國外第三代核電機(jī)組的研究與開發(fā)

國外第三代核電機(jī)組的研究與開發(fā)

1第三代核電機(jī)組genalforad20世紀(jì)80年代，美國發(fā)布了《先進(jìn)輕水架用戶要求》文件，即urd文件（utilyityreguireguireg，），這對核電廠的安全和經(jīng)濟(jì)性提出了定量指標(biāo)要求。之后,歐洲各國電力界也提出了“歐洲用戶對輕水堆核電站的要求”,即EUR文件(EuropeanUtilityRequirements),表達(dá)了與URD文件相同或相似的看法。國際原子能機(jī)構(gòu)也對其推薦的核安全法規(guī)(NUSS系列)進(jìn)行了修訂補(bǔ)充,進(jìn)一步明確了對防范和緩解嚴(yán)重事故,提高安全可靠性和改善人因工程等要求。國際上通常把滿足URD文件或EUR文件的核電機(jī)組稱為第三代核電機(jī)組。2000年1月,在美國能源部的倡議下,美國、法國、日本、英國等核電發(fā)達(dá)國家組建了“第四代核能國際論壇”(GenerationIVInternationalForum,簡稱GIF),并于2001年7月簽署了合約,共同合作研究開發(fā)第四代核能系統(tǒng)(GenerationIVSystem)。GIF的工作集中在一個或多個第四代核能系統(tǒng)的合作開發(fā)和示范方面,這些系統(tǒng)可能具有經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性、可持續(xù)性的優(yōu)點(diǎn),并且可能在2030年前投入商業(yè)使用。GIF提出了第四代核能系統(tǒng)的具體技術(shù)目標(biāo),主要是:可持續(xù)性:滿足清潔空氣目標(biāo)以及提高系統(tǒng)長期可用率和全世界能源生產(chǎn)的有效燃料利用;最大限度地減少核廢物和管理核廢物以及減少長期管理工作;經(jīng)濟(jì)性:提供優(yōu)于其他能源的壽期成本;提供可與其他能源項(xiàng)目相比較的財政風(fēng)險水平;安全性和可靠性:有很高的安全性和可靠性;堆芯損壞的可能性和損壞程度非常低;消除對場外應(yīng)急響應(yīng)的需要;防擴(kuò)散能力和實(shí)物保護(hù):加強(qiáng)實(shí)物保護(hù),以防止犯罪分子轉(zhuǎn)移或盜竊武器可用材料,以及防范恐怖襲擊。配合GIF,選出了6種創(chuàng)新反應(yīng)堆概念及其支持性的燃料循環(huán)供進(jìn)一步的合作研究與開發(fā),它們是:超臨界水冷反應(yīng)堆(SCWR)——在水的熱力學(xué)臨界點(diǎn)以上運(yùn)行的高溫高壓水冷反應(yīng)堆;熔鹽反應(yīng)堆(MSR)——在超熱中子譜反應(yīng)堆中用循環(huán)的熔鹽燃料混合物生產(chǎn)裂變電力和使用全部錒系元素再循環(huán)的燃料循環(huán);超高溫反應(yīng)堆(VHTR)——采用一次通過式鈾燃料循環(huán)的石墨慢化氦冷反應(yīng)堆;鈉冷快堆(SFR)——快中子譜、鈉冷堆和有效管理錒系元素和轉(zhuǎn)化鈾-238的閉式燃料循環(huán)(見圖1);鉛冷快堆(LFR)——快中子譜、鉛或鉛/鉍低共熔液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆和有效轉(zhuǎn)化鈾-238和管理錒系元素的閉合燃料循環(huán);氣冷快堆(GFR)——快中子譜、氦冷反應(yīng)堆和閉合燃料循環(huán)(見圖2)。第四代核能系統(tǒng)相對第三代來說,是完全革新的新一代核能系統(tǒng)。第三代核電機(jī)組的設(shè)計原則,是在采用第二代核電機(jī)組已積累的技術(shù)儲備和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,針對其不足之處,進(jìn)一步采用經(jīng)過開發(fā)驗(yàn)證可行的新技術(shù),以顯著改善其安全性和經(jīng)濟(jì)性,滿足URD文件或EUR文件和NUSS建議法規(guī)的要求。三代堆突破性的革新技術(shù)較少,基本上是在二代的基礎(chǔ)上修修補(bǔ)補(bǔ),采用一些跟隨當(dāng)今技術(shù)潮流的新技術(shù)。而第四代核能系統(tǒng)是瞄準(zhǔn)未來的用戶需求,對堆型的根本性創(chuàng)新設(shè)計提出了較高的要求,從堆型概念設(shè)計開始,從根本上解決目前核電發(fā)展過程中遇到的安全性、經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)發(fā)展性、防核擴(kuò)散和恐怖襲擊等方面的問題。第三代堆基本上都是熱中子堆,而第四代只有兩種是熱中子堆,一種是新概念堆,另外三種是快堆。目前,第三代的消化、吸收、再創(chuàng)新,最終結(jié)果是在第三代的基礎(chǔ)上的改進(jìn),要滿足未來對于核能系統(tǒng)的更高先進(jìn)性要求,要想在設(shè)計理念上的根本性革新突破,仍然需要第四代核能系統(tǒng)作為支撐。2城市供熱水力研究GIF提出了第四代核能系統(tǒng)初步的工作“路線圖”。認(rèn)為從現(xiàn)在的概念設(shè)想轉(zhuǎn)到商用實(shí)施(產(chǎn)業(yè)化),需經(jīng)四個步驟:第一步:可存在性(Viability)研究。明確方案切實(shí)可行的關(guān)鍵所在,并證明其原則上是可行的;第二步:性能研究。工程規(guī)模的研究開發(fā)和優(yōu)化,使其性能達(dá)到期望的水平;第三步:系統(tǒng)示范。建造中等或較大規(guī)模的示范系統(tǒng)以驗(yàn)證設(shè)計;第四步:商用實(shí)施。目前,世界上不僅限于GIF成員,美國、日本和歐盟都有專門的研究機(jī)構(gòu)和基金負(fù)責(zé)相關(guān)技術(shù)的開發(fā)和試驗(yàn),正在逐步開展可存在性和性能研究。以超臨界輕水冷卻反應(yīng)堆為例,其高熱效率大大提高了核電的經(jīng)濟(jì)性和競爭力,因此它的研究也得到了世界主要核技術(shù)大國的大力支持,目前已設(shè)計出適用于超臨界情況下的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱工水力分析程序,完成了反應(yīng)堆堆芯、一回路、控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等的初步設(shè)計,同時研究了反應(yīng)堆運(yùn)行時15種瞬態(tài)、事故工況和LOCA的物理過程和傳熱情況,提出了熱工水力進(jìn)一步研究的方向在于優(yōu)化堆芯相關(guān)參數(shù),盡力提高冷卻劑出口平均溫度,以獲取更高的熱效率。目前尚不能確定究竟哪種堆型系統(tǒng)能成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,但按照GIF對第四代的發(fā)展計劃,將在2020年前后選定一種或幾種堆型,2025年前后建成創(chuàng)新的原型機(jī)組系統(tǒng)示范,大約從2030年起廣泛地采用第四代核電機(jī)組系統(tǒng)。中國原子能科學(xué)研究院的快堆研究也進(jìn)入原型堆階段。在此基礎(chǔ)上,瞄準(zhǔn)未來先進(jìn)核能技術(shù)的需要,研發(fā)具有第四代核能特征的快堆電站,應(yīng)是我國第四代核能技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)之一。今后大規(guī)模發(fā)展核能需要快堆與壓水堆匹配發(fā)展。作為我國第四代核能技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn),快堆研發(fā)已納入國家重大項(xiàng)目專項(xiàng)。超臨界水堆在我國剛剛起步,在超臨界火力發(fā)電機(jī)組方面,我國已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),超臨界水的流動傳熱研究和高溫高壓材料的研究也已開展。國內(nèi)一些大學(xué)例如上海交通大學(xué),也開展了超臨界壓力下的熱工水力特性實(shí)驗(yàn)和理論研究。我國在20世紀(jì)70年代就開始了高溫氣冷堆的基礎(chǔ)研究,2000年12月建成10MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆HTR-10,目前,電功率為200MW的高溫氣冷堆示范電站即將開工建設(shè)。因此,發(fā)展超高溫氣冷堆,我國具有很好的基礎(chǔ)。3我國用電能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀(1)尚缺乏產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)性當(dāng)前的第四代研究與實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的研發(fā)過程缺少互相支撐和依托,通常是各自干各自的,不能形成有效的產(chǎn)業(yè)化鏈條。從快堆到超臨界水堆的研究,在研究所或者高校的層面進(jìn)行基礎(chǔ)性研究是必須的階段,如何把研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用企業(yè)連接起來是關(guān)鍵,目前的研究需要大量的工程驗(yàn)證,而不僅是在實(shí)驗(yàn)室做研究。高溫氣冷堆的研究就面臨著示范電站的各種工程實(shí)際問題,例如經(jīng)濟(jì)性問題、規(guī)模放大的工程可實(shí)現(xiàn)性問題、設(shè)備制造等問題。多種第四代堆型的各自為戰(zhàn),閉門搞研發(fā),則會造成研發(fā)、設(shè)計、設(shè)備制造、工程建造缺乏相互銜接,一遇到實(shí)際問題就會面臨困境。(2)缺乏自主創(chuàng)新面對引進(jìn)的第二代或者第三代技術(shù),雖然有相當(dāng)程度的消化和吸收、改進(jìn)和創(chuàng)新,但是仍然停留在較淺的層面,堆型本身的設(shè)計創(chuàng)新能力不足。由于不是我們自己從零開始一步一步試驗(yàn)驗(yàn)證建立的核電系統(tǒng),對于新一代核能系統(tǒng)缺乏自主研發(fā)的信任支撐,一遇到國外新技術(shù)核電站產(chǎn)品的沖擊,加上市場需求的洪流,以往自主研發(fā)創(chuàng)新的基礎(chǔ)將再次被淹沒。長時間積累的慣性引進(jìn)思維,束縛了我國核電研發(fā)創(chuàng)新。(3)關(guān)注度不夠,投入不夠目前中國核電發(fā)展關(guān)注的焦點(diǎn)在于第三代核能系統(tǒng)的引進(jìn)吸收,國內(nèi)核電產(chǎn)業(yè)緊緊圍繞當(dāng)前核電建設(shè)高潮而進(jìn)行各項(xiàng)規(guī)劃和部署,缺少對第四代核能系統(tǒng)的規(guī)劃和統(tǒng)籌考慮。目前對第四代的關(guān)注僅限于專家呼吁階段。國內(nèi)的研發(fā)資源分散,正趕上被當(dāng)前核電建設(shè)高峰期的巨大商業(yè)利益重重包圍,翻版現(xiàn)有核電技術(shù)任務(wù)繁重。對下一代核能系統(tǒng)研發(fā)投入的力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我國第三代核電機(jī)組可能在2015年可以開始大規(guī)模復(fù)制,2020年初步實(shí)現(xiàn)中長期規(guī)劃目標(biāo)。按照目前GIF對第四代的發(fā)展計劃,第四代核能系統(tǒng)將在2025年建成示范電站,2030年實(shí)現(xiàn)商用并廣泛推廣。到2030年,第一批第三代核電機(jī)組剛運(yùn)行10年左右,核電的市場份額仍然相對較小,加上環(huán)境對火電的制約,水電資源有限,社會發(fā)展必然需要建設(shè)大量新型的核電機(jī)組。屆時,中國將再次面臨選擇,是繼續(xù)建設(shè)剛引進(jìn)吸收的第三代技術(shù)堆型,還是緊跟世界步伐使用更先進(jìn)、更高效、更安全的第四代核能系統(tǒng)。有人可能覺得是二十年以后的事情,不確定性很大,現(xiàn)在不必思考。但是技術(shù)的不斷革新性進(jìn)步,采用新技術(shù)的核電機(jī)組產(chǎn)品不斷更新,使得核能系統(tǒng)的應(yīng)用始終面臨選擇的過程。如果屆時中國不能形成具有自主創(chuàng)新的第四代核能系統(tǒng)產(chǎn)業(yè),歷史的一幕將會重演。因此,從現(xiàn)在開始,全面參與第四代的研發(fā),并走出具有自己特色的核電研發(fā)應(yīng)用道路,才能牢牢把握主動權(quán),根據(jù)自己的發(fā)展需要建設(shè)自己的核電站,保障自己的能源戰(zhàn)略。4加強(qiáng)國家與企業(yè)的協(xié)調(diào)和合作國家通過招標(biāo)引進(jìn)了第三代核電技術(shù),當(dāng)前正處于第三代機(jī)組的技術(shù)邊學(xué)習(xí)邊建設(shè)的高潮時期。在快速推進(jìn)第三代核電站建設(shè)和技術(shù)研發(fā)的同時,應(yīng)在第四代核能技術(shù)的研發(fā)中盡早做出戰(zhàn)略部署,統(tǒng)籌長遠(yuǎn)規(guī)劃。如何處理好新一代核能系統(tǒng)研發(fā)的保障體系問題,已經(jīng)需要引起重視并切實(shí)行動。在先進(jìn)核電技術(shù)上實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新,保障核電的可持續(xù)發(fā)展,以避免落后于世界核能發(fā)展步伐,避免代代需引進(jìn),避免再次陷入靠市場換不來核心技術(shù)的困境。為此,建議:(1)制定第四代核能系統(tǒng)開發(fā)戰(zhàn)略第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的開發(fā)是一個相對較長的過程,不可能一日建成羅馬,需要長期的投入和積累,因此最重要的是首先有一個國家層面的戰(zhàn)略部署,制定相應(yīng)的重大專項(xiàng)規(guī)劃,政府在其中扮演舵手的角色,應(yīng)站在全局的角度把握整個研發(fā)規(guī)劃。回顧中國經(jīng)歷過的第二代核能系統(tǒng)技術(shù)引進(jìn)路線,有收獲也走過彎路,曾經(jīng)多次要統(tǒng)一技術(shù)路線,到現(xiàn)在的多種技術(shù)路線并存,事實(shí)證明了一個長遠(yuǎn)的核電系統(tǒng)開發(fā)規(guī)劃的重要性,政治因素不能再作為影響核電技術(shù)路線的決定性因素,否則損失的是國家整個核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。(2)充分利用國內(nèi)研發(fā)資源,建立第四代核能系統(tǒng)研發(fā)平臺第四代研發(fā)需要與商業(yè)應(yīng)用的實(shí)際相結(jié)合,需要工程實(shí)際的驗(yàn)證和連接,避免研究脫離實(shí)際,浪費(fèi)大量的人力和物力,力爭在商業(yè)化道路上少走彎路。國家與企業(yè)聯(lián)合組建核能系統(tǒng)開發(fā)體系,應(yīng)考慮電力企業(yè)作為開發(fā)支撐系統(tǒng)的不可缺少的重要力量,加大企業(yè)對研發(fā)的投入力度,形成良性的循環(huán)。新一代核能系統(tǒng)的研發(fā)必須基于中國現(xiàn)有核電產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),整合國內(nèi)研發(fā)、設(shè)計、設(shè)備制造資源,在一個平臺上明確分工,統(tǒng)籌規(guī)劃,建立一個良好的體系。資源的整合模式可以是機(jī)構(gòu)的合并,也可以根據(jù)需要由政府牽頭,由相關(guān)科研院所、企業(yè)、政府機(jī)構(gòu)聯(lián)合成立專門的實(shí)體或常設(shè)機(jī)構(gòu),集中當(dāng)前國內(nèi)的研發(fā)資源,吸取我國大飛機(jī)制造、航天工程、聚變堆工程等其他項(xiàng)目的有益嘗試和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),做大項(xiàng)目。組織機(jī)構(gòu)可考慮依托國家相關(guān)部委,成立第四代核能系統(tǒng)辦公室,其下聯(lián)合科研院所、大學(xué)研究機(jī)構(gòu)、核工程設(shè)計院、設(shè)備制造企業(yè)設(shè)立專項(xiàng)工作組,建立溝通和協(xié)調(diào)機(jī)制,由國家撥付和企業(yè)投資兩種方式提供資金支持。第四代核能系統(tǒng)辦公室主要負(fù)責(zé)制定我國第四代核能系統(tǒng)從研發(fā)到商用的階段性計劃,承擔(dān)第四代核能系統(tǒng)計劃的相關(guān)基礎(chǔ)概念研究、工程設(shè)計研究、工程技術(shù)研究、制造工藝設(shè)計等的組織實(shí)施管理工作。規(guī)劃重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)工作。統(tǒng)一協(xié)調(diào)國內(nèi)各個參與單位各項(xiàng)協(xié)調(diào)工作。(3)選定兩種適合中國國情的第四代堆型針對當(dāng)前國際上公認(rèn)的幾種四代堆型,明確研發(fā)目標(biāo),集中力量摸索出中國自己的第四代道路。堆型要考慮中國的核燃料資源狀況,考慮國內(nèi)研發(fā)基礎(chǔ)、技術(shù)成熟度和堆型本身的優(yōu)缺點(diǎn)。積極研發(fā)超臨界水堆:超臨界水堆經(jīng)濟(jì)性好,技術(shù)基礎(chǔ)好,水堆已經(jīng)積累相對較多的經(jīng)驗(yàn),超臨界火電技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟,工程可實(shí)現(xiàn)性較高。在大型壓水堆核電站的研發(fā)方面,我國已有幾十年的歷史,具有自主研發(fā)30萬千瓦和60萬千瓦壓水堆核電機(jī)組的能力。同時進(jìn)行了從跟蹤調(diào)研世界先進(jìn)技術(shù)到概念設(shè)計、總體設(shè)計、設(shè)計技術(shù)研究、計算機(jī)軟件開發(fā)等一系列的研究與開發(fā)活動,已具備了研究開發(fā)超臨界水堆核電站的基礎(chǔ)和能力。因此可以加大投入力度、加快研發(fā)步伐,爭取能夠在國際上保持先進(jìn)行列。穩(wěn)步推進(jìn)快堆研發(fā)進(jìn)度:在第四代核能國際論壇提出的6種堆型中,有3種是快堆。在國際上,由于熱中子堆是當(dāng)今核電站的主力堆型,鈾資源的利用效率低是熱堆的一大弊端,隨著鈾資源的消耗,國際上對于快堆的需求不斷得到關(guān)注,快堆是國際上未來核電站的發(fā)展方向之一?？於训募夹g(shù)難度適中,性能研究也有一定的積累,商用也有實(shí)際工程借鑒。閉合核燃料循環(huán)是快堆核能系統(tǒng)的基礎(chǔ),在重點(diǎn)進(jìn)行快堆技術(shù)研發(fā)的同時,應(yīng)重點(diǎn)開展壓水堆乏燃料后處理、MOX燃料制造及快堆乏燃料后處理等技術(shù)的研發(fā)。發(fā)展快堆技術(shù),應(yīng)根據(jù)我國核電發(fā)展的需求和應(yīng)用目標(biāo),逐步落實(shí)快堆中長期發(fā)展規(guī)劃,明確下一階段的快堆技術(shù)工程目標(biāo)和實(shí)施途徑。逐步開展超高溫氣冷堆研究:超高溫氣冷堆可以滿足未來對核能制氫和高溫工藝熱的需求,具有固有安全性好、發(fā)電效率高、單一堆功率規(guī)模較小、在廠址選擇上及電網(wǎng)要求上有靈活性等特點(diǎn),超高溫氣冷堆核電站可以作為大型壓水堆核電站的補(bǔ)充。熔鹽堆、鉛冷快堆、氣冷快堆的研究均需要進(jìn)一步調(diào)研以確定研發(fā)策略。(4)與國際上發(fā)達(dá)國家加強(qiáng)溝通與合作,吸取有益經(jīng)驗(yàn)在以美國為首,有英國、法國、日本等多個國家參與提出的第四代核能系統(tǒng)開發(fā)計劃中,明確提出,從未來核電技術(shù)的國際化、市場份額和研究開發(fā)的資金等角度出發(fā),以往依靠一國單獨(dú)封閉的技術(shù)開發(fā)已經(jīng)不符合時代的需求,希望在第四代核能技術(shù)的開發(fā)中加強(qiáng)國際合作研究開發(fā)和交流,并提出了相應(yīng)的多邊合作研究計劃,倡導(dǎo)國際多邊合作。與聚變能源的國際合作研究一樣,第四代核能系統(tǒng)的開發(fā)也是一項(xiàng)國際化的系統(tǒng)工程,核能行業(yè)的緊密關(guān)聯(lián)性使得任何一種技術(shù)的革新和改進(jìn)都將對各國