未來我國核能技術發(fā)展的主要方向和重點①

(中國核工業(yè)集團有限公司，北京　100822)

1　中國核電發(fā)展現(xiàn)狀

我國核電在運核電廠已達到38臺，總發(fā)電功率超過3 700萬千瓦，在建機組18臺，總裝機容量2 100萬千瓦，到2020年我國在運核電廠預期將達到5 800萬千瓦，占世界第二位。

正如中國工程院、法國科學院及法國國家技術院給國際原子能機構的報告中所寫：“就所有民用核能活動而言，可以認為法國和俄羅斯在當下全球領先。同時，中國在核電站建設方面正在取得重大突破，是未來潛在的領先國家之一?！?/p>

我國核電充分吸收了國際核電發(fā)展的經(jīng)驗和教訓，并采用當前最先進的技術，遵循最高的安全標準，堅持自主創(chuàng)新，不斷改進，并擁有技術先進、實力強大的裝備行業(yè)，以支撐中國核電建設?？梢哉f，中國核電具有“后發(fā)優(yōu)勢”。

我國最早引入和開發(fā)三代核電技術，遵循國際最高安全標準，完全滿足美國“電力公司要求文件”(URD)和歐洲國家的“歐洲電力公司要求”(EUR)，堆芯損壞概率(CDF)小于十萬分之一，大量放射性釋放概率(LRF)小于百萬分之一。

我國率先在三門、海陽引進、建設首批4臺AP1000先進壓水堆核電廠，同時在臺山建設2臺EPR1700先進壓水堆核電廠。我國自主研發(fā)的三代核電包括CAP1400和“華龍一號”，其中“華龍一號”正在福建福清、廣西防城港和巴基斯坦卡拉奇順利建設，并積極準備進入英國市場。

“華龍一號”是在我國具有成熟技術和規(guī)?；穗娊ㄔO及運行的基礎上，通過優(yōu)化和改進，自主設計建設的三代壓水堆核電機組。它滿足先進壓水堆核電廠的標準規(guī)范，其主要特點有：1)采用標準三環(huán)路設計，堆芯由177個燃料組件組成，降低堆芯比功率，滿足熱工安全余量大于15%的要求；2)采用能動加非能動的安全系統(tǒng)；3)采用雙層安全殼，具有抗擊大型商用飛機撞擊的能力；4)設置嚴重事故緩解設施，包括增設穩(wěn)壓器卸壓排放系統(tǒng)，非能動氫氣復合裝置，以及堆腔淹沒系統(tǒng)，保持堆芯熔融物滯留在壓力容器內(nèi)；5)設置濕式(文丘里)過濾排放系統(tǒng)，以防止安全殼超壓；6)設計基準地面水平加速度為0.3g；7)全數(shù)字化儀控系統(tǒng)。

2　持續(xù)提高核電的安全性

我國和國際上都在進行提高核電的安全性研究，主要有從設計上實際消除大規(guī)模放射性釋放，保持安全殼完整性，嚴重事故預防和緩解(包括：嚴重事故管理導則，極端自然災害預防管理導則)，耐事故燃料(ATF)研究以及先進的廢物處理和處置技術的開發(fā)和應用。

國際上安全監(jiān)管機構都要求新建反應堆應滿足下列安全目標：

(1)必須實際消除出現(xiàn)堆芯熔化、導致早期或大量放射性泄露的事故；

(2)對可能發(fā)生的堆芯熔化嚴重事故，必須保證只需對公眾在一定地域/時期內(nèi)采取有限保護措施(無需永久遷居、無需緊急撤離、無需長期限制食品消費)；

(3)在外部事件方面，傾向于將大飛機蓄意撞擊考慮進去。

三代核電站在研發(fā)時考慮到了上述安全目標，其特征如下：

(1)第三代核電站使高壓堆芯熔毀的頻率降低10倍以上；

(2)反應堆設有在堆芯熔毀時收集熔融物的堆芯捕集器，以及其其他安全及嚴重事故緩解設施;

(3)為操作員在事故下干預策略(包括：在出現(xiàn)安全殼超壓風險時，啟動濕式過濾排放)留出足夠時間采取行動，并做到實際消除大規(guī)模放射性釋放；

(4)為防止安全殼超壓損傷，設置安全殼濕式卸壓過濾排放系統(tǒng)(放射性下降2～3個量級)，以消除剩余風險。

(5)從而可以做到即使在發(fā)生極其嚴重的核事故時，核電站附近大范圍居民無需撤離，也無需擔心食物受到污染，只需短時間隱蔽，不存在長期環(huán)境及生態(tài)影響，符合安全監(jiān)管機構的安全目標。

3　耐事故燃料研發(fā)

3.1　耐事故燃料研發(fā)目標

降低堆芯(燃料)熔化的風險、緩解或消除鋯水反應導致的氫爆風險、提高事故下裂變產(chǎn)物的包容能力，最終保證核安全。

3.2　耐事故燃料研發(fā)技術方向

有三類待選的包殼材料，四種研發(fā)核燃料，整個研發(fā)構成一個不斷提高核燃料耐事故性能的路線圖(見圖1)。

圖1　核燃料耐事故性能路線圖Fig.1　Roadmap of the accident tolerant fuel

3.3　國際進展

美國西屋公司將于2019年將耐事故燃料的先導組件裝入愛克斯龍電力公司拜倫核電站隨堆考驗。該組件采用硅化鈾芯塊和薄鉻鍍層的鋯包殼組成，而硅化鈾芯塊能提供更高的鈾密度，從而減少換料量。第二階段西屋計劃使用硅化鈾芯塊和碳化硅包殼。

法國阿海琺公司將于2019年將4個新型耐事故燃料棒裝入美國襖格特勒核電站2號機組號機組，該燃料棒采用含鉻氧化鈾芯塊和帶有鉻鍍層的鋯包殼，該芯塊有更高的密度，能在失水事故時減少裂變氣體釋放，加強在高溫下抗氧化能力減少氫釋放。下一步將繼續(xù)研究碳化硅包殼。

俄羅斯研究使用同位素改性鉬來替代鋯作為核燃料包殼材料，以提高其安全性。使用同位素分離技術將92Mo和100Mo含量提高到95%，能獲得與鋯相當?shù)奈锢硖匦浴?/p>

4　人工智能在核電的應用

2017年7月，國務院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》(國發(fā)〔2017〕35號)指出，到2020年人工智能總體技術和應用與世界先進水平同步。核工業(yè)是高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國家安全重要基石，人工智能的應用具有重要意義。

落實新一代人工智能在核能行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，需深入并廣泛應用以工業(yè)機器人、圖像識別、深度自學習系統(tǒng)、自適應控制、自主操縱、人機混合智能、虛擬現(xiàn)實智能建模等為代表的新型人工智能技術。核電領域人工智能發(fā)展的三階段如圖2所示。

圖2　核電領域人工智能發(fā)展的三階段Fig.2　Three phases of artificial intelligence development on nuclear power

我國大部分核電站已采用全數(shù)字化儀控系統(tǒng)，為人工智能的開發(fā)創(chuàng)造了基礎；我國正在開發(fā)數(shù)字化核電站，以便真實仿真核電站的實際情況和運行的動態(tài)過程；在這個基礎上就可以預測事件的進程和擬采取的操作措施的有效性，也就是說實現(xiàn)了某種人工智能的操作指導或事故處理指導。

核電領域人工智能應用，將提高核電運行的安全性；加強核電關鍵系統(tǒng)和設備的自動運行監(jiān)控，提高系統(tǒng)、設備的可靠性；提高核電站運行的可利用率，提高經(jīng)濟性；對人不可達區(qū)域通過機器人進行維修，減少工作人員的受照劑量；為嚴重事故處理創(chuàng)造技術條件；為核電站退役創(chuàng)造技術條件。

5　小型堆的開發(fā)研究——多用途模塊式小型堆

5.1　基本情況

從20世紀70年代開始，國際上推進了創(chuàng)新的中小型反應堆(50～300 MW)的研發(fā)，以支持多種應用，包括偏遠位置、未并入鄰近電網(wǎng)的中小型電網(wǎng)、舊燃煤機組更換、將廢熱用于供熱網(wǎng)絡的熱電聯(lián)產(chǎn)(集中供熱和工藝熱供應)、海水淡化、海島開發(fā)、將核電項目逐步引入新的國家。

盡管市場前景廣闊，國外也開展了一些設計研究，但這些小型模塊化反應堆還未能展示出大規(guī)模應用的實用性，主要是由于開發(fā)的進展緩慢、經(jīng)濟方面的原因(單位造價、安裝復雜、分散和培訓成本分散)，還有廠址準備和部署的延遲。

出于鞏固核能領導地位和能源領域、核技術方面取得的主要進展，在美國能源部的倡議下，近年來，國際上對小型模塊化反應堆的興趣越來越強烈。小型模塊化反應堆是“游戲改變者”，能夠以高安全水平提供不同的核電聯(lián)產(chǎn)解決方案。

小型模塊化反應堆可成為清潔穩(wěn)定的分布式能源，主要是由于其可減少化石燃料使用的需求；分布式能源(可再生能源、智能電網(wǎng)、儲能)；操作機動、靈活；解決了長期投資項目融資的問題。由于運用非能動安全概念的可能性，工廠內(nèi)模塊化建造能力的形成以及“即插即用”概念的運用，即發(fā)電站完全在工廠內(nèi)建造，然后運到現(xiàn)場接入電網(wǎng)(包括浮動核電站)，大大提升了小堆的競爭力和吸引力。

5.2　國際研發(fā)情況

國際上，45種以上革新型中小型反應堆概念和設計，部署目標介于2012年至2030年之間。小堆在美國、歐洲、亞洲的發(fā)展如下：

(1)美國

2011年撥款3890萬美元，用于模塊式反應堆取證和商業(yè)化。美國參議院新議案中，將小堆開發(fā)列入了聯(lián)邦政府資助名單。

(2)歐洲

法國：過多地將注意力放在過于復雜的EPR上，建議阿?，m提供小型的、更廉價的核反應堆；

俄羅斯：目前已發(fā)展了VBER150、VBER300、KLT40。

(3)亞洲

東芝：研發(fā)10 MWe小堆，30年內(nèi)不必更換燃料，可供日本3 000個家庭用電；

三菱重工：正在研發(fā)350 MW小堆，目前已完成概念設計；

日立：和美國通用電氣合作研發(fā)400MW至600 MW的中型核反應堆；

韓國：目前開發(fā)了SMART。

5.3　廣泛用途

模塊小型堆具有高參數(shù)，可涵蓋核能發(fā)電、工業(yè)工藝供熱、城市區(qū)域供熱、海水淡化等多種用途所需的熱能參數(shù)要求(見圖3)。

圖3　模塊小型堆堆應用Fig.3　Application of the small modular reactors

要切實滿足市場需求，新的小型模塊化反應堆必須真正采用創(chuàng)新理念，絕對不能是目前的第三代反應堆的縮小版。創(chuàng)新的設計可明顯提升小型模塊化反應堆在經(jīng)濟上的競爭力。相對于間歇性風電、太陽能發(fā)電、天然氣發(fā)電和用于特定應用的柴油發(fā)電機相比，小型模塊化反應堆是有競爭力的。如果類似于“即插即用”、設計完全獨立于安裝地點的解決方案得到證實，它們可以成為滿足市場需求、從而為能源轉(zhuǎn)型作出貢獻的最佳選擇。

要充分吸取核能特殊創(chuàng)新技術發(fā)展：

(1)高性能燃料

燃耗增加，而膨脹和裂變氣體釋放量有限；耐事故燃料開發(fā)，能承受高溫不熔化，防止鋯水反應，從而能在發(fā)生事故時防止或限制氫的產(chǎn)生;

(2)改進的堆芯內(nèi)儀表，準確性更高，可減少設計分析和運行時的保守性;

(3)更加深刻理解堆芯熔融行為，優(yōu)化事故工況下燃料在壓力容器內(nèi)滯留措施;

(4)實施最新模擬方法，實時耦合熱工水力和中子計算，可大大提高設計和運行能力;

吸取從其他行業(yè)轉(zhuǎn)來的技術：

(1)核設施設計、采購、建設和項目管理的數(shù)字化;

(2)低壓回路系統(tǒng)采用新型復合材料以取代鋼材；

(3)采用高機械性能和抗?jié)B性能的先進混凝土等。

5.4　國內(nèi)外進展

中核集團開發(fā)了一體化的核蒸汽供應系統(tǒng)ACP100，反應堆一體化布置，內(nèi)置直流蒸汽發(fā)生器，屏蔽式主泵，集成式堆頂結構，非能動安全設施。半地下布置，出力125 MW。準備在海南建設示范工程。如采用耐事故燃料，則可以排除氫爆及堆芯熔化事故(見圖4)。

圖4　ACP100模型圖Fig.4　Model diagram of ACP100

美國開發(fā)的NuScale，采用自然循環(huán)冷卻，鋼安全殼緊貼反應堆壓力容器。反應堆全地下布置。具有創(chuàng)新型非能動安全系統(tǒng)，當故障導致壓力容器內(nèi)部壓力過高時，排放閥自動打開，堆芯冷卻水壓力容器、安全殼和水池構成排熱系統(tǒng)，能在事故工況下依靠自然循環(huán)排出熱量，至少30天無需人工干預。

6　小型堆的開發(fā)研究——低溫核能供熱

6.1　陜西省調(diào)研核能供熱代替燃煤的必要性

由于偏重傳統(tǒng)能源與重化工業(yè)，快速發(fā)展的陜西關中地區(qū)大氣污染物排放總量長期居于高位，空氣中細顆粒物( PM2.5 )濃度位居全省前列，年均霧霾天氣日數(shù)居高難下。

據(jù)統(tǒng)計，以西安市為代表的關中城市2016年上半年優(yōu)良天數(shù)同比減少42天，位居全國74個重點監(jiān)測城市的后位。PM10、PM2.5同比分別上升16.3%和和16.1%，環(huán)境壓力持續(xù)加大。

6.2　泳池式低溫供熱堆

泳池式低溫供熱堆特性包括：

(1)零堆熔

在嚴重事故情況下，反應堆依賴固有負反饋特性可實現(xiàn)自動停堆，即使沒有任何干預，也可實現(xiàn)26天堆芯冷卻不熔毀。

(2)抗外部事件能力強

水池全部埋入地下，避免因自然及人為原因造成重要設備損壞而發(fā)生核事故。

(3)零排放(見表1)

表1　燃煤鍋爐、燃氣鍋爐及核供熱堆堆排放量Table 1　The emission between Coal-fired boiler,Gas boiler&Nuclear heating reactor

(4)易退役

放射性源項小，是常規(guī)核電站的百分之一，退役徹底，廠址可恢復綠色復用。

泳池式低溫供熱堆還可應用于利用溴化鋰吸熱循環(huán)制冷，以便在夏季實現(xiàn)城市供冷，提高供熱堆的利用率；生產(chǎn)同位素；生產(chǎn)醫(yī)用短壽命同位素，如18Fe、99mTc、131I、89Sr、32P、125I等，具有性能優(yōu)良、半衰期合適、方便易得等特點，且供熱堆分布面廣，離城市大醫(yī)院近，便于短壽命同位素運輸，為推廣同位素診斷和治療創(chuàng)造有利條件；利用低溫真空閃蒸進行海水淡化。

7　結束語

核電仍是一種相對年輕的技術，還處于不斷進步中。正在建設的最新一代反應堆(三代)的設計可以保證即使發(fā)生堆芯熔化等嚴重事故，基本上也不會在核電站之外產(chǎn)生較大的放射性后果。

科技進步進一步提升核電安全性，其技術發(fā)展路線已初見端倪，應鼓勵其開發(fā)工作。核電的安全確有保證。

核能有廣泛的應用前景，它將為人們的低碳綠色生活，提供多種服務。