先进核能技术研究新进展

* 引!言
! " 世纪 ( " 年代美 苏 等 工 业 发 达 国 家 在 进 行 核 军 备 竞赛的同时 ! 也 竞 相 发 展 核 电 站! 前苏联于$ % ( )年建成 的电功率仅五千千瓦的试验性的第一所原子能电站和美 国于$ % ( &年建成的电功率为九万千瓦的希平港原型核 国际上把这 电站等证明了利 用 核 能 发 电 的 技 术 可 行 性 ! 些试验性和原型核电机组称为第一代核电机组 % 在这些 机组取得的经验的基础上 ! ! " 世纪 # " 年代中期以来陆续 沸水 建成了一 些 电 功 率 在 + " 万 千 瓦 以 上 的 如 压 水 堆& 堆& 重水堆等 核 电 机 组 % 不 仅 进 一 步 证 明 了 核 能 发 电 的 技术可行性 ! 而且也证明了核电的经济性 ! 即在经济上能 与火电 & 水电相竞争 % ! " 世纪 & " 年代因石油涨价引发的 能源危机促进了 核 电 的 发 展 ! 当时核电发展的速度远大 于火电和水电 ! 目前世界上正在商业运行发电的四百多 座核电机组 ! 绝大部分是在这段时期建成的 ! 称为第二代 核电机组 % 虽然从几十年的经验来看核电是一种安全清 洁的能源 ! 但是$ % & %年发生的三里岛严重事故特别是 $ % ’ # 年发生的切尔诺贝利严重事故给社会公众和电业投 资 者 带 来 相 当 大 的 负 面 影 响! 致使核电在! "世纪’ "年 日 本& 韩国和 代和 % " 年代 在 国 际 上 处 于 低 潮 % 但 法 国 & 我国等仍坚 持 了 发 展 核 电 的 方 针 % 美 国 在 ’ "年代撒消 了不少拟建的核电项目 !但仍对核能的前景 进 行 了 认 真 的研究 % 美国能 源 部 和 电 力 研 究 院 的 研 究 结 果 认 为 ! 根 据核电已有的经 验 和 技 术 水 平 ! 是能够设计出新一代的 核电机组 ! 使它的安全性和经济性都显著提高 ! 它的安全 性能够为公众 和 电 力 投 资 者 " 用 户# 所 信 任! 它的经济性 具有参与 市 场 竞 争 的 能 力 % 于 是 美 国 电 力 研 究 院 于 % " 年代出台 了 ’ 先 进 轻 水 堆 用 户 要 求( 文 件! 即I G 8 文件 " I , . K . , " 6 . $ " 1 " / , )8 + : 6 1 " / , %G 2
W( 堆 $ 年 % 堆芯熔化事故概率 ( 即每座反应 $ L " -$ "
堆每一年运行出现此类事故的概率不大于十万分之一 & ’ 大量放射性释放到环境的事故概 率 ($L "-$ "W# 堆 $ 年% 即每座反应堆每运行一 年 出 现 此 类 事 故 的 概 率 不 大于百万分之一 & ’ 核燃料热工安全余量 ’$ (H " 要求能与联合循环的天然气电厂 相 & 在经济性上 ! 竞争 % 我国的提法是要求能与脱硫煤电相竞争 & ’ 机组可利用率 ’’ &H ’ 设计寿命为 # "年’ 建设周期不大于 ( ) 个月 " ’ 采用非能动安全系统 即利用物质 固 有 的 重 力 ( 流 体 的 对 流( 蒸发扩散等 设计不需要专设电 源 或 其 他 动 力 源 驱 动 的 安 天然原理 ! 全系统 ! 以便在应急情况下自 然 冷 却 反 应 堆 和 带 走 堆 芯 余热 " 这样 ! 既使系统简化 ! 设 备 减 少! 又提高了安全性 和经济性 " 这是革新型的重大改进 " ( 单机容量进一步大型化 研究和工程建造经验表 明 ! 轻水堆核电站的单位千 瓦比投资随单机容量 % 千瓦 数 & 的加大而减少的% 在单机 容量为 $ "因此! 欧洲法马 ( " 万 "$ & " 万千瓦前均如此 & 通( 德国电站 联 盟 联 合 设 计 的 E T G 机组额定电功率约 已在 芬 兰 中 标 " 美 国 西 屋 公 司 和 燃 烧 公 司 $ # " 万千瓦 ! 也出于经济性的考虑将原单机容量 # ( 万千瓦的 F T 0 # " " 型机 组 发 展 约 $ $ "万千瓦的 F T 0 $ " " " 型 机 组" 日 本 三 菱提出的 O T 0 ! $型 压 水 堆 核 电 机 组 的 电 功 率 为 $ & "万 千瓦 ! 俄罗斯正在 设 计 的 &&E G 型第三代核电机组功 率为 $ 日本东芝 和 日 立 提 出 了 建 $ ( " 万千瓦 ! & "万千瓦 沸水堆 F A&GW U U的概念设计 " ) 采用整体数字化控制系统 国外近年来新建成投 产 的 核 电 机 组 ! 如法国的 O )(
’卷+期 ! 自 然 杂 志 !!
专题综述 !
先进核能技术研究新进展
欧阳予
中国科学院院士 ! 俄罗斯工程院外籍院士 ! 中国首座自建核电站 " 秦山 # 总设计师 $中国核工业建设集团公司 ! 北京 $ " " ’ ! !
关键词 ! 核电机组 ! 核电站 ! 反应堆 现 正 走 向 复 苏# 本 文 概 #世纪) #年代的发展高潮和% #! + # 年 代 的 低 潮 后" !! 利用核能发电世界范围内经历了 " 述$ 第三代 & 商用核电机组提高安全性和经济 性 的 要 求 和 研 究 开 发 简 况 ’ 第 四 代& 核能利 ! 对新一代 % "对更新一代% 用系统的研究前沿动向 ’ # 可控热核聚变反应堆的前景展望 ’ $ 我国核电的发展 # 欧洲各国电力界 提出了一系 列 定 量 的 指 标 要 求 % 之 后 !
核安全法规 " 进行了修订补充 ! 进一步明确了 O I ; ;系列 # 提高安全可靠性和改善人因工 对防范和缓解严 重 事 故 ! 程等要求 % 事实上 ! 从切 尔 诺 贝 利 事 故 至 今 已 $ 世界) % 年! " " 多座核电机组又积累了 ’" " " 多堆 + 年的运行经验而 没 这就说明 ! 近! 有发生重大事故 ! "年来各拥有核电站国 家所采取的改进措施 ! 包括改 进 机 组 性 能 和 提 高 安 全 文 是 行 之 有 效 的! 使核电的安全性和经济性都有提 化 等! 高 % 但是 ! 仍有 一 些 问 题 是 公 众 和 用 户 关 心 的 重 点 ! 需 如, 要继续寻求更佳的解决 ! % 如何进一步降低 堆 芯 熔 化 和 放 射 性 往 环 境 释 放 使 发 生 这 类 严 重 事 故 的 概 率 减 至 极 小! 以消除 的风 险! 社会公众的顾虑 $ 特别是强放射性和长 寿 & 如何进一步减少核废物 " 命核废物 # 的 产 量 和 找 到 更 佳 妥 善 的 处 理 方 案$ 如何减 少对人员和环境的影响 $ ’ 如何降低核电站 每 单 位 千 瓦 的 造 价 和 缩 短 建 设 周期 ! 提高机组热效率和可 利 用 率 ! 加 长 寿 命! 以进一步 改善其经济性 % 美国 IG8 文件 & 欧洲 E IG 文件和国际原子能机构 主要就是从这些目标出发而提 OI ; ; 建议法规第二 版 ! 出的要求 % 国际上 通 常 把 满 足 IG8 文 件 或 E IG 文 件 的核电机组 称 为 第 三 代 核 电 机 组 % 第 三 代 核 电 机 组 应 能在 ! " $ " 年前进行商用建造和推广 % 与此同时 ! 为 了 从 更 长 远 着 想! 力图从根本上确定 核能 利 用 的 必 要 性& 可 行 性 和 可 持 续 性! 以美国为首的 一些工业发达 国 家 已 经 联 合 起 来 进 行 第 四 代 核 能 利 用
) * $ # ! 对安全性和经济性
也提出了 ’ 欧 洲 用 户 对 轻 水 堆 核 电 站 的 要 求( ! 即E I G
) *文 件 ! ! " # 表达了与 I E 6 $ + " ’ /I , . K . , " 6 . $ " 1 " / , ) G 8 N %G X 文件相同或相似的看法 % 国际原子能机构也对其推荐的
" 第三代核电机组的发展目标
第三代核电机组的设计 原 则 ! 是在采用第二代核电 机组已积累的技术储备和运 行 经 验 的 基 础 上 ! 针对其不 足之 处! 进 一 步 采 用 经 过 开 发 并 验 证 可 行 的 新 技 术! 以 显著改善核电机组 安 全 性 和 经 济 性 ! 满 足 IG8 文 件 或 E IG 文件和 OI ; ; 建议 法 规 的 要 求 " 统 观 各 国 已 提 出 的设计方案 ! 有下列特点 # 应 有 预 防 和 缓 解 严 重 事 故 的 设 施! % 在安全性上 ! 以达到下列指标要求 #
+$ + &+
万方数据
3 D % 3 .O ( E % , & 3 !G
系统的概念 设 计 和 研 究 开 发 工 作 ! 争取在! " + "年左右 能够商用建造 "
! " # $ % & %’ ( ) * $ + , ( + / ) * %!S & + ! ’6 + +! -.
英国 的 ; ( 捷克的 3 日本的 F . B " * " K K " 1 " K . /( A&G 均 采 用了数字化仪控系统 " 经验 证 明 ! 采用数字化仪表控制 系统可显 著 提 高 可 靠 性 ! 改 善 人 因 工 程! 避 免 误 操 作" 世界各国核电 设 计 和 机 组 供 应 商 提 出 的 第 三 代 核 电 机 组无一例外 地 均 采 用 整 体 数 字 化 仪 表 控 制 系 统 " 我 国 $ " >& 高温气冷试验堆 和 田 湾 核 电 站 均 已 采 用 整 体 数 字化控制系统 " * 施工建设模块化以缩短工期 核电建设 工 期 的 长 短 对 其 经 济 性 有 显 著 影 响 " 因 此! 新 的 核 电 机 组 从 设 计 开 始 就 要 考 虑 如 何 缩 短 工 期" 有效办法之一 就 是 改 变 传 统 的 把 单 项 设 备 逐 一 运 往 工 地的 安 装 方 式! 向 模 块 化 方 向 发 展# 以设计标准化和设 备制造模 块 化 的 方 式 尽 可 能 在 制 造 厂 内 % 条件较工地 好& 组装好 ! 减 少 现 场 施 工 量 以 缩 短 工 期" 美 国 和 日 本 联合建设的 F A&G 机组已成 功 地 采 用 了 这 种 技 术 " 美 国F 建 造 技 术! 据称其工 T 0 $ " " " 也将采 用 模 块 化 设 计 ( 期可缩短为 ) 美 国( 南非正在研究设计的 ’ 个月 " 德国 ( 也是往模块化方向发展 " 高温气冷堆 ! 目 前! 国际上开发的第三代核电堆型都是热中子 堆! 如压水堆 ( 沸 水 堆( 高 温 气 冷 堆’ 因为目前还只有热 中子堆能有把握在近期实现 商 用 化 ! 我国已明确第三代 核电的堆型 是 电 功 率 百 万 千 瓦 以 上 的 压 水 堆 " 就 压 水 堆 来 说! 国际上比较成熟的大型核电机组有 F T 0 $ " "( 和 三 个 型 号 " 虽 已 经 美 国 E T G ; ) , " 1 ’ ". ; ) , " 1 ’ ". % % 核管 会 批 准! 但 美 国 已 放 弃 使 用! 因为它的安全系统应 用非能动太 少 " 美 国 西 屋 公 司 F T 0 $ " " "和法国法马通 公司的 E 虽 都 满 足 第 三 代 核 电 机 组 的 要 求! 但也各 T G 约$ 大于 F 有优缺点 # E T G 的单机功率% # " 万 千 瓦& T 0 约$ ! 但它的能 动 安 全 系 统 $ " " " 的单机功率 % $ " 万千瓦 & 比传统的能动安全系统更加复杂 ! 不如 F T 0 $ " " " 的非能 动安全系统先进 " 美国总统布什在其 ) 能源政 策 报 告 * 中 ! " " $年)月! 再次 表 明 了 美 国 政 府 支 持 发 展 核 电 的 决 心! 指 出# 发展 核电是美国 能 源 政 策 的 重 要 组 成 部 分 " 现 在 美 国 工 业 界正 在 能 源 部 的 支 持 下 就 比 较 成 熟 的 压 水 堆( 沸 水 堆( 高温气冷堆中选择第三代核 电 的 系 列 发 展 堆 型 ! 这一工 作正在进行中 " 我国目前正 在 通 过 国 际 招 标ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ和 竞 标 谈 判 选 择 第 三 代核 电 机 组 的 合 作 伙 伴’ 与 此 同 时! 我国也做好了在我 国已掌握的第二代核电技术 的 基 础 上 向 前 发 展 ! 自主走 向第三代的准备 "