世界核电技术发展趋势及第三代核电技术的定位

[摘要]本文简要叙述世界核电技术发展的历程和展望,着重讲:(1)国际上对第三代核电机组安全性和经济性的要求和为满足这些要求所采取的措施;(2)第三代压水堆AP-1000和EPR为预防和缓解严重事故的安全设计特点;(3)第四代核能系统的开发规划和工作路线图;(4)我国核电技术的发展。

一、引 言

核电站的开发与建设开始于上世纪50年代。1954年，前苏联建成电功率为五千千瓦的实验性核电站;1957年，美国建成电功率为九万千瓦的希平港原型核电站;这些成就证明了利用核能发电的技术可行性。国际上把上述实验性和原型核电机组称为第一代核电机组。

上世纪60年代后期，在试验性和原型核电机组基础上，陆续建成电功率在30万千瓦以上的压水堆、沸水堆、重水堆等核电机组，它们在进一步证明核能发电技术可行性的同时，使核电的经济性也得以证明:可与火电、水电相竞争。上世纪70年代，因石油涨价引发的能源危机促进了核电的发展，目前世界上商业运行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。

1979年以前，人们普遍认为核电是安全清洁的能源。1979年和1986年分别发生在三里岛和切尔诺贝利核电站的严重事故的负面影响，使核电发展进入低潮，社会公众增大了对核电安全性的顾虑，电业投资者也放慢了投资步伐。但中国、法国、日本和韩国等国家发展核电的方针仍然没有改变，认为核电站的安全性是能够改进、提高的。上世纪80年代，虽然美国撤销了不少拟建的核电项目，但没有放弃发展核电事业的可行性研究。美国能源部和电力研究院的研究结果认为：以已有的核电经验和技术水平为基础，美国能够设计出新一代核电机组，其安全性能为社会公众和电力投资者所认可，其经济性具备参与市场竞争的能力。进而美国电力研究院于90年代出台了“先进轻水堆用户要求”文件，即URD文件(Utility Requirements Document)，用一系列定量指标来规范核电站的安全性和经济性。欧洲出台的“欧洲用户对轻水堆核电站的要求”，即EUR(European Utility Requirements)文件，也表达了与URD文件相同或相似的看法。国际原子能机构也对其推荐的核安全法规(NUSS系列)进行了修订补充，进一步明确了防范与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。

切尔诺贝利事故已经过去20年，期间世界400多座核电机组又积累了8000多堆年的运行经验，且无重大事故发生。这说明核电站改进措施已见成效，核电安全性和经济性都有所提高。但公众和用户对发展核电事业仍有些许疑虑，因而必须着力解决以下问题：

(1) 进一步降低堆芯熔化和放射性向环境释放的风险，使发生严重事故的概率减小到极至，以消除社会公众的顾虑;

(2) 进一步减少核废料(特别是强放射性和长寿命核废料)的产量，寻求更佳的核废料处理方案，减少对人员和环境的剂量影响;

(3) 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，提高寿期,以进一步改善其经济性。

美国URD文件、欧洲EUR文件和国际原子能机构NUSS建议法规修订第二版就主要依据上述目标而提出的。国际上通常把满足URD文件或EUR文件的核电机组称为第三代核电机组;对第三代核电机组,要求能在2010年前进行商用建造。

与此同时，为了从更长远的核能的可持续性发展着想，以美国为首一些工业发达国家已经联合起来组成“第四代国际核能论坛”(Generation 4 International Nuclear Energy Forum,简称GIF),进行第四代核能利用系统的研究和开发。第四代是指安全性和经济性都更加优越，废物量极少，无需厂外应急，并具有防核扩散能力的核能利用系统，它的商用化估计要到2030年左右方能实现。

二、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验证是可行的新技术，以显著改善其安全性和经济性，满足URD文件或EUR文件和IAEA法规第二版的要求;同时，应能在2010年前进行商用核电站的建造。统观各国已提出的设计方案，有下列特点：

1、在安全性上，应具有预防和缓解严重事故的设施,以满足下列指标要求：

a. 堆芯熔化事故概率≤1.0 X 10-5堆·年;

b, 大量放射性释放到环境的事故概率≤1.0 X 10-6堆·年;

核燃料热工安全余量≥15%。

2、在经济性上，要求能与联合循环的天然气电厂相竞争;

机组可利用率≥87%;

设计寿命为60年

建设周期不大于54个月。

3、采用非能动安全系统

即利用物质的重力，流体的对流，扩散等天然原理，设计不需要专设动力源驱动的安全系统，以适应在应急情况下冷却和带走堆芯余热的需要。这样，既使系统简化，设备减少，又提高了安全度和经济性。这是革新型的重大改进，是代表核安全发展方向的。

4、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是随单机容量(千瓦数)的加大而减少的(在单机容量为150万-170万千瓦前均如此)。因此，欧洲法马通ANP设计的EPR机组的电功率为160万-170万千瓦，日本三菱提出的NP-21型压水堆核电机组的电功率为170万千瓦，俄罗斯也正在设计单机电功率为150万千瓦的WWER型第三代核电机组，美国西屋公司和燃烧公司也在原单机容量为65万千瓦的AP-600型的基础上改进，设计出单机电功率为110-120万千瓦的AP-1000型机组。

5、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N4、英国的Sizewell、捷克的Temelin、日本的ABWR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10MW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。

6、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ABWR机组已成功地采用了这种技术。美国AP-1000也将采用模块化设计、建造技术，据称其工期可缩短为48个月。德国、美国、南非正在研究设计的高温气冷堆，也是往模块化方向发展。

在美国，为了实现第三代核电机组能在2010年前建造，在能源部的倡仪下，组建了一个审评各种新型号的核电机组能否在2010年前实施建造的工作小组，称为“近期项目实施组”(Near-Term-Deploement Group，-NTDG组)，广泛收集了电站用户和反应堆设计制造厂家等对已经出笼的反应堆新型号的意见，包括对其设计完成的深度，获得核安全当局批准的能力，与现有基础设施的匹配性、安全性和经济性指标的可信程度等方面的意见。根据意见反馈结果，NTDG组提出了对8个型号的堆型在2010年前能否实施建造的结论性看法，分为：能(can)，大概能(probably can)，有可能(possibly can)和不能(can not )四个等级，见表1。