什么是第四代核反应堆技术？
世界核电技术的发展趋势
文洪钧
(中国核工业集团公司，北京100822)
国家计委制定的《国民经济和社会发展第十个五年计划能源发展专项规划》提出，在实现核电国产化的同时，积极支持我国自主开发新一代核电站，为“十一五”及以后的核电发展奠定基础。国防科工委制定的《国防科技工业军转民第十个五年规划纲要》提出:“加强国产核电研发，同时开展先进压水堆核电站关键技术研发”。
根据国家计委和国防科工委的规划要求，要开展先进压水堆关键技术和新一代核电站(即满足用户要求的中国核电发展第二步模式和先进机组)的研发。为了正确地指导和推动这项工作，必须在调查研究的基础上，对世界核电的发展和核电技术的发展趋势作出正确的分析和判断。为此，笔者做了这项工作，做了初步分析，供相关专家和领导参考。
1历史回顾
1.1核能发电技术验证
20世纪五六十年代，二战期间为军事目的发展的核技术转向民用发展核电，展现了光明的前景。一些发展核电的先驱国家，如美国、英国、法国、前苏联、加拿大、瑞典等国，都自主发展了民用核能。世界核技术的发展已经从军用转向民用。在民用核能发展过程中，一般通过实验堆的建设和运行验证工程技术的安全可行性，再通过示范堆的建设验证经济可行性，然后转入标准、定型和批量建设。
1942 65438+2月，美国芝加哥大学建成的世界首个反应堆证明了实现可控核裂变链式反应的科学可行性。二战期间和之后，美国、前苏联、英国、法国等国先后建成了一批生产核武器用钚的生产堆和核潜艇用动力堆，并建设了一批实验和实验堆，以支持这些反应堆的建设，从而掌握了各种反应堆的基本性能、特点和关键技术。
20世纪50年代初，利用现有的军用核技术建造了用于发电的反应堆，建造实验堆的阶段转入验证和论证阶段。美国在潜艇动力堆技术的基础上，于5438+0957年6月建成航运港压水堆核电站，于1960年7月建成德累斯顿-1沸水堆核电站，为轻水反应堆核电站的发展开辟了道路。1956+00年6月英国建造了考尔德霍尔一座用于发电的石墨气冷堆核电站。前苏联于1954年在奥布宁斯克建造了APS-1压力管石墨水冷堆核电站。NPD天然铀Candu核电厂建于1962。围绕这些核电站的建设，开展了广泛的科学研究，解决了核电站建设中的一系列工程技术问题，证明了核电站能够安全、经济、稳定运行，实现了工程可行性和经济可行性的验证，为核电在20世纪70-80年代的大规模商业化发展奠定了基础。
1.2核电大发展时期的标准化和系列化发展
从20世纪60年代到70年代，核电的安全性和经济性得到了验证，其相对于常规发电系统的优势明显显现。此时也是世界各国经济高速发展的时期，电力需求也在十年内翻了一番，为核电的发展提供了广阔的市场。核电快速实现了标准化、批量化建设和发展。
在核电大发展时期，也有激烈的竞争。其中一些由于其固有的特性很难与其他模型竞争(如气冷重水堆、蒸汽发生重水堆等)。).有发展空间的机型不断改进，提高安全性和经济性，如美国通用电气公司的BWR1和BWR2，形成了系列发展。西屋212、312、412、314、414等。
20世纪70年代和80年代，国际核电发展形成了一系列模式:
(1)压水堆核电机组，包括西屋的压水堆、燃烧工程公司的压水堆和巴布科克威尔科克(B&；w)公司压水堆、俄国WWER (VVER)压水堆、法国法马通公司压水堆、德国西门子公司压水堆、日本三菱公司压水堆等引进美国西屋公司压水堆技术后形成的。
(2)沸水堆机组，美国通用电气公司的沸水堆，瑞典Arcia原子能公司的沸水堆，从美国引进沸水堆技术的日本东芝、日立的沸水堆。
(3)AECL自主研发的天然铀压力管式重水反应堆。
(4)前苏联基于石墨水冷堆技术研制的石墨水冷堆电站。
(5)英国研制的GRG和AGR核电系列石墨气冷堆。
上述核电系列中，B&；W公司压水堆发生三里岛核事故，苏联石墨水冷堆发生切尔诺贝利核事故，暴露了设计缺陷，停止了这两个型号的研制。石墨气冷堆由于其固有的特性，对天然铀的需求量大，现场建设量大，使得其经济竞争力差，也没有打开国际市场，仅限于在英国建设。可见，由飞机固有特性决定的安全性和经济竞争力是其持续发展的关键。保障安全，提高经济竞争力，是核电技术发展的方向和动力。
1.3开发更安全、更经济的先进轻水反应堆核电模型
20世纪70年代和80年代先后发生了李三岛和切尔诺贝利两次重大核事故，特别是灾难性的切尔诺贝利核事故，带来了强烈反响，使公众对核能的接受成为世界核电发展的一大障碍。为了解决公众接受核能的问题，20世纪90年代，世界核电行业集中研究了安全标准、审批程序、模型改进等方面，编制了用户需求文件，开发了更安全、更经济的先进轻水反应堆核电技术。
(1)制定“用户需求文档”
从1983开始，在NRC的支持下，美国电力研究所(EPRI)经过多年努力，制定了一个能被供应商、投资者、业主、核安全管理当局、用户和公众接受，并能提高安全性和经济性的核电站设计基本文件，即适用于下一代轻水反应堆核电站设计的用户需求文件(URD)。随后，欧洲国家* * *制定了类似的文件“欧洲用户需求文件(EUR)”。
URD的主要业绩指标:
设计原则:简单，坚固，不需要原型桩；
燃料热安全裕度:≥15%；
堆芯熔化概率:
大量放射性物质释放的概率:
失水事故:破裂6寸以下，燃油未损坏；
设计寿命:60年；
加油周期:18~24个月；
单位可用率:≥87%；
工作人员的辐射剂量:
工期(从浇筑第一罐混凝土到商业运行):1300 MW机组54个月，600 MW机组42个月。
(2)开发更安全、更经济的车型。
根据URD、欧洲等的要求。，世界核电供应商都在自己量产机型的基础上进行改进和创新研究。
美国西屋公司研发AP-600核电机组的设计，并于1988获得美国核管理委员会的最终设计批准(FDA)，以非能动安全系统和简化设计为特色。此外，APWR- 1000和APWR-1300已与日本三菱公司合作研制，但尚未获得美国核管理委员会颁发的最终设计批准书。
美国a b-CE公司在其成熟的system 80基础上，开发了改进型system 80+。1984年取得NRC颁发的最终设计批准，1997年完成所有法律手续，取得NRC颁发的设计许可证。其特征是采用双回路传热系统。
美国GE公司在成熟的沸水堆技术基础上，研发了先进沸水堆(ABWR)，并于1994获得美国核管理委员会的最终设计批准，通过所有合法程序于1997获得美国核管理委员会的设计许可。两套是日本制造的，运行良好。中国台湾省正在建造的“核四”就是这种类型的飞机。
法国法马通公司和德国西门子公司联合开发了欧洲先进核电机组欧洲压水堆(EPR)。
俄国在WWER-1000的基础上，发展了AES-91和AES-92两种设计，接近美国的URD。AES-92采用了许多被动安全系统。
(3)飞机发展的理念
上述研发的基本思路大致可以分为三类:改良型、创新型和革命性:
在原设计的基础上，改进就是增加安全裕度，增加应对严重事故的安全措施，通过提高单机容量，利用规模经济来弥补提高安全性带来的经济性下降，从而提高经济性。
创新型的特点是采用基于自然规律(重力、自然循环等)的被动安全。)在技术成熟的基础上，简化系统，减少设备，既提高了安全性，又提高了经济性。
革命型，将本质安全的理念引入设计，从根本上杜绝事故发生的可能。
按照革命性设计思路开发的几款，遇到了一些重大技术关键，还有很长的路要走。创新单元的代表是AP-600。因为被动安全系统很难采用，所以比改进型成熟的晚。改进型机组的研发相对简单，如system 80+，ABWR，EPR等。，这些都是成熟的，ABWR已经成功地建立和运行两个单位。
2核电技术发展的最新趋势
2.1核能回收的趋势
(1)美国政府颁布新能源政策，重振核能。20017年5月1日，美国总统布什颁布美国核能新政策，指出“要发展资源无限的清洁核能”。能源政策提出“扩大核能是国家能源政策的重要组成部分”，并提出了一些促进核能恢复和发展的具体政策。要求美国核管理委员会在审批新型先进反应堆许可证申请的过程中，将安全和环保作为最重要的条件。要求NRC推动核电企业提升现役核电站的安全性，增加发电量。NRC被要求向运行中的核电厂重新发放许可证，以达到或超过安全标准。提出发展下一代核技术和先进核燃料循环，修订核燃料处理方法研究，使核废料少，核不扩散能力强；不鼓励分离钚的积累；有必要发展清洁、高效、少废和防核扩散的乏燃料处理和处置技术。2001年5月召开的核能大会上，美国核工业提出了2020年前核电装机容量增加5000万千瓦的假想目标。2001年8月初，美国众议院通过了《保障美国未来能源》法案，支持在现有核电厂址上建设新的核电机组，增加国家对核能的研究支出，增加大学核科学和核工程的教育和研究支出。
(2)2006 54 38+0 654 38+0年末，俄罗斯原子能部副部长尼克·马图林(Nick Mathurin)表示:“位于俄罗斯的欧洲将很快面临缺电危机，政府唯一的解决办法就是建设新的核反应堆。”"为了防止潜在的能源危机，俄罗斯计划在2020年前建造40座核反应堆."
(3)为履行日本政府减少CO2排放的承诺，日本资源能源部提出，日本将在2001至2010期间新建13座核电站(约1694万千瓦)。其中沸水堆10座(约12.95万千瓦，ABWR 8座，沸水堆2座)，压水堆3座(约399万千瓦，APWR 2座，压水堆1座)。自2011起，规划建设7座核电站，面积848万千瓦，其中ABWR 5座，沸水堆2座。
2.2第四代核电技术概念的提出
第四代核电技术的概念由克林顿政府能源部于1999年6月首次提出，并得到了一些国家的支持。
(1)第四代核电技术概念
建于五六十年代的验证核电站称为第一代。上世纪七八十年代标准化、系列化、批量化建设的核电站称为第二代。第三代是指90年代研发的先进轻水反应堆。第四代核电技术是指有待发展的核电技术，主要特点是防止核扩散、经济性更好、安全性高、废物产生少。
(2)发展第四代核电技术的目的。
美国政府对核电行业发展的第三代核电技术不满意的地方在于，没有考虑防止核扩散的要求，经济性也不理想。为加强防止核扩散的要求，进一步提高经济性，拟研发第四代核电站。
(3)第四代核电技术的性能要求
2000年5月，由美国能源部发起，阿贡实验室组织的来自世界各地的约100名专家，提出了第四代核电站的14基本要求。关于经济性有三项:要有竞争力的发电成本，公交车发电成本3分钱/千瓦时；可接受的投资风险，低于1000美元/千瓦；施工时间(从浇注第一罐混凝土到反应堆启动试验)少于3年。关于核安全和辐射安全有五条:堆芯损坏概率极低；任何可信的一次事故得到验证，不会发生严重的堆芯损坏；不需要场外应急；对人为错误的容忍度高；尽可能少接触辐射。关于核废料有三条:必须有完整的解决方案；解决方案被公众接受；浪费的数量应该是最少的。核不扩散有三点:对武器扩散者的吸引力较小；强大的内外防核扩散能力；应该对防止核扩散进行评估。
从上面可以看出，第四代核电站的要求突出了防止核扩散的问题，没有考虑核燃料循环和核资源这两个关系到核能可持续发展的重大问题。
(4)想象开发进度
目前的主要任务是研究确定第四代核电的性能要求，逐步从原理要求，细化到具体指标，然后在此基础上进行堆型研发。预计2020年前建成一座或数座示范电站并投入运行；2030年以后再推进建设。2001至2030年期间，将建成一批先进的第三代轻水堆核电机组。
(5)目前的进展
目前这项工作还处于起步阶段，主要由高校教授和科研单位的专家进行探讨。提出的性能指标要求只是原则上的，还有很多工作需要深化，需要各方面的审核和认可。要进行实质性的堆型选择和堆型研发还有很长的路要走。说某型反应堆是第四代核电反应堆还为时过早。
2.3核电模型发展的一些新趋势
(1)西屋公司和ABB-CE公司合并后，基于NRC批准的AP-600和系统80+的最终设计，提出了AP-1000的概念。利用AP-600的简化改进和被动安全的设计理念，80+双回路的设计思路，将AP-600的60万千瓦扩展到654.38+0万千瓦，采用两个50万千瓦的回路。简化设计与扩大规模相结合提高核电的经济性。
(2)日本三菱公司最近提出研制21世纪核电站的压水堆型号NP-21，单机容量为1.5万~ 1.7万千瓦，四回路，卧式蒸汽发生器。
(3)最近，俄罗斯提出研制654.38+0.5万千瓦压水堆模型，四回路，非能动余热排出系统，立式盘管蒸汽发生器。
(4)韩国在引进ABB-CE系统80核电技术的基础上，自主提出了大型非能动压水堆核电站CP-1300的概念，采用了西屋公司的非能动安全系统概念和ABB-CE双回路的设计。
(5)印度从俄罗斯进口百万千瓦压水堆核电机组的合同谈判已基本完成，将在中国田湾核电站建成后实施。其机组以我国田湾核电站为基础，应增加非能动余热排出系统。
(6)南非提出球床模块式高温气冷堆设计理念，因其热效率高、经济性好、安全性好，在国际上引起巨大反响。然而，高温气冷堆的重要关键技术尚未得到工程验证，该堆的乏燃料难以处理和处置。此外，高温气冷堆的发展还将涉及核燃料循环系统的技术路线。
3世界核电技术的发展趋势
3.1提高安全性和经济性已成为核电技术发展的主要趋势。
在核电市场竞争中，一个型号保持持续稳定发展而不被市场竞争淘汰的关键是保证安全性和经济竞争力。近十年来，指导核电技术发展的用户需求文件(URD，EUR)、第四代核电站的最新性能要求以及美国最近颁布的新能源政策都贯穿着一条主线，即提高安全性和经济性，在满足一定安全要求的条件下，争取最佳经济性。例如堆芯熔化概率
3.2延长在役核电厂的使用寿命是世界各国采取的实际行动。
从经济上来说，延长使用寿命比新建核电站更经济。从可行性来看，快速更换反应堆部件、延长反应堆寿命等措施在技术上和经济上都得到了验证。绝大多数原设计寿命为40年的核电站可以延长到60年。目前，美、英、日等国对延寿做了大量的研究和验证工作，并通过核安全主管部门的审查批准了延寿。
3.3单机产能继续向大型化方向发展。
为了提高核电站的经济性，继续向大型化方向发展，俄罗斯提出了建设654.38+0.5万千瓦压水堆机组的概念；日本三菱公司提出建造654.38+0.5万至654.38+0.7万千瓦压水堆机组；日本东芝和日立提出了建造1.7万千瓦ABWR-II的概念。西屋公司也在AP-600的基础上发展到AP-1000。
3.4采用非能动安全系统，简化系统，减少设备，提高安全性。
世界各国提出的最新设计理念，一般都是在原设计的基础上增加非能动安全系统来替代原有的能动安全系统，并不追求全部的非能动安全系统，而是根据技术成熟度和机组安全性、经济性的提高来确定采用哪些非能动安全系统，即非能动和能动混合安全系统。
3.5通常使用两个或四个偶数编号的回路，以便于反应堆内安全系统的设置和布置。
以前百万千瓦机组一般用三个回路，每个回路30万千瓦。但最近的一些设计理念采用偶数回路，每个回路的容量根据设计的单机总容量确定，并不限于30万千瓦。比如美国的AP-1000是双回路，每回路50万千瓦；韩国的CP-1300也是双回路，每回路65万kW；日本三菱的NP-21，单机容量1.5万~ 1.7万千瓦，四回路，各37.5万或42.5万千瓦；俄罗斯1.5万千瓦的设计理念也是四回路，每回路37.5万千瓦。偶数回路的主要原因是更容易和更好地将安全系统布置在压力容器中。
3.6仪表控制系统(I & amp；c)建筑的数字化和模块化。
世界各国核设备供应商提出的新型核电机型无一例外都采用了全数字仪表控制系统，并进一步向智能化方向发展。法国的N4和日本的两台ABWR机组都是数字式仪表控制系统。新设计的机组采用全数字仪表控制系统。
为了缩短建设周期，提高经济性，核电建设突破了原有方式，向模块化方向发展。在标准化、模块化设计的条件下，通过大型模块的运输、吊装和拼接，增加工厂制造和安装的工程量，减少现场施工的工程量。这是新一代车型采用的新技术。该技术已成功应用于GE和日本合作建造的两台ABWR装置。
3.7发展快中子反应堆技术，建立封闭的核燃料循环，使核电可持续发展。
主要工业化国家都建立了自己的核燃料循环技术和系统，基本掌握了快中子增殖堆技术。然而，由于各种因素，一些国家已经停止了快堆的工程开发。到目前为止，曾经是快堆技术发展先驱的美国，较早停止了快堆的建设，但现在正在研究是否重启快中子辐照试验堆FFTF，同时也在从事快堆技术相关的其他研究。法国正在研究利用凤凰快堆电站燃烧锕系元素和长寿命裂变产物。
俄罗斯是对快堆技术最热心的国家。它把快堆的发展和封闭燃料循环技术与系统的实施作为21世纪上半叶核电发展战略的基石，准备重启从1989开始冻结的一个BN-800快堆电站计划，并开始设计BN-1600。
在美国最近颁布的能源政策中，提出要研究先进核燃料循环，以改变过去不用乏燃料后处理的一次通过燃料循环。美、英、法、德、日等国正在研究先进的燃料循环系统，可以直接处理铀钚混合燃料，满足快堆核电站的要求，无需分离铀钚。这样，核能的发展既符合可持续发展的要求，也符合防止核扩散的要求。
3.8模块化高温气冷堆引起了人们的关注。
南非国家电力公司ESKOM提出了模块化高温气冷堆设计，在国际上反响很大。采用耐高温包覆颗粒燃料，不会出现堆芯熔化、石墨慢化、氦气作为冷却剂、全寿命负温度系数等事故，是安全性能良好的机型。由于高温氦涡轮直接循环，热效率高；被动安全系统，简化系统；采用直流循环，乏燃料不进行后处理，具有良好的经济性。但该型飞机仍有一些重要的关键技术，如高温高压下的氦气渗透率，尚未得到工程验证。特别是乏燃料后处理技术难度很大，很难实现裂变材料的转化和增殖。其中所含的裂变材料和锕系元素难以处理和处置，不符合资源环境可持续发展的要求。因为这种反应堆确实有很多优点，引起了国际关注，我们也要重视。
4对中国核电技术发展的启示
(1)中国要发展核电，必须发展更安全、更经济的新一代飞机。
提高安全性和经济性是国内外发展核电必须解决的问题。由三里岛事故和切尔诺贝利核电事故引发的公众对核能发展的接受，已成为世界核电发展的最大障碍。如果没有更安全的核电模式来替代目前的模式，并得到公众的认可，核电是无法持续稳定发展的。对于我国来说，如果停留在广东大亚湾M310的水平，核电的发展是非常困难的，也是没有前途的，因为M310的安全性与用户需求文件(URD、EUR等)相差甚远。)，而且很难在经济上与常规火电竞争。中国发展核电，必须顺应国际发展趋势，发展更安全、更经济的新一代飞机。
(2)应坚持压水堆核电的技术路线。
上世纪80年代初，国家计委和原国家科委联合召开了中国发展核电的技术政策论证会，得到确认，后报国务院批准颁布实施，从而发展了压水堆核电的技术路线。中国近20年的实践和国际核电技术最新发展趋势证明，中国发展压水堆核电技术的路线是正确的，压水堆核电技术发展取得了长足进步，建立了良好的科技产业技术基础，培养了强大、专业的配套科研设计队伍。中国新建核电机组应充分利用中国已有的压水堆技术基础，坚定不移地走压水堆核电的技术路线，不应轻易改变。
关于高温气冷堆，虽然国内外呼声很高，优点也确实不少，但不确定因素还很多，发展这种堆型的条件还不具备。
至于ABWR，它是一个很好的反应堆类型。如果我国从零开始，可以考虑研制这种类型的反应堆。鉴于中国在发展压水堆方面有相当的基础和经验，ABWR相对于压水堆的优势不足以促使我们放弃压水堆，转而选择ABWR。
(3)中国新一代核电型号应满足国际用户的要求。
中国新一代核电型号应符合世界核电发展趋势，并满足一些国际用户要求，如美国的URD和欧洲的EUR。当然，中国要把这些国际用户需求文件和中国实际情况结合起来，制定符合中国实际的设计需求文件，所以新一代核电型号要符合中国自己的设计需求文件。要在满足设计要求文件核安全要求的前提下，争取最佳经济性。
(4)新一代核电型号应考虑采用压水堆简化、非能动、数字化的仪表控制系统和模块化技术。
根据国际核电技术的发展趋势，我国新建核电机组应考虑采用非能动安全系统，以简化设计，提高安全性，提高经济性，但不追求全部的非能动安全，根据可能带来的效益和改进后实现的可能性做出现实的选择。采用模块化技术可以缩短工期，提高经济性。数字化仪控系统是提高核电安全性、运行可靠性和经济性的重要措施。
(5)抓紧新一代核电型号研发，赶上世界核电发展步伐。
根据国家计委《国民经济和社会发展第十个五年计划能源发展专项规划》提出的“自主开发新一代核电站”的要求和世界核电发展趋势，抓紧新一代核电型号的研发，力争在2010前完成型号研发，具备首批立项条件。从“十二五”开始到“十二五”结束或“十三五”开始，第一批项目建成投产，实行标准化、批量化建设，总体上赶上世界核电发展的步伐。