世界核電技術的發展趨勢
文洪鈞
(中國核工業集團公司，北京100822)
國家計委制定的《國民經濟和社會發展第十個五年計劃能源發展專項規劃》提出，在實現核電國產化的同時，積極支持我國自主開發新壹代核電站，為“十壹五”及以後的核電發展奠定基礎。國防科工委制定的《國防科技工業軍轉民第十個五年規劃綱要》提出:“加強國產核電研發，同時開展先進壓水堆核電站關鍵技術研發”。
根據國家計委和國防科工委的規劃要求，要開展先進壓水堆關鍵技術和新壹代核電站(即滿足用戶要求的中國核電發展第二步模式和先進機組)的研發。為了正確地指導和推動這項工作，必須在調查研究的基礎上，對世界核電的發展和核電技術的發展趨勢作出正確的分析和判斷。為此，筆者做了這項工作，做了初步分析，供相關專家和領導參考。
1歷史回顧
1.1核能發電技術驗證
20世紀五六十年代，二戰期間為軍事目的發展的核技術轉向民用發展核電，展現了光明的前景。壹些發展核電的先驅國家，如美國、英國、法國、前蘇聯、加拿大、瑞典等國，都自主發展了民用核能。世界核技術的發展已經從軍用轉向民用。在民用核能發展過程中，壹般通過實驗堆的建設和運行驗證工程技術的安全可行性，再通過示範堆的建設驗證經濟可行性，然後轉入標準、定型和批量建設。
1942 65438+2月，美國芝加哥大學建成的世界首個反應堆證明了實現可控核裂變鏈式反應的科學可行性。二戰期間和之後，美國、前蘇聯、英國、法國等國先後建成了壹批生產核武器用鈈的生產堆和核潛艇用動力堆，並建設了壹批實驗和實驗堆，以支持這些反應堆的建設，從而掌握了各種反應堆的基本性能、特點和關鍵技術。
20世紀50年代初，利用現有的軍用核技術建造了用於發電的反應堆，建造實驗堆的階段轉入驗證和論證階段。美國在潛艇動力堆技術的基礎上，於5438+0957年6月建成航運港壓水堆核電站，於1960年7月建成德累斯頓-1沸水堆核電站，為輕水反應堆核電站的發展開辟了道路。1956+00年6月英國建造了考爾德霍爾壹座用於發電的石墨氣冷堆核電站。前蘇聯於1954年在奧布寧斯克建造了APS-1壓力管石墨水冷堆核電站。NPD天然鈾Candu核電廠建於1962。圍繞這些核電站的建設，開展了廣泛的科學研究，解決了核電站建設中的壹系列工程技術問題，證明了核電站能夠安全、經濟、穩定運行，實現了工程可行性和經濟可行性的驗證，為核電在20世紀70-80年代的大規模商業化發展奠定了基礎。
1.2核電大發展時期的標準化和系列化發展
從20世紀60年代到70年代，核電的安全性和經濟性得到了驗證，其相對於常規發電系統的優勢明顯顯現。此時也是世界各國經濟高速發展的時期，電力需求也在十年內翻了壹番，為核電的發展提供了廣闊的市場。核電快速實現了標準化、批量化建設和發展。
在核電大發展時期，也有激烈的競爭。其中壹些由於其固有的特性很難與其他模型競爭(如氣冷重水堆、蒸汽發生重水堆等)。).有發展空間的機型不斷改進，提高安全性和經濟性，如美國通用電氣公司的BWR1和BWR2，形成了系列發展。西屋212、312、412、314、414等。
20世紀70年代和80年代，國際核電發展形成了壹系列模式:
(1)壓水堆核電機組，包括西屋的壓水堆、燃燒工程公司的壓水堆和巴布科克威爾科克(B&；w)公司壓水堆、俄國WWER (VVER)壓水堆、法國法馬通公司壓水堆、德國西門子公司壓水堆、日本三菱公司壓水堆等引進美國西屋公司壓水堆技術後形成的。
(2)沸水堆機組，美國通用電氣公司的沸水堆，瑞典Arcia原子能公司的沸水堆，從美國引進沸水堆技術的日本東芝、日立的沸水堆。
(3)AECL自主研發的天然鈾壓力管式重水反應堆。
(4)前蘇聯基於石墨水冷堆技術研制的石墨水冷堆電站。
(5)英國研制的GRG和AGR核電系列石墨氣冷堆。
上述核電系列中，B&；W公司壓水堆發生三裏島核事故，蘇聯石墨水冷堆發生切爾諾貝利核事故，暴露了設計缺陷，停止了這兩個型號的研制。石墨氣冷堆由於其固有的特性，對天然鈾的需求量大，現場建設量大，使得其經濟競爭力差，也沒有打開國際市場，僅限於在英國建設。可見，由飛機固有特性決定的安全性和經濟競爭力是其持續發展的關鍵。保障安全，提高經濟競爭力，是核電技術發展的方向和動力。
1.3開發更安全、更經濟的先進輕水反應堆核電模型
20世紀70年代和80年代先後發生了李三島和切爾諾貝利兩次重大核事故，特別是災難性的切爾諾貝利核事故，帶來了強烈反響，使公眾對核能的接受成為世界核電發展的壹大障礙。為了解決公眾接受核能的問題，20世紀90年代，世界核電行業集中研究了安全標準、審批程序、模型改進等方面，編制了用戶需求文件，開發了更安全、更經濟的先進輕水反應堆核電技術。
(1)制定“用戶需求文檔”
從1983開始，在NRC的支持下，美國電力研究所(EPRI)經過多年努力，制定了壹個能被供應商、投資者、業主、核安全管理當局、用戶和公眾接受，並能提高安全性和經濟性的核電站設計基本文件，即適用於下壹代輕水反應堆核電站設計的用戶需求文件(URD)。隨後，歐洲國家* * *制定了類似的文件“歐洲用戶需求文件(EUR)”。
URD的主要業績指標:
設計原則:簡單，堅固，不需要原型樁；
燃料熱安全裕度:≥15%；
堆芯熔化概率:
大量放射性物質釋放的概率:
失水事故:破裂6寸以下，燃油未損壞；
設計壽命:60年；
加油周期:18~24個月；
單位可用率:≥87%；
工作人員的輻射劑量:
工期(從澆築第壹罐混凝土到商業運行):1300 MW機組54個月，600 MW機組42個月。
(2)開發更安全、更經濟的車型。
根據URD、歐洲等的要求。，世界核電供應商都在自己量產機型的基礎上進行改進和創新研究。
美國西屋公司研發AP-600核電機組的設計，並於1988獲得美國核管理委員會的最終設計批準(FDA)，以非能動安全系統和簡化設計為特色。此外，APWR- 1000和APWR-1300已與日本三菱公司合作研制，但尚未獲得美國核管理委員會頒發的最終設計批準書。
美國a b-CE公司在其成熟的system 80基礎上，開發了改進型system 80+。1984年取得NRC頒發的最終設計批準，1997年完成所有法律手續，取得NRC頒發的設計許可證。其特征是采用雙回路傳熱系統。
美國GE公司在成熟的沸水堆技術基礎上，研發了先進沸水堆(ABWR)，並於1994獲得美國核管理委員會的最終設計批準，通過所有合法程序於1997獲得美國核管理委員會的設計許可。兩套是日本制造的，運行良好。中國臺灣省正在建造的“核四”就是這種類型的飛機。
法國法馬通公司和德國西門子公司聯合開發了歐洲先進核電機組歐洲壓水堆(EPR)。
俄國在WWER-1000的基礎上，發展了AES-91和AES-92兩種設計，接近美國的URD。AES-92采用了許多被動安全系統。
(3)飛機發展的理念
上述研發的基本思路大致可以分為三類:改良型、創新型和革命性:
在原設計的基礎上，改進就是增加安全裕度，增加應對嚴重事故的安全措施，通過提高單機容量，利用規模經濟來彌補提高安全性帶來的經濟性下降，從而提高經濟性。
創新型的特點是采用基於自然規律(重力、自然循環等)的被動安全。)在技術成熟的基礎上，簡化系統，減少設備，既提高了安全性，又提高了經濟性。
革命型，將本質安全的理念引入設計，從根本上杜絕事故發生的可能。
按照革命性設計思路開發的幾款，遇到了壹些重大技術關鍵，還有很長的路要走。創新單元的代表是AP-600。因為被動安全系統很難采用，所以比改進型成熟的晚。改進型機組的研發相對簡單，如system 80+，ABWR，EPR等。，這些都是成熟的，ABWR已經成功地建立和運行兩個單位。
2核電技術發展的最新趨勢
2.1核能回收的趨勢
(1)美國政府頒布新能源政策，重振核能。20017年5月1日，美國總統布什頒布美國核能新政策，指出“要發展資源無限的清潔核能”。能源政策提出“擴大核能是國家能源政策的重要組成部分”，並提出了壹些促進核能恢復和發展的具體政策。要求美國核管理委員會在審批新型先進反應堆許可證申請的過程中，將安全和環保作為最重要的條件。要求NRC推動核電企業提升現役核電站的安全性，增加發電量。NRC被要求向運行中的核電廠重新發放許可證，以達到或超過安全標準。提出發展下壹代核技術和先進核燃料循環，修訂核燃料處理方法研究，使核廢料少，核不擴散能力強；不鼓勵分離鈈的積累；有必要發展清潔、高效、少廢和防核擴散的乏燃料處理和處置技術。2001年5月召開的核能大會上，美國核工業提出了2020年前核電裝機容量增加5000萬千瓦的假想目標。2001年8月初，美國眾議院通過了《保障美國未來能源》法案，支持在現有核電廠址上建設新的核電機組，增加國家對核能的研究支出，增加大學核科學和核工程的教育和研究支出。
(2)2006 54 38+0 654 38+0年末，俄羅斯原子能部副部長尼克·馬圖林(Nick Mathurin)表示:“位於俄羅斯的歐洲將很快面臨缺電危機，政府唯壹的解決辦法就是建設新的核反應堆。”"為了防止潛在的能源危機，俄羅斯計劃在2020年前建造40座核反應堆."
(3)為履行日本政府減少CO2排放的承諾，日本資源能源部提出，日本將在2001至2010期間新建13座核電站(約1694萬千瓦)。其中沸水堆10座(約12.95萬千瓦，ABWR 8座，沸水堆2座)，壓水堆3座(約399萬千瓦，APWR 2座，壓水堆1座)。自2011起，規劃建設7座核電站，面積848萬千瓦，其中ABWR 5座，沸水堆2座。
2.2第四代核電技術概念的提出
第四代核電技術的概念由克林頓政府能源部於1999年6月首次提出，並得到了壹些國家的支持。
(1)第四代核電技術概念
建於五六十年代的驗證核電站稱為第壹代。上世紀七八十年代標準化、系列化、批量化建設的核電站稱為第二代。第三代是指90年代研發的先進輕水反應堆。第四代核電技術是指有待發展的核電技術，主要特點是防止核擴散、經濟性更好、安全性高、廢物產生少。
(2)發展第四代核電技術的目的。
美國政府對核電行業發展的第三代核電技術不滿意的地方在於，沒有考慮防止核擴散的要求，經濟性也不理想。為加強防止核擴散的要求，進壹步提高經濟性，擬研發第四代核電站。
(3)第四代核電技術的性能要求
2000年5月，由美國能源部發起，阿貢實驗室組織的來自世界各地的約100名專家，提出了第四代核電站的14基本要求。關於經濟性有三項:要有競爭力的發電成本，公交車發電成本3分錢/千瓦時；可接受的投資風險，低於1000美元/千瓦；施工時間(從澆註第壹罐混凝土到反應堆啟動試驗)少於3年。關於核安全和輻射安全有五條:堆芯損壞概率極低；任何可信的壹次事故得到驗證，不會發生嚴重的堆芯損壞；不需要場外應急；對人為錯誤的容忍度高；盡可能少接觸輻射。關於核廢料有三條:必須有完整的解決方案；解決方案被公眾接受；浪費的數量應該是最少的。核不擴散有三點:對武器擴散者的吸引力較小；強大的內外防核擴散能力；應該對防止核擴散進行評估。
從上面可以看出，第四代核電站的要求突出了防止核擴散的問題，沒有考慮核燃料循環和核資源這兩個關系到核能可持續發展的重大問題。
(4)想象開發進度
目前的主要任務是研究確定第四代核電的性能要求，逐步從原理要求，細化到具體指標，然後在此基礎上進行堆型研發。預計2020年前建成壹座或數座示範電站並投入運行；2030年以後再推進建設。2001至2030年期間，將建成壹批先進的第三代輕水堆核電機組。
(5)目前的進展
目前這項工作還處於起步階段，主要由高校教授和科研單位的專家進行探討。提出的性能指標要求只是原則上的，還有很多工作需要深化，需要各方面的審核和認可。要進行實質性的堆型選擇和堆型研發還有很長的路要走。說某型反應堆是第四代核電反應堆還為時過早。
2.3核電模型發展的壹些新趨勢
(1)西屋公司和ABB-CE公司合並後，基於NRC批準的AP-600和系統80+的最終設計，提出了AP-1000的概念。利用AP-600的簡化改進和被動安全的設計理念，80+雙回路的設計思路，將AP-600的60萬千瓦擴展到654.38+0萬千瓦，采用兩個50萬千瓦的回路。簡化設計與擴大規模相結合提高核電的經濟性。
(2)日本三菱公司最近提出研制21世紀核電站的壓水堆型號NP-21，單機容量為1.5萬~ 1.7萬千瓦，四回路，臥式蒸汽發生器。
(3)最近，俄羅斯提出研制654.38+0.5萬千瓦壓水堆模型，四回路，非能動余熱排出系統，立式盤管蒸汽發生器。
(4)韓國在引進ABB-CE系統80核電技術的基礎上，自主提出了大型非能動壓水堆核電站CP-1300的概念，采用了西屋公司的非能動安全系統概念和ABB-CE雙回路的設計。
(5)印度從俄羅斯進口百萬千瓦壓水堆核電機組的合同談判已基本完成，將在中國田灣核電站建成後實施。其機組以我國田灣核電站為基礎，應增加非能動余熱排出系統。
(6)南非提出球床模塊式高溫氣冷堆設計理念，因其熱效率高、經濟性好、安全性好，在國際上引起巨大反響。然而，高溫氣冷堆的重要關鍵技術尚未得到工程驗證，該堆的乏燃料難以處理和處置。此外，高溫氣冷堆的發展還將涉及核燃料循環系統的技術路線。
3世界核電技術的發展趨勢
3.1提高安全性和經濟性已成為核電技術發展的主要趨勢。
在核電市場競爭中，壹個型號保持持續穩定發展而不被市場競爭淘汰的關鍵是保證安全性和經濟競爭力。近十年來，指導核電技術發展的用戶需求文件(URD，EUR)、第四代核電站的最新性能要求以及美國最近頒布的新能源政策都貫穿著壹條主線，即提高安全性和經濟性，在滿足壹定安全要求的條件下，爭取最佳經濟性。例如堆芯熔化概率
3.2延長在役核電廠的使用壽命是世界各國采取的實際行動。
從經濟上來說，延長使用壽命比新建核電站更經濟。從可行性來看，快速更換反應堆部件、延長反應堆壽命等措施在技術上和經濟上都得到了驗證。絕大多數原設計壽命為40年的核電站可以延長到60年。目前，美、英、日等國對延壽做了大量的研究和驗證工作，並通過核安全主管部門的審查批準了延壽。
3.3單機產能繼續向大型化方向發展。
為了提高核電站的經濟性，繼續向大型化方向發展，俄羅斯提出了建設654.38+0.5萬千瓦壓水堆機組的概念；日本三菱公司提出建造654.38+0.5萬至654.38+0.7萬千瓦壓水堆機組；日本東芝和日立提出了建造1.7萬千瓦ABWR-II的概念。西屋公司也在AP-600的基礎上發展到AP-1000。
3.4采用非能動安全系統，簡化系統，減少設備，提高安全性。
世界各國提出的最新設計理念，壹般都是在原設計的基礎上增加非能動安全系統來替代原有的能動安全系統，並不追求全部的非能動安全系統，而是根據技術成熟度和機組安全性、經濟性的提高來確定采用哪些非能動安全系統，即非能動和能動混合安全系統。
3.5通常使用兩個或四個偶數編號的回路，以便於反應堆內安全系統的設置和布置。
以前百萬千瓦機組壹般用三個回路，每個回路30萬千瓦。但最近的壹些設計理念采用偶數回路，每個回路的容量根據設計的單機總容量確定，並不限於30萬千瓦。比如美國的AP-1000是雙回路，每回路50萬千瓦；韓國的CP-1300也是雙回路，每回路65萬kW；日本三菱的NP-21，單機容量1.5萬~ 1.7萬千瓦，四回路，各37.5萬或42.5萬千瓦；俄羅斯1.5萬千瓦的設計理念也是四回路，每回路37.5萬千瓦。偶數回路的主要原因是更容易和更好地將安全系統布置在壓力容器中。
3.6儀表控制系統(I & amp；c)建築的數字化和模塊化。
世界各國核設備供應商提出的新型核電機型無壹例外都采用了全數字儀表控制系統，並進壹步向智能化方向發展。法國的N4和日本的兩臺ABWR機組都是數字式儀表控制系統。新設計的機組采用全數字儀表控制系統。
為了縮短建設周期，提高經濟性，核電建設突破了原有方式，向模塊化方向發展。在標準化、模塊化設計的條件下，通過大型模塊的運輸、吊裝和拼接，增加工廠制造和安裝的工程量，減少現場施工的工程量。這是新壹代車型采用的新技術。該技術已成功應用於GE和日本合作建造的兩臺ABWR裝置。
3.7發展快中子反應堆技術，建立封閉的核燃料循環，使核電可持續發展。
主要工業化國家都建立了自己的核燃料循環技術和系統，基本掌握了快中子增殖堆技術。然而，由於各種因素，壹些國家已經停止了快堆的工程開發。到目前為止，曾經是快堆技術發展先驅的美國，較早停止了快堆的建設，但現在正在研究是否重啟快中子輻照試驗堆FFTF，同時也在從事快堆技術相關的其他研究。法國正在研究利用鳳凰快堆電站燃燒錒系元素和長壽命裂變產物。
俄羅斯是對快堆技術最熱心的國家。它把快堆的發展和封閉燃料循環技術與系統的實施作為21世紀上半葉核電發展戰略的基石，準備重啟從1989開始凍結的壹個BN-800快堆電站計劃，並開始設計BN-1600。
在美國最近頒布的能源政策中，提出要研究先進核燃料循環，以改變過去不用乏燃料後處理的壹次通過燃料循環。美、英、法、德、日等國正在研究先進的燃料循環系統，可以直接處理鈾鈈混合燃料，滿足快堆核電站的要求，無需分離鈾鈈。這樣，核能的發展既符合可持續發展的要求，也符合防止核擴散的要求。
3.8模塊化高溫氣冷堆引起了人們的關註。
南非國家電力公司ESKOM提出了模塊化高溫氣冷堆設計，在國際上反響很大。采用耐高溫包覆顆粒燃料，不會出現堆芯熔化、石墨慢化、氦氣作為冷卻劑、全壽命負溫度系數等事故，是安全性能良好的機型。由於高溫氦渦輪直接循環，熱效率高；被動安全系統，簡化系統；采用直流循環，乏燃料不進行後處理，具有良好的經濟性。但該型飛機仍有壹些重要的關鍵技術，如高溫高壓下的氦氣滲透率，尚未得到工程驗證。特別是乏燃料後處理技術難度很大，很難實現裂變材料的轉化和增殖。其中所含的裂變材料和錒系元素難以處理和處置，不符合資源環境可持續發展的要求。因為這種反應堆確實有很多優點，引起了國際關註，我們也要重視。
4對中國核電技術發展的啟示
(1)中國要發展核電，必須發展更安全、更經濟的新壹代飛機。
提高安全性和經濟性是國內外發展核電必須解決的問題。由三裏島事故和切爾諾貝利核電事故引發的公眾對核能發展的接受，已成為世界核電發展的最大障礙。如果沒有更安全的核電模式來替代目前的模式，並得到公眾的認可，核電是無法持續穩定發展的。對於我國來說，如果停留在廣東大亞灣M310的水平，核電的發展是非常困難的，也是沒有前途的，因為M310的安全性與用戶需求文件(URD、EUR等)相差甚遠。)，而且很難在經濟上與常規火電競爭。中國發展核電，必須順應國際發展趨勢，發展更安全、更經濟的新壹代飛機。
(2)應堅持壓水堆核電的技術路線。
上世紀80年代初，國家計委和原國家科委聯合召開了中國發展核電的技術政策論證會，得到確認，後報國務院批準頒布實施，從而發展了壓水堆核電的技術路線。中國近20年的實踐和國際核電技術最新發展趨勢證明，中國發展壓水堆核電技術的路線是正確的，壓水堆核電技術發展取得了長足進步，建立了良好的科技產業技術基礎，培養了強大、專業的配套科研設計隊伍。中國新建核電機組應充分利用中國已有的壓水堆技術基礎，堅定不移地走壓水堆核電的技術路線，不應輕易改變。
關於高溫氣冷堆，雖然國內外呼聲很高，優點也確實不少，但不確定因素還很多，發展這種堆型的條件還不具備。
至於ABWR，它是壹個很好的反應堆類型。如果我國從零開始，可以考慮研制這種類型的反應堆。鑒於中國在發展壓水堆方面有相當的基礎和經驗，ABWR相對於壓水堆的優勢不足以促使我們放棄壓水堆，轉而選擇ABWR。
(3)中國新壹代核電型號應滿足國際用戶的要求。
中國新壹代核電型號應符合世界核電發展趨勢，並滿足壹些國際用戶要求，如美國的URD和歐洲的EUR。當然，中國要把這些國際用戶需求文件和中國實際情況結合起來，制定符合中國實際的設計需求文件，所以新壹代核電型號要符合中國自己的設計需求文件。要在滿足設計要求文件核安全要求的前提下，爭取最佳經濟性。
(4)新壹代核電型號應考慮采用壓水堆簡化、非能動、數字化的儀表控制系統和模塊化技術。
根據國際核電技術的發展趨勢，我國新建核電機組應考慮采用非能動安全系統，以簡化設計，提高安全性，提高經濟性，但不追求全部的非能動安全，根據可能帶來的效益和改進後實現的可能性做出現實的選擇。采用模塊化技術可以縮短工期，提高經濟性。數字化儀控系統是提高核電安全性、運行可靠性和經濟性的重要措施。
(5)抓緊新壹代核電型號研發，趕上世界核電發展步伐。
根據國家計委《國民經濟和社會發展第十個五年計劃能源發展專項規劃》提出的“自主開發新壹代核電站”的要求和世界核電發展趨勢，抓緊新壹代核電型號的研發，力爭在2010前完成型號研發，具備首批立項條件。從“十二五”開始到“十二五”結束或“十三五”開始，第壹批項目建成投產，實行標準化、批量化建設，總體上趕上世界核電發展的步伐。