閆宏偉，谷 文，鄭寶峰

自1954年世界上第一座核電站問(wèn)世，截止到2010年底，全球正在運(yùn)行的核電機(jī)組共442個(gè)，核電發(fā)電量約占全球發(fā)電總量的16%，正在建設(shè)的核電機(jī)組65個(gè)。這些反應(yīng)堆有著優(yōu)良的運(yùn)行記錄。核電用五十多年的時(shí)間就超過(guò)了水電幾百年達(dá)到的在全球能源生產(chǎn)中的地位，已成為世界能源的重要組成部分。鑒于二代、三代核電站在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、公眾等方面均是可以接受的，那么，更加先進(jìn)的核能系統(tǒng)就可能進(jìn)一步擴(kuò)大核能應(yīng)用的機(jī)會(huì)，未來(lái)要大規(guī)模采用的新型動(dòng)力堆稱(chēng)為第四代核電技術(shù)。

1 第四代核電站的提出

第一代核電站是早期的原型堆電站，即從1950年至1960年前期開(kāi)發(fā)的輕水堆核電站[1]。

如前蘇聯(lián)1954年建成的世界第一座實(shí)驗(yàn)性核電站（5000 kW），美國(guó)希平港壓水堆、德累斯頓沸水堆，英國(guó)的鎂諾克斯石墨氣冷堆等，證明了利用核能發(fā)電的技術(shù)可行性。

第二代核電站是1960年后期至1990年前期在第一代核電站基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)建設(shè)的大型商用核電站[1]。

有壓水堆、沸水堆、坎杜堆以及俄羅斯的VVER和PBMK等，在進(jìn)一步證明核能發(fā)電技術(shù)可行性的同時(shí)，也證明核電的經(jīng)濟(jì)性可與火電、水電相競(jìng)爭(zhēng)。上世紀(jì)70年代，因?yàn)槭蜐q價(jià)引發(fā)的能源危機(jī)促進(jìn)了核電的發(fā)展，目前世界上商業(yè)運(yùn)行的四百多座核電機(jī)組絕大部分是在這段時(shí)期建成的，發(fā)揮著世界核能發(fā)電中堅(jiān)力量的作用，稱(chēng)為第二代機(jī)組[2]。

我公司目前承制的國(guó)內(nèi)百萬(wàn)千瓦壓力容器項(xiàng)目中，無(wú)論是CPR1000堆型，還是M310堆型，都是介于二代與三代之間的壓水堆堆型，通常被稱(chēng)為二代半堆型，目前此堆型還沒(méi)有形成完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，無(wú)法滿(mǎn)足我國(guó)核電項(xiàng)目出口到國(guó)際市場(chǎng)的需求。

第三代核電站是指先進(jìn)的輕水堆核電站，即從1990后期到2010年開(kāi)始運(yùn)行的核電站[1]。

為解決三里島和切爾諾貝利核電站的嚴(yán)重事故的負(fù)面影響，世界核電界集中力量對(duì)嚴(yán)重事故的預(yù)防和后果緩解進(jìn)行了研究和攻關(guān)，美國(guó)和歐洲先后出臺(tái)“先進(jìn)輕水堆用戶(hù)要求”文件和“歐洲用戶(hù)對(duì)輕水堆核電站的要求”，進(jìn)一步明確防范與緩解嚴(yán)重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。國(guó)際上通常把滿(mǎn)足這兩份文件之一的核電機(jī)組稱(chēng)為第三代核電機(jī)組[2]。

第三代核電站采用標(biāo)準(zhǔn)化、最佳化設(shè)計(jì)和安全性更高的非能動(dòng)安全系統(tǒng)，如改進(jìn)型沸水堆（ABWR）、系統(tǒng) 80+（System 80+）、AP1000、EPR等[1]。

第三代核電技術(shù)問(wèn)世以后，受到全球核電用戶(hù)的普遍關(guān)注，包括中國(guó)在內(nèi)的一些核電業(yè)主已經(jīng)選用或準(zhǔn)備選用更安全、更經(jīng)濟(jì)的第三代核電技術(shù)進(jìn)行新的核電機(jī)組建設(shè)[2]。

我公司目前在制的三門(mén)2號(hào)反應(yīng)堆壓力容器等項(xiàng)目及后續(xù)將要參與研發(fā)和制造的CP1000及CAP1400堆型就屬于第三代核電站，此堆型的制造成功，將為我國(guó)核電設(shè)備出口奠定基礎(chǔ)。

第四代核電站是一種革新型反應(yīng)堆。2000年1月，在美國(guó)能源部的倡議下，美國(guó)、英國(guó)、瑞士、南非、日本、法國(guó)、加拿大、巴西、韓國(guó)和阿根廷等十個(gè)有意發(fā)展核能利用的國(guó)家，聯(lián)合組成“第四代國(guó)際核能論壇（GIF）”，并于2001年7月簽署了合約，約定共同合作研究開(kāi)發(fā)第四代核能系統(tǒng)。第四代核能系統(tǒng)是指安全性和經(jīng)濟(jì)性更加優(yōu)越，廢物量極少，無(wú)需廠外應(yīng)急，并具有防核擴(kuò)散能力的核能利用系統(tǒng)，預(yù)計(jì)可以在2030年以前投入商業(yè)應(yīng)用[2]。

2 第四代核電站的目標(biāo)要求

為了實(shí)現(xiàn)核能發(fā)電美好的未來(lái)，第四代核電站的開(kāi)發(fā)目標(biāo)可分為以下四個(gè)方面。

提高經(jīng)濟(jì)性 鑒于發(fā)電成本必須優(yōu)于本國(guó)或本地區(qū)建造的其他發(fā)電能源，第四代核電站基礎(chǔ)電力成本都必需具有可與其他電力資源競(jìng)爭(zhēng)的價(jià)格水平[3]。

以秦山核電站為例，一期、二期、三期上網(wǎng)電價(jià)分別為0.42元/kW時(shí)、0.39元/kW時(shí)、0.46元/kW時(shí)，均低于浙江火電每千瓦時(shí)0.47元的上網(wǎng)電價(jià)。目前，采用二代或二代半技術(shù)的核電站投資成本約每千瓦1 000美元，三代核電站測(cè)算成本約每千瓦2 000美元。因此，為使投資風(fēng)險(xiǎn)做到最小，第四代核電站的投資費(fèi)用必需控制在每千瓦1 000美元。以便將來(lái)核電站的建造費(fèi)用能降低到與其他能源競(jìng)爭(zhēng)的水平，在更加便于市場(chǎng)接受的小型反應(yīng)堆（100 MW）方面，工廠制造核電站的概念受到了人們的關(guān)注[3]。

提高安全性、可靠性 向當(dāng)局和公眾示范說(shuō)明其改進(jìn)的安全裕量，大幅度降低堆芯損傷的概率及程度，具有快速恢復(fù)反應(yīng)堆運(yùn)行的能力，取消在廠址外采取應(yīng)急措施的必要性[1]，能高度容忍人因錯(cuò)誤。針對(duì)公眾對(duì)核電站和核燃料循環(huán)的安全顧慮，必須繼續(xù)確保足夠的可靠性。盡管現(xiàn)有輕水堆技術(shù)是極為安全的，但針對(duì)運(yùn)行和維護(hù)的過(guò)分依靠，在某種意義上是更容易出問(wèn)題的。尤其是在熟練技術(shù)支持基礎(chǔ)差的國(guó)家或不同安全文件或工作文化的國(guó)家，要發(fā)展這種輕水堆技術(shù)可能會(huì)存在問(wèn)題。因此，第四代核電站必需具有更高的安全系數(shù)，不僅要得到國(guó)家的安全法規(guī)官員的認(rèn)可，還要得到一般公眾的認(rèn)可。第四代核電站的設(shè)計(jì)還要公開(kāi)，通過(guò)具有透明度的綜合反應(yīng)堆試驗(yàn)，證明最可能發(fā)生事故的后果不會(huì)發(fā)生重大堆芯損傷。也就是說(shuō)，在溫度方面，要使用不熔化的堆芯燃料和包殼材料，要使用化學(xué)反應(yīng)性小的冷卻劑，并且在最壞的事故工況下，利用非能動(dòng)冷卻導(dǎo)熱系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)將堆芯溫度維持在可進(jìn)行處理的范圍，還要制定出緊急情況下防止給現(xiàn)場(chǎng)外公眾帶來(lái)影響的事故方案[3]。

核能的可持續(xù)發(fā)展 從采礦到燃料制造、反應(yīng)堆運(yùn)行、廢物處理的全部燃料循環(huán)、運(yùn)輸、反應(yīng)堆解體及去污等所有過(guò)程加以考慮，尤其是在所有廢物處理流程中，都應(yīng)有徹底解決的方案。通過(guò)對(duì)核燃料的有效利用，實(shí)現(xiàn)提供持續(xù)生產(chǎn)能源的手段，實(shí)現(xiàn)核廢物量的最少化，減輕長(zhǎng)期管理事務(wù)，保證公眾健康，保護(hù)環(huán)境[3]。

防止核擴(kuò)散 利用反應(yīng)堆系統(tǒng)本身特性，在商用核燃料循環(huán)中處理材料，對(duì)于核擴(kuò)散具有更高的防止性，將來(lái)自核燃料循環(huán)的回收物質(zhì)應(yīng)用于核武器的路完全堵死[3]。

3 中國(guó)核電技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

我國(guó)目前已建成并正在運(yùn)行的核電站有6座、13臺(tái)機(jī)組（見(jiàn)表1），裝機(jī)容量1078.6萬(wàn)kW，還不到全國(guó)總發(fā)電量的2%。截至2010年底，全國(guó)核電發(fā)電量為473億kW時(shí)，在一次性能源消費(fèi)中占比僅0.5%。

根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)2011年1月公布的最新數(shù)據(jù)，擁有核電機(jī)組最多的國(guó)家依次為：美國(guó)104個(gè)、法國(guó)58個(gè)、日本54個(gè) (世界核工業(yè)聯(lián)合會(huì)公布的數(shù)字為55)、俄羅斯32個(gè)、韓國(guó)21個(gè)、印度20個(gè)、英國(guó)19個(gè)、加拿大18個(gè)、德國(guó)17個(gè)、烏克蘭15個(gè)、中國(guó)13個(gè)。其中法國(guó)核電占其國(guó)內(nèi)總電力的75%、比利時(shí)57%、瑞典39%、日本34%、德國(guó)31%、英國(guó)22%、美國(guó)20%、俄羅斯16%。與核電發(fā)展先進(jìn)國(guó)家相比，我國(guó)的核能發(fā)電比例還很低。目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高速增長(zhǎng)，對(duì)能源電力的需求缺口很大，尤其是在我國(guó)的沿海地區(qū)，嚴(yán)重缺電制約著工業(yè)的發(fā)展[2]。

表1 中國(guó)核電站概況

因此，當(dāng)前是中國(guó)核電發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，為滿(mǎn)足發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)能源的需求，解決我國(guó)能源環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排目標(biāo)，核電的裝機(jī)容量至少需要達(dá)到20 000萬(wàn)kW，核電裝機(jī)占到電力總裝機(jī)的10%以上，核電發(fā)電量占到總電量的15%以上。只發(fā)展熱堆核電站根本無(wú)法滿(mǎn)足這一需求，必需采用熱堆電站與快堆電站“接力”的發(fā)展方式，才有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。為此，快堆電站必須在2025年開(kāi)始逐步取代熱堆電站，才能保證核電發(fā)展的燃料供給。

在我國(guó)，由清華大學(xué)核能設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)、建造的國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“10兆瓦高溫實(shí)驗(yàn)堆”，2003年1月實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，2009年12月實(shí)現(xiàn)72小時(shí)連續(xù)滿(mǎn)功率運(yùn)行，成為世界上首座投入運(yùn)行的模塊式球床高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆?！笆晃濉逼陂g，大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆聯(lián)合科研體系基本成型，完全由我國(guó)自主研發(fā)的第四代技術(shù)的20萬(wàn)kW的高溫氣冷堆核電站示范工程，將于近期在山東榮城開(kāi)工建設(shè)，整個(gè)項(xiàng)目加上科研的投資達(dá)50億元，建設(shè)周期約4年。

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆是國(guó)家“863”計(jì)劃重大項(xiàng)目，該堆采用的是已在美、法、俄、日等國(guó)家有多堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的鈉冷快堆技術(shù)，其成功臨界說(shuō)明我國(guó)“壓水堆—快堆—聚變堆”核能“三步走”戰(zhàn)略獲得了突破性的進(jìn)展，也從根本上為破解鈾資源短缺和核廢料處理難題提供了可能。因此，我國(guó)應(yīng)再加大安全高效大型快堆電站的開(kāi)發(fā)力度，爭(zhēng)取跨越式發(fā)展。力爭(zhēng)到2020年建成中等規(guī)模的原型快堆電站，并具備相應(yīng)的閉合燃料循環(huán)能力。爭(zhēng)取在2025年開(kāi)工建設(shè)大型快堆示范電站，并在2030年后建設(shè)具有國(guó)際上第四代核電技術(shù)特點(diǎn)商用電站。

在發(fā)展核電技術(shù)的同時(shí)，也要發(fā)展與之相匹配的燃料循環(huán)技術(shù)。中國(guó)的乏燃料后處理技術(shù)雖有一定的基礎(chǔ)，但總體上還比較薄弱，應(yīng)從基礎(chǔ)研究開(kāi)始，進(jìn)行先進(jìn)燃料循環(huán)技術(shù)的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

核電行業(yè)半個(gè)多世紀(jì)曲折的發(fā)展過(guò)程，是人們對(duì)核電這一新興能源產(chǎn)業(yè)化發(fā)展規(guī)律從進(jìn)行摸索、認(rèn)識(shí)到成熟掌握的歷史，其結(jié)果是使各國(guó)政府和公眾越來(lái)越多地認(rèn)識(shí)到核能是可以安全掌握、具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力、可持續(xù)發(fā)展的能源。針對(duì)世界核電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)電力的需求缺口，當(dāng)前要抓緊二代及二代加核電站的建設(shè)；抓緊三代核電技術(shù)的消化、吸收和自主創(chuàng)新；抓緊快中子反應(yīng)堆技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)；抓緊先進(jìn)核燃料循環(huán)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。

[1]李強(qiáng).鋯合金在550℃/25 MPa超臨界水中腐蝕行為的研究.上海大學(xué)博士論文，2008-08-01.

[2]范思立.技術(shù)路線漸明中國(guó)推動(dòng)三代核電引進(jìn).中國(guó)經(jīng)濟(jì)時(shí)報(bào)，2007-05-11.

[3]汪勝?lài)?guó).世界核能發(fā)電的現(xiàn)狀及未來(lái)堆型的開(kāi)發(fā).東方電氣評(píng)論，2006-09-25.

[4]陳偉，張軍，李桂菊.核電技術(shù)現(xiàn)狀與研究進(jìn)展.世界科技研究與發(fā)展，2007-10-15.