未来我国核能技术发展的主要方向和重点①

2018-07-11

中国核电 2018年2期

关键词：安全壳堆芯反应堆

(中国核工业集团有限公司，北京　100822)

1　中国核电发展现状

我国核电在运核电厂已达到38台，总发电功率超过3 700万千瓦，在建机组18台，总装机容量2 100万千瓦，到2020年我国在运核电厂预期将达到5 800万千瓦，占世界第二位。

正如中国工程院、法国科学院及法国国家技术院给国际原子能机构的报告中所写：“就所有民用核能活动而言，可以认为法国和俄罗斯在当下全球领先。同时，中国在核电站建设方面正在取得重大突破，是未来潜在的领先国家之一。”

我国核电充分吸收了国际核电发展的经验和教训，并采用当前最先进的技术，遵循最高的安全标准，坚持自主创新，不断改进，并拥有技术先进、实力强大的装备行业，以支撑中国核电建设。可以说，中国核电具有“后发优势”。

我国最早引入和开发三代核电技术，遵循国际最高安全标准，完全满足美国“电力公司要求文件”(URD)和欧洲国家的“欧洲电力公司要求”(EUR)，堆芯损坏概率(CDF)小于十万分之一，大量放射性释放概率(LRF)小于百万分之一。

我国率先在三门、海阳引进、建设首批4台AP1000先进压水堆核电厂，同时在台山建设2台EPR1700先进压水堆核电厂。我国自主研发的三代核电包括CAP1400和“华龙一号”，其中“华龙一号”正在福建福清、广西防城港和巴基斯坦卡拉奇顺利建设，并积极准备进入英国市场。

“华龙一号”是在我国具有成熟技术和规模化核电建设及运行的基础上，通过优化和改进，自主设计建设的三代压水堆核电机组。它满足先进压水堆核电厂的标准规范，其主要特点有：1)采用标准三环路设计，堆芯由177个燃料组件组成，降低堆芯比功率，满足热工安全余量大于15%的要求；2)采用能动加非能动的安全系统；3)采用双层安全壳，具有抗击大型商用飞机撞击的能力；4)设置严重事故缓解设施，包括增设稳压器卸压排放系统，非能动氢气复合装置，以及堆腔淹没系统，保持堆芯熔融物滞留在压力容器内；5)设置湿式(文丘里)过滤排放系统，以防止安全壳超压；6)设计基准地面水平加速度为0.3g；7)全数字化仪控系统。

2　持续提高核电的安全性

我国和国际上都在进行提高核电的安全性研究，主要有从设计上实际消除大规模放射性释放，保持安全壳完整性，严重事故预防和缓解(包括：严重事故管理导则，极端自然灾害预防管理导则)，耐事故燃料(ATF)研究以及先进的废物处理和处置技术的开发和应用。

国际上安全监管机构都要求新建反应堆应满足下列安全目标：

(1)必须实际消除出现堆芯熔化、导致早期或大量放射性泄露的事故；

(2)对可能发生的堆芯熔化严重事故，必须保证只需对公众在一定地域/时期内采取有限保护措施(无需永久迁居、无需紧急撤离、无需长期限制食品消费)；

(3)在外部事件方面，倾向于将大飞机蓄意撞击考虑进去。

三代核电站在研发时考虑到了上述安全目标，其特征如下：

(1)第三代核电站使高压堆芯熔毁的频率降低10倍以上；

(2)反应堆设有在堆芯熔毁时收集熔融物的堆芯捕集器，以及其其他安全及严重事故缓解设施;

(3)为操作员在事故下干预策略(包括：在出现安全壳超压风险时，启动湿式过滤排放)留出足够时间采取行动，并做到实际消除大规模放射性释放；

(4)为防止安全壳超压损伤，设置安全壳湿式卸压过滤排放系统(放射性下降2～3个量级)，以消除剩余风险。

(5)从而可以做到即使在发生极其严重的核事故时，核电站附近大范围居民无需撤离，也无需担心食物受到污染，只需短时间隐蔽，不存在长期环境及生态影响，符合安全监管机构的安全目标。

3　耐事故燃料研发

3.1　耐事故燃料研发目标

降低堆芯(燃料)熔化的风险、缓解或消除锆水反应导致的氢爆风险、提高事故下裂变产物的包容能力，最终保证核安全。

3.2　耐事故燃料研发技术方向

有三类待选的包壳材料，四种研发核燃料，整个研发构成一个不断提高核燃料耐事故性能的路线图(见图1)。

图1　核燃料耐事故性能路线图Fig.1　Roadmap of the accident tolerant fuel

3.3　国际进展

美国西屋公司将于2019年将耐事故燃料的先导组件装入爱克斯龙电力公司拜伦核电站随堆考验。该组件采用硅化铀芯块和薄铬镀层的锆包壳组成，而硅化铀芯块能提供更高的铀密度，从而减少换料量。第二阶段西屋计划使用硅化铀芯块和碳化硅包壳。

法国阿海珐公司将于2019年将4个新型耐事故燃料棒装入美国袄格特勒核电站2号机组号机组，该燃料棒采用含铬氧化铀芯块和带有铬镀层的锆包壳，该芯块有更高的密度，能在失水事故时减少裂变气体释放，加强在高温下抗氧化能力减少氢释放。下一步将继续研究碳化硅包壳。

俄罗斯研究使用同位素改性钼来替代锆作为核燃料包壳材料，以提高其安全性。使用同位素分离技术将92Mo和100Mo含量提高到95%，能获得与锆相当的物理特性。

4　人工智能在核电的应用

2017年7月，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》(国发〔2017〕35号)指出，到2020年人工智能总体技术和应用与世界先进水平同步。核工业是高科技战略产业，是国家安全重要基石，人工智能的应用具有重要意义。

落实新一代人工智能在核能行业发展规划，需深入并广泛应用以工业机器人、图像识别、深度自学习系统、自适应控制、自主操纵、人机混合智能、虚拟现实智能建模等为代表的新型人工智能技术。核电领域人工智能发展的三阶段如图2所示。

图2　核电领域人工智能发展的三阶段Fig.2　Three phases of artificial intelligence development on nuclear power

我国大部分核电站已采用全数字化仪控系统，为人工智能的开发创造了基础；我国正在开发数字化核电站，以便真实仿真核电站的实际情况和运行的动态过程；在这个基础上就可以预测事件的进程和拟采取的操作措施的有效性，也就是说实现了某种人工智能的操作指导或事故处理指导。

核电领域人工智能应用，将提高核电运行的安全性；加强核电关键系统和设备的自动运行监控，提高系统、设备的可靠性；提高核电站运行的可利用率，提高经济性；对人不可达区域通过机器人进行维修，减少工作人员的受照剂量；为严重事故处理创造技术条件；为核电站退役创造技术条件。

5　小型堆的开发研究——多用途模块式小型堆

5.1　基本情况

从20世纪70年代开始，国际上推进了创新的中小型反应堆(50～300 MW)的研发，以支持多种应用，包括偏远位置、未并入邻近电网的中小型电网、旧燃煤机组更换、将废热用于供热网络的热电联产(集中供热和工艺热供应)、海水淡化、海岛开发、将核电项目逐步引入新的国家。

尽管市场前景广阔，国外也开展了一些设计研究，但这些小型模块化反应堆还未能展示出大规模应用的实用性，主要是由于开发的进展缓慢、经济方面的原因(单位造价、安装复杂、分散和培训成本分散)，还有厂址准备和部署的延迟。

出于巩固核能领导地位和能源领域、核技术方面取得的主要进展，在美国能源部的倡议下，近年来，国际上对小型模块化反应堆的兴趣越来越强烈。小型模块化反应堆是“游戏改变者”，能够以高安全水平提供不同的核电联产解决方案。

小型模块化反应堆可成为清洁稳定的分布式能源，主要是由于其可减少化石燃料使用的需求；分布式能源(可再生能源、智能电网、储能)；操作机动、灵活；解决了长期投资项目融资的问题。由于运用非能动安全概念的可能性，工厂内模块化建造能力的形成以及“即插即用”概念的运用，即发电站完全在工厂内建造，然后运到现场接入电网(包括浮动核电站)，大大提升了小堆的竞争力和吸引力。

5.2　国际研发情况

国际上，45种以上革新型中小型反应堆概念和设计，部署目标介于2012年至2030年之间。小堆在美国、欧洲、亚洲的发展如下：

(1)美国

2011年拨款3890万美元，用于模块式反应堆取证和商业化。美国参议院新议案中，将小堆开发列入了联邦政府资助名单。

(2)欧洲

法国：过多地将注意力放在过于复杂的EPR上，建议阿海珐提供小型的、更廉价的核反应堆；

俄罗斯：目前已发展了VBER150、VBER300、KLT40。

(3)亚洲

东芝：研发10 MWe小堆，30年内不必更换燃料，可供日本3 000个家庭用电；

三菱重工：正在研发350 MW小堆，目前已完成概念设计；

日立：和美国通用电气合作研发400MW至600 MW的中型核反应堆；

韩国：目前开发了SMART。

5.3　广泛用途

模块小型堆具有高参数，可涵盖核能发电、工业工艺供热、城市区域供热、海水淡化等多种用途所需的热能参数要求(见图3)。

图3　模块小型堆堆应用Fig.3　Application of the small modular reactors

要切实满足市场需求，新的小型模块化反应堆必须真正采用创新理念，绝对不能是目前的第三代反应堆的缩小版。创新的设计可明显提升小型模块化反应堆在经济上的竞争力。相对于间歇性风电、太阳能发电、天然气发电和用于特定应用的柴油发电机相比，小型模块化反应堆是有竞争力的。如果类似于“即插即用”、设计完全独立于安装地点的解决方案得到证实，它们可以成为满足市场需求、从而为能源转型作出贡献的最佳选择。

要充分吸取核能特殊创新技术发展：

(1)高性能燃料

燃耗增加，而膨胀和裂变气体释放量有限；耐事故燃料开发，能承受高温不熔化，防止锆水反应，从而能在发生事故时防止或限制氢的产生;

(2)改进的堆芯内仪表，准确性更高，可减少设计分析和运行时的保守性;

(3)更加深刻理解堆芯熔融行为，优化事故工况下燃料在压力容器内滞留措施;

(4)实施最新模拟方法，实时耦合热工水力和中子计算，可大大提高设计和运行能力;

吸取从其他行业转来的技术：

(1)核设施设计、采购、建设和项目管理的数字化;

(2)低压回路系统采用新型复合材料以取代钢材；

(3)采用高机械性能和抗渗性能的先进混凝土等。

5.4　国内外进展

中核集团开发了一体化的核蒸汽供应系统ACP100，反应堆一体化布置，内置直流蒸汽发生器，屏蔽式主泵，集成式堆顶结构，非能动安全设施。半地下布置，出力125 MW。准备在海南建设示范工程。如采用耐事故燃料，则可以排除氢爆及堆芯熔化事故(见图4)。

图4　ACP100模型图Fig.4　Model diagram of ACP100

美国开发的NuScale，采用自然循环冷却，钢安全壳紧贴反应堆压力容器。反应堆全地下布置。具有创新型非能动安全系统，当故障导致压力容器内部压力过高时，排放阀自动打开，堆芯冷却水压力容器、安全壳和水池构成排热系统，能在事故工况下依靠自然循环排出热量，至少30天无需人工干预。

6　小型堆的开发研究——低温核能供热

6.1　陕西省调研核能供热代替燃煤的必要性

由于偏重传统能源与重化工业，快速发展的陕西关中地区大气污染物排放总量长期居于高位，空气中细颗粒物( PM2.5 )浓度位居全省前列，年均雾霾天气日数居高难下。

据统计，以西安市为代表的关中城市2016年上半年优良天数同比减少42天，位居全国74个重点监测城市的后位。PM10、PM2.5同比分别上升16.3%和和16.1%，环境压力持续加大。

6.2　泳池式低温供热堆

泳池式低温供热堆特性包括：

(1)零堆熔

在严重事故情况下，反应堆依赖固有负反馈特性可实现自动停堆，即使没有任何干预，也可实现26天堆芯冷却不熔毁。

(2)抗外部事件能力强

水池全部埋入地下，避免因自然及人为原因造成重要设备损坏而发生核事故。

(3)零排放(见表1)

表1　燃煤锅炉、燃气锅炉及核供热堆堆排放量Table 1　The emission between Coal-fired boiler,Gas boiler&Nuclear heating reactor

(4)易退役

放射性源项小，是常规核电站的百分之一，退役彻底，厂址可恢复绿色复用。

泳池式低温供热堆还可应用于利用溴化锂吸热循环制冷，以便在夏季实现城市供冷，提高供热堆的利用率；生产同位素；生产医用短寿命同位素，如18Fe、99mTc、131I、89Sr、32P、125I等，具有性能优良、半衰期合适、方便易得等特点，且供热堆分布面广，离城市大医院近，便于短寿命同位素运输，为推广同位素诊断和治疗创造有利条件；利用低温真空闪蒸进行海水淡化。