美國(guó)第四次堆島石油發(fā)電廠代能系統(tǒng)技術(shù)路線圖

美國(guó)第四次堆島石油發(fā)電廠代能系統(tǒng)技術(shù)路線圖

[本雜志2014年8月全面報(bào)道]。為了確保原子能能夠在未來(lái)能夠?yàn)閼?yīng)對(duì)世界氣候的變化做出貢獻(xiàn)，由美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)的九個(gè)國(guó)家在2000年1月成立了第四反應(yīng)國(guó)際論壇（ppp），這為促進(jìn)下一代核電廠系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)提供了國(guó)際合作框架。迄今,該論壇已擁有13個(gè)成員,即阿根廷、巴西、加拿大、中國(guó)、歐洲原子能共同體(Euratom)、法國(guó)、日本、韓國(guó)、俄羅斯、南非、瑞典、英國(guó)和美國(guó)。該論壇于2002年和2014年各公布了一份《第四代核能系統(tǒng)技術(shù)路線圖》。2014年路線圖對(duì)2002年路線圖的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了更新,并明確了未來(lái)10年內(nèi)第四代反應(yīng)堆研發(fā)工作的重點(diǎn)。200第二代高能系統(tǒng)和燃料循環(huán)在2002年公布的首份技術(shù)路線圖中,國(guó)際論壇在可持續(xù)性、安全性與可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及防擴(kuò)散和實(shí)物保護(hù)方面為第四代核能系統(tǒng)設(shè)定了發(fā)展目標(biāo):·在可持續(xù)性方面,應(yīng)能實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)的可持續(xù)性,促進(jìn)核燃料的長(zhǎng)期可使用性,并最大限度地減少核廢物的產(chǎn)生和降低核廢物的長(zhǎng)期管理負(fù)擔(dān);·在安全性和可靠性方面,應(yīng)具備優(yōu)異的安全性與可靠性和極低的堆芯損壞概率與損壞程度,并消除開(kāi)展廠外應(yīng)急響應(yīng)的必要性;·在經(jīng)濟(jì)性方面,其壽期循環(huán)成本應(yīng)優(yōu)于其他能源技術(shù),且財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)水平與其他能源項(xiàng)目相當(dāng);·在防擴(kuò)散和實(shí)物保護(hù)方面,使第四代核能系統(tǒng)成為一條非常不具吸引力的武器材料轉(zhuǎn)用和盜竊路線,并為防范恐怖襲擊提供更強(qiáng)的實(shí)物保護(hù)。路線圖還定義和規(guī)劃了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)以及在2030年之前部署第四代核能所需開(kāi)展的研發(fā)工作。第四代核能系統(tǒng)包括核反應(yīng)堆及其能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及配套的燃料循環(huán)技術(shù)。閉式燃料循環(huán)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性目標(biāo)的重要組成部分。在閉式燃料循環(huán)中,將對(duì)乏燃料進(jìn)行后處理,并對(duì)乏燃料的每個(gè)組份采用最佳的管理策略。例如,可以從乏燃料中回收易裂變材料,并將其制成供商業(yè)反應(yīng)堆使用的新燃料。目前,能夠采用堆后鈾(即通過(guò)后處理從乏燃料中回收的鈾)和混合氧化物(MOX)燃料等方式對(duì)近95%的輕水堆乏燃料進(jìn)行重復(fù)使用。如果使用由快堆和廣泛循環(huán)策略組成的先進(jìn)燃料循環(huán),則能將可轉(zhuǎn)換材料增殖成易裂變材料,因此能獲得與在反應(yīng)堆中消耗的易裂變材料數(shù)量相當(dāng)或更多的易裂變材料。這將大幅減少需要最終處置的核廢物量。正在為第四代核能系統(tǒng)研發(fā)先進(jìn)的分離技術(shù),以避免分離出敏感材料,從而加強(qiáng)防擴(kuò)散性。路線圖介紹了將不同反應(yīng)堆組合在一起以形成所謂共生燃料循環(huán)的相關(guān)情況,例如在從熱堆至快堆的過(guò)渡期間將同時(shí)出現(xiàn)熱堆和快堆并存的情況。路線圖還從近100種技術(shù)方案中選出了六種可能在2025年之前完成相關(guān)研發(fā)的技術(shù)方案(詳見(jiàn)表1),即氣冷快堆(GFR)、鉛冷快堆(LFR)、熔鹽堆(MSR)、鈉冷快堆(SFR)、超臨界水冷堆(SCWR)和超高溫反應(yīng)堆(VHTR)。201明確了未來(lái)10年中的研發(fā)目標(biāo)國(guó)際論壇于2014年1月公布了第二版路線圖,明確了2002年路線圖選定的六種技術(shù)方案,并更新了相應(yīng)的研發(fā)時(shí)間表(詳見(jiàn)圖1)。六種技術(shù)方案的研發(fā)可分為下述三個(gè)階段:·在可行性研究階段,將在相關(guān)條件下測(cè)試基礎(chǔ)方案,并明確和解決所有的潛在技術(shù)難點(diǎn);·在實(shí)施階段,將具備在工程規(guī)模驗(yàn)證各種過(guò)程、現(xiàn)象和材料性能的能力并在原型條件下開(kāi)展優(yōu)化工作;·在示范階段,將完成詳細(xì)設(shè)計(jì)工作,并開(kāi)展系統(tǒng)的許可審批、建設(shè)和運(yùn)行工作,其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)商業(yè)部署。路線圖介紹了過(guò)去10年中在六種技術(shù)方案的研發(fā)方面取得的成果,并確定了在未來(lái)10年中的關(guān)鍵研發(fā)目標(biāo)(詳見(jiàn)表2)。由于六種技術(shù)方案的“起點(diǎn)”及其研發(fā)投入不盡相同,因此六種方案在過(guò)去10年中取得的進(jìn)展也不相同。例如,相關(guān)國(guó)家為開(kāi)發(fā)鈉冷快堆和超高溫反應(yīng)堆投入了大量資源,這在很大程度上是因?yàn)檫@些國(guó)家在歷史上曾為開(kāi)發(fā)這兩項(xiàng)技術(shù)付出過(guò)大量努力;其他技術(shù)方案的投資則相對(duì)較少。路線圖還特別強(qiáng)調(diào)了應(yīng)從日本福島第一核電廠事故中汲取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),并指出此次事故特別強(qiáng)調(diào)了高安全水平核系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性。從此次事故中汲取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)不僅將使在運(yùn)核電機(jī)組還將使包括第四代反應(yīng)堆在內(nèi)的未來(lái)核能系統(tǒng)受益。此次事故尤其證明了確保余熱排出系統(tǒng)能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可靠運(yùn)行的重要性以及消除在嚴(yán)重事故工況下發(fā)生大量廠外排放的必要性。對(duì)于第四代核能系統(tǒng),必須對(duì)一些新的問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析并開(kāi)展相關(guān)工作,尤其是涉及下述事項(xiàng)的問(wèn)題:·大部分第四代反應(yīng)堆設(shè)計(jì)均使用非水冷卻劑;·更高的運(yùn)行溫度;·更大的反應(yīng)堆功率密度;·在一些案例中,需要在反應(yīng)堆附近位置建設(shè)燃料循環(huán)設(shè)施或化學(xué)設(shè)施,或需要將這些設(shè)施與反應(yīng)堆整合在一起。第二代核反應(yīng)堆在采用、發(fā)展、應(yīng)用的情況下開(kāi)始得到體現(xiàn)自首臺(tái)商業(yè)核電機(jī)組于20世紀(jì)50年代投入商業(yè)運(yùn)行以來(lái),全球已有三代核反應(yīng)堆投入實(shí)際應(yīng)用,第四代反應(yīng)堆技術(shù)尚處于研發(fā)階段,預(yù)計(jì)將在2030年前后投入實(shí)際應(yīng)用。第一代核反應(yīng)堆是前蘇聯(lián)、英國(guó)、美國(guó)和加拿大等在20世紀(jì)50至60年代開(kāi)發(fā)建設(shè)的首批原型堆,包括前蘇聯(lián)在1954年的奧布寧斯克實(shí)驗(yàn)性核電機(jī)組、英國(guó)在1956年建成的卡德豪爾石墨冷氣堆原型核電機(jī)組、美國(guó)在1957年建成的希平港壓水堆原型核電機(jī)組、加拿大在1962年建成的重水堆原型核電機(jī)組等。這批原型堆的建設(shè)和運(yùn)行證明了核能發(fā)電的技術(shù)可行性。第二代核反應(yīng)堆從20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用。這一代技術(shù)證明了核能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)可行性,且大部分技術(shù)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和批量建設(shè)。目前全球的在運(yùn)核電機(jī)組大部分采用的是第二代核反應(yīng)堆技術(shù)。第三代核反應(yīng)堆是在汲取了第二代反應(yīng)堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上從20世紀(jì)90年代后期發(fā)展起來(lái)的,設(shè)計(jì)基于同樣的原理,在技術(shù)上沒(méi)有實(shí)現(xiàn)飛躍,但在安全性方面得到加強(qiáng)。2010年前后,在第三代反應(yīng)堆的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)出第三代+反應(yīng)堆設(shè)計(jì),例如法國(guó)的歐洲壓水堆(EPR)、美國(guó)的AP1000、韓國(guó)的APR1400等。第四代核反應(yīng)堆是未來(lái)的系統(tǒng),無(wú)