣，作為一般讀者，我們無需理解這些“高冷”名詞背后的技術含義，只要知道這些實驗性和原型核電站都屬于第一代核電站就妥了。如今，第一代核電站由于技術落后、年代已久、發(fā)電量低、安全性和經(jīng)濟性差等先天不足，基本已經(jīng)退出歷史舞臺。

奧地利裔瑞典科學家麗絲·邁特納（Lise Meitner）（圖左）于1939年4月提出核裂變概念

發(fā)生事故半個月后的美國三哩島核電站

第二代成為商用主力

到了上世紀60年代中后期，核電技術的迅速進步，使得核電站走上系列化、標準化、商業(yè)化建設和運行的大道。上世紀70年代爆發(fā)的兩次石油危機，更是讓核電建設如雨后春筍般發(fā)展壯大。1966 ～1980年間，全球共有242臺核電機組投入運行，最快的時候平均每17天就有一座核電站并網(wǎng)發(fā)電。在這段井噴式發(fā)展時期誕生的核電站，采用的都是第二代核電技術，其單一核電機組的發(fā)電能力大幅提升達到千兆瓦級，是原型機組的上百倍?？梢哉f，第二代核電站在技術可行的基礎上，又進一步證明了核能發(fā)電的商業(yè)可行性。

英國1956年10月建成的卡德豪爾石墨氣冷堆原型核電站，是世界第一座投入商業(yè)化運行的核電站。

時至今日，在全球430多臺現(xiàn)役核電機組中，絕大多數(shù)仍然來自第二代核電站，但它們中的大部分已經(jīng)步入“中老年”階段。我國主要的第二代核電站，有大亞灣核電站、秦山核電站和田灣核電站等。

第三代惡補安全性能

然而，時至今日，核電史上發(fā)生了3件令人擔憂和恐懼的大事——1979年的美國三哩島核事故、1986年的蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故和2011年日本福島核事故。這些災難性環(huán)境事件，暴露出第二代核電站在安全設計上的薄弱之處，核電站的安全性受到強烈抨擊和質疑，民間反核電呼聲四起。

美國和歐洲總結前兩次核事故的教訓，于上世紀90年代分別制定和出臺了《美國核電用戶要求文件（URD）》和《歐洲核電用戶要求文件（EUR）》，對新建核電站的安全性、經(jīng)濟性和先進性提出了明確要求：單機組發(fā)電功率進一步提升到1000 ～1500兆瓦；每個反應堆每年向環(huán)境釋放大量放射性的概率不超過一百萬分之一以下，堆芯（反應堆核芯的簡稱）熔化的概率不超過十萬分之一，安全性比第二代核電機組提高了100倍；核燃料使用周期（即更換周期）長達18 ～24個月，減少了鈾礦資源的消耗和高放射性廢物的產(chǎn)生；設計壽命從40年延長到60年……總之，滿足這一系列嚴苛要求的核電站，在發(fā)電效率、安全性、經(jīng)濟性和資源利用率等方面，都比第二代核電站先進得多，很多重要的結構設計也是第二代核電站不具備的，因此被稱為第三代核電站。

核安全應急理念：不求人

第三代核電站反應堆類型的代表，有美國西屋電氣公司的AP1000、法國阿海琺公司的EPR、俄羅斯原子能公司的AES2006等。其中AP1000的特點是，一旦遭遇緊急情況，它的“非能動安全體系”可不用依賴交流電源、應急發(fā)電機等外部能源，僅利用物質的重力、流體的自然對流、擴散、蒸發(fā)、冷凝等原理，即可在事故應急時冷卻反應堆安全殼并帶走堆芯余熱。至少72小時內，不需要工作人員干預。反應堆安全殼的設計為緊急情況留有很大余地，即使是嚴重事故，也不需要場外應急措施。EPR則擁有一套簡化的安全系統(tǒng)，至少有兩條隔離的獨立交流電源與電網(wǎng)相連；事故發(fā)生時至少30分鐘不需要人工干預；在喪失全部冷卻水的情況下，保證核燃料兩小時內不損壞；停電狀態(tài)下保證燃料8小時內不損壞。目前，這兩種機型已經(jīng)被我國引入并加以推廣。

俄羅斯新西伯利亞化學濃縮工廠工作人員進行核反應堆燃料組裝

核裂變反應原理示意圖

不難看出，這一代核電站的安全理念是強調核電站設施的固有安全性，從而保證事故發(fā)生時，核電站有足夠的自保能力，盡量不靠人工救助，既能讓應急反應更快，又能避免人身傷害。

在新建更好更安全的第三代核電站的同時，自然也不能放任那么多現(xiàn)役的第二代核電站成為“不定時炸彈”。通過增設氫氣控制系統(tǒng)、安全殼泄壓裝置等設備，第二代核電站的安全性能也大幅升級。這里的氫氣來自反應堆過熱，核燃料棒中的金屬材料鋯在高溫下和外圍的水發(fā)生化學反應而生成。福島核事故的爆炸，正是由于氫氣泄漏到空氣中與氧氣混合所引發(fā)。當然這種爆炸不同于核武器爆炸，只是氫氣和氧氣激烈地結合成水的過程，本身并沒有放射性。

改進后的二代核電站，雖然整體上“前浪”難敵“后浪”，但基本滿足了安全要求，不至于短期內被“后浪”拍死在沙灘上。未來一二十年，隨著第二代核電站的老去，第三代核電站將取代它的主力地位。我國目前在建和規(guī)劃待建的核電站，都將采用第三代核電技術。

我國2010年開工的海南昌江核電站采用二代改進型核電技術

第四代還在襁褓中

第三代核電站的熱度還沒過去，美國能源部（DOE）又在1996年提出了以核廢物減量、節(jié)約鈾礦資源、進一步強化固有安全性為目標的第四代核電站的概念。

蘇聯(lián)建成的世界第一座核電站——奧布涅斯克實驗性核電站，已經(jīng)退出歷史舞臺，并被改造成核能博物館。

2001年7月，美國能源部牽頭，由美國、英國、韓國、南非、日本、法國、加拿大、巴西、阿根廷9國，成立了第四代核能系統(tǒng)國際論壇（GIF），中國、瑞士和歐洲原子能共同體后來也加入其中。該論壇目前確立了6種有前途的第四代核反應堆作為重點研發(fā)對象，包括3種快中子堆——鈉冷快堆（SFR）、鉛冷快堆（LFR）和氣冷快堆（GFR），以及3種熱中子堆——超臨界水冷堆（SCWR）、超高溫氣冷堆（VHTR）和熔鹽堆（MSR）。這些設計的目的是要達到大幅減少核廢料、更充分利用鈾資源、降低核電站建造和運營成本、防止放射性物質外泄的目的。

2008年10月和2009年3月，我國分別加入了超高溫氣冷堆和鈉冷快堆兩個系統(tǒng)的研究。超高溫氣冷堆發(fā)電效率高，余熱產(chǎn)量小，由于以氣代水作為冷卻劑，有利于在內陸設廠。在冷卻系統(tǒng)發(fā)生事故后，核燃料溫度上升速度比現(xiàn)役反應堆類型慢得多，進一步遠離堆芯熔化這種有嚴重后果的事故。鈉冷快堆的特點則實現(xiàn)了核燃料與反應產(chǎn)物之間的循環(huán)運轉，而且核燃料的再生速度比消耗速度更快，相當于越用越多，大大提升了鈾的利用率，還能減少高放射性廢物的產(chǎn)量。不過，現(xiàn)在為這些高大上的科技拍手叫好還為時尚早，據(jù)GIF的估計，第四代核電站最快也要到2030年才能投入商業(yè)運行。

第三代核電技術EPR（歐洲先進壓水堆）的安全特點示意圖

更高目標：馴服核聚變

60多年來，核電站的實力可謂一代更比一代強，但它們無疑都是圍繞鈾、釷、钚這些重元素核裂變反應的原理做文章。如果和輕元素發(fā)生核聚變反應的原理相比，即便是當今最先進的第四代核電技術也要甘拜下風。

核聚變原料來自氫元素家族的氘和氚，在特定條件下發(fā)生碰撞，聚合成個頭稍大的氦元素。這個過程比鈾元素裂變產(chǎn)生的能量還要大得多，而產(chǎn)物只有無毒無放射性的氦氣，沒有棘手的高放射性廢物需要處理，原料的豐富程度也是鈾礦儲量難以企及的。太陽就是利用這樣的反應哺育了地球四五十億年。很遺憾，我們現(xiàn)在的科技水平還遠遠駕馭不了這種能量。其實，在第一座核電站問世前兩年，美國就已經(jīng)率先利用核聚變原理，做成了比原子彈威力更強的武器——氫彈。但是，炸彈是沒法用來燒水做飯的，半個多世紀后的今天，人們依然“Hold”不住核聚變的野性。然而，把核聚變從毀滅性武器“馴化”成隨開隨關、火力可調的和平“爐灶”，一直是核電發(fā)展的革命性目標。