压水堆技术后续发展的思考

邢继， 王辉,2， 吴宇翔， 谌登华， 王晓亮

(1.中国核电工程有限公司， 北京 100840； 2.哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

近年来全球气候变暖已威胁人类社会的可持续发展，为减少温室气体排放，增强应对气候变化能力，全球近200个国家共同缔结“巴黎协定”，目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2 ℃以内。2021年我国两会期间，“碳达峰”和“碳中和”首次出现在政府工作报告中，我国政府向全世界作出了2030年前实现“碳达峰”，努力在2060年前实现“碳中和”的承诺。在此背景下，核电作为一种清洁、低碳、安全和高效的基础性现代能源，具有广阔的发展前景。

20世纪50年代末，美国率先将核潜艇压水堆和常规蒸汽发电技术结合，建成了世界首座压水堆核电厂，开启了人类利用核能的新时代。在众多反应堆技术中，压水堆因其功率密度高、结构紧凑、安全易控、技术成熟、造价和发电成本较低等特点，成为目前国际上最广泛采用的商用核电堆型[1]，截止2021年8月，全球在役商用反应堆443台，压水堆为303台，占比68%[2]。我国原国家计委和国家科委于1983年联合组织的“核能发展技术政策论证会”确定了以百万千瓦级压水堆为主，走引进技术并逐步国产化的道路[3]。截止目前，我国运行核电机组共51台(不含台湾地区)，其中压水堆49台，占比96%[4]。

我国核电建设起步于秦山一期30万千瓦机组，经多年发展及技术的不断改进，实现了二代改进型核电机组的批量建设。随着燃料技术、热效率、安全设计与分析评价方法、运营管理等各方面的进步，针对先进轻水堆核电技术，国际组织、各国核安全监管机构和研究机构发布了设计要求及用户要求文件[5-6]，尤其在后福岛时代，对新建核电的设计提出了更严格的要求[7-8]。在此背景下，中国核工业集团和中国广核集团共同研发了具有完整自主知识产权的百万千瓦级压水堆核电技术，采用先进的安全设计理念与技术，具有创新性的设计特征，满足最新的安全要求和国际上第3代核电的用户要求[9]，示范电站福清核电5号机组已并网发电。在引进消化吸收AP1000技术的基础上，国家电力投资集团突破扩大功率导致的诸多方面的技术挑战和难点，开发了具有自主知识产权的CAP1400[10]，并于2019-07开工建设。

然而在目前的能源结构中，核电的发展面临着一些问题，如核电技术自身的安全性与经济性的平衡问题、运行灵活性问题及环境友好性问题等。同时，来自于外部的技术不断成熟且价格不断下降的可再生能源(如风能和太阳能等)也对核电的发展提出了挑战。因此，本文将对在核能电力供应中占主导地位的压水堆技术的发展进行探讨，剖析当前压水堆技术面临的挑战，梳理压水堆技术近期发展方向，并提出远期发展的思考。

1 压水堆技术面临的挑战

压水堆技术乃至更大范围的核电技术的规模发展取决于2方面的因素，分别是市场竞争力和公众接受度。市场竞争力受电厂经济性和运行灵活性的影响，公众接受度受安全性和环境友好性的影响。

1.1 经济性

核电的低碳属性得到了广泛认可，但在世界很多地区的扩张前景黯淡，最根本的原因在于成本[11]。核电的成本包括了建设成本、运营成本、燃料成本及退役成本，其中建设成本在总成本中占比很高，可达2/3以上，也是总成本不确定性的主要来源[12]，运营成本次之。由于核电的涉核属性，公众及监管当局对核电的可靠性及安全性极为关注，在将新型反应堆推向市场前，需要经过漫长的研发和严格的测试方能获得许可证，交付周期很长；大量用于预防和缓解事故以实现3项基本安全功能的安全系统的设计，也额外增加了核电厂的建设及运营成本。随着核安全要求的不断提高，核电的成本也不断攀升，以美国为例，三哩岛事故后核电建设成本大幅增加[12]。

与核电相反，同样具有低碳、清洁属性的可再生能源的成本随着技术的成熟而不断下降[13]。表1给出了我国2018—2020年风电与太阳能的标杆电价，其中不同资源区的风电与太阳能的电价有所不同。根据2013国家发展改革委印发的《关于完善核电上网电价机制有关问题的通知》，全国核电标杆上网电价为0.43 RMB/(kw·h)，可以看出，无论风电还是太阳能，标杆电价指导价已接近甚至优于核电，且价格趋势变化相反。

表1 不同能源的标杆电价Table 1 Benchmark price for different kinds of energy RMB/(kw·h)

1.2 运行灵活性

核电运行灵活性不足首先体现在电网调峰。在我国电网运行中，出于对核电安全性和成本高昂等因素的考虑，核电机组承担基荷运行，仅在台风过境、供暖期和春节等特殊时段采用降功率甚至停运方式。但随着沿海地区负荷峰谷差的持续增大及陆上风电、海上风电和核电项目的建设发展，将严重加剧沿海地区电网的调峰压力，因而对核电参与日调峰的需求愈发强烈。现代核电机组均设计有日负荷跟踪能力，在理论和实践上均具备参与日调峰的可行性[14-15]，但目前核电机组下调功率有限，除欧洲先进压水堆(European pressurized water reactor, EPR)外，核电机组日负荷循环时功率不低于满功率的50%，难以满足负荷峰谷差持续增大的调峰压力。

核电运行灵活性不足还体现在用途单一局限，基本仅向大型电网供电，国际原子能机构的统计数据表明，目前仅不到1%的核能用于供热等非电应用[16]。在我国电力需求增速放缓下，为进一步发展核电，应突破现有应用模式，开发多用途的压水堆技术，并实现与化石能源及可再生能源的协同发展。

此外，主流的压水堆核电机组单堆功率较大，不适用于中小型能源网络及非电市场，影响了核电的部署发展。

1.3 安全性

目前核电厂在设计和建造中所采用的主要安全理念和安全要求，是美国在其核电发展过程中建立并被国际社会广泛接受和借鉴的。在核电发展实践中，美国建立了确定论安全分析和概率论安全分析的方法体系，据此提出核电厂的安全要求和目标。

确定论安全分析主要关注3项基本安全功能，分别是控制反应性、导出衰变热和包容放射性。围绕3项基本安全功能，压水堆设计了一系列安全系统和措施，如反应堆停堆系统、安注系统和安全壳系统等。概率论安全分析通常以堆芯损伤频率(core damage frequency，CDF)和大量释放频率(large release frequency，LRF)2项指标来衡量电厂的安全水平，并指导电厂的设计或改进。随着安全系统设计理念及技术(如非能动概念及技术的引入)的进步，压水堆核电机组的安全水平不断提高，三代压水堆的CDF和LRF较二代机组均降低了一个数量级。

然而，压水堆安全性的进一步提升存在较大困难。其原因在于，3项基本安全功能的实现取决于反应堆设计的固有安全性及附加的安全系统。压水堆属于热中子堆，采用高温高压轻水(>15 MPa，>300 ℃)作为冷却剂和慢化剂，其燃料材料选择、冷却剂的物理化学性质、工艺系统设计决定了通过提升固有安全特性来提升安全性存在较大困难，无法实现四代堆的固有安全特性；另一方面，主流大型压水堆主工艺系统设计基本相同，在遵循相同核安全理论框架下，纵深防御每个层次可采用的技术手段趋同，在确保经济性的前提下，通过提升安全系统性能来提升安全性也存在较大困难。

1.4 环境友好性

环境友好是一种理念、关系和过程，需要企业采用有利于环保的生产方式、与周边环境良性互动与促进、企业不断改进与创新以实现自然和社会的和谐。

经过多年的技术发展、经验反馈和设计优化，大型压水堆核电厂的环保性能已经得到了极大的提升，各项排放、生态和环境影响的指标均能满足国家的法规、标准的要求。在此基础上，发展更加先进的大型压水堆就需要按照环境友好的理念进一步提升，不仅满足当前法规标准的要求，更要为未来我国生态文明体系的建设提供助力。

但环境友好并不意味着单纯的单向减排、节能、节地、节水等，这些减排、节能、节地、节水等措施往往都会导致经济性的下降，为此需要找到合适的平衡点。与之类似，环境友好性和安全性也需要寻求在当前技术条件、经济条件、科学认知条件下的最优解，寻求两者之间的平衡关系。

为研发设计环境友好型核电厂，需要对核电厂环境友好性概念、属性、指标开展全面研究和分析，深入分析论证环境友好性与经济性、传统核安全之间的内在联系与区别，识别核电厂在设计中需要落实的环境友好要素，构建核电厂环境友好性评价体系。在设计中注意环境友好性各要素的量化指标，在开展与环境友好性直接相关的专项技术和工艺研发工作的同时，深入剖析影响环境友好性的其他设计因素，同步将需要落实的设计改进和优化反馈到具体的系统、工艺设计之中，从而实现核电机组在环境友好性上的系统性、全面性和先进性。

2 压水堆技术近期发展方向

为实现压水堆核电机组经济性、运行灵活性、安全性和环境友好性提升的目标，在新型反应堆研发设计中，应采用系统工程思维，在确定总体技术方案与技术指标基础上，将经济指引、风险指引、环境友好性指引等设计方法贯彻于研发设计活动，实现各总体指标的平衡。

在具体的技术改进和发展方面，国内外已开展了大量的研究，涵盖了设计、建造和运行维护等方面。

2.1 先进燃料

福岛核事故后事故容错燃料(accident tolerant fuels，ATF)的研究受到了主要核电国家的广泛关注与深入支持，该类研究的目的是通过增强包容裂变产物和包壳材料抗氧化的能力来提高反应堆和乏燃料水池在事故情况下的安全性，以确保在发生类似福岛核事故的情况下不会对环境造成严重影响。目前ATF的主要设计改进均着眼于革新的包壳(涂层、先进的钢、碳化硅等)[17]和新型燃料芯块(高热导率添加剂、U-Si-N，U3Si2等)[18-20]。根据包壳及燃料类型来划分，ATF研发大致可分为3个方向：提高锆合金包壳的高温抗氧化能力及强度；具有高强度和抗氧化能力的非锆合金包壳以及比UO2具有更好性能和裂变产物滞留能力的新型燃料。

环形燃料则是另外一种值得关注的燃料元件，与传统棒状燃料元件相比，该类燃料内部也有冷却剂通道，从而提高了传热面积-体积比，能大幅降低燃料峰值温度，在保持充分安全裕度的条件下提升反应堆功率密度，增强核电经济性[21-22]。目前韩国与美国已深入开展了环形燃料的研究，国内的中国原子能科学研究院研制的环形燃料元件已开展了入堆考验的工作，运行正常[23]。

2.2 不调硼负荷跟踪

核电负荷跟踪控制模式有美国西屋公司提出的MODE A和MODE B，以及法国法玛通公司提出的MODE G模式[24]。

我国绝大多数机组采用的是MODE G模式，该模式的特点是：1)功率补偿棒N1、N2、G1、G2调节由功率变化而引起的反应性变化；2)用R棒组调节小的反应性变化和堆芯轴向功率分布；3)用可溶硼调节慢反应性变化。在采用该模式运行时，通过操作员手动操作的方式来调整轴向功率分布形状，同时调节堆内可溶硼浓度补偿由于氙浓度变化等引起的较慢的反应性变化，在负荷运行跟踪过程中操作员负担重、调硼次数多、废水产生量大。

AP1000采用了MSHIM控制策略[25]，简化了与功率变化有关的硼浓度控制，使硼浓度变化仅用于启动、关闭和燃耗。在负荷跟踪运行期间，控制棒自动移动精准控制堆芯参数，减轻了操作员负担，控制了废水产生量，并能实现硼相关系统的简化设计，从而降低核电成本。鉴于此，新型反应堆的研发设计可以就不调硼负荷跟踪技术开展研究，实现经济性与运行灵活性的提升。

2.3 优化的能动与非能动安全系统

二代改进型压水堆机组普遍采用能动安全系统应对设计基准事故(design basis accidents，DBA)，缺乏完善的设计扩展工况(design extension conditions，DEC)应对措施。

为进一步提高安全性能，EPR在安全系统的设计上采用了“加法”的设计思路，增加安全系统的数量以及冗余度[26]；AP1000采用了“减法”的设计思路，引入非能动理念，设计了可以应对DBA和DEC的非能动安全系统，整套系统利用物质自然特性，减少了安全支持厂房、安全级设备和相关厂房，极大简化了电厂设计。

“华龙一号”采用了能动与非能动相结合的设计理念，其中成熟可靠的能动安全系统用于应对DBA，非能动部分则用于应对DEC[9]，该类设计安全措施多样化，安全性高，但系统复杂，经济性稍差。

考虑到非能动系统简单、经济的优点，在后续压水堆研发设计中，可以进一步发展能动与非能动相结合的设计理念，提升非能动系统的地位和作用，而将能动系统作为非能动系统在纵深防御体系中的补充措施，从而更好地满足新形势下核电技术的经济性和创新性要求，更充分的实现能动系统与非能动系统的互补，从而以较低代价实现整体安全目标。

2.4 安全壳性能提升

安全壳是压水堆核电厂包容放射性物质的最后一道屏障，对保证电厂安全至关重要。福岛核事故后，业界尤为关注严重事故下的安全壳系统性能。

从放射性物质包容的角度出发，首先考虑的是严重事故下放射性气溶胶的迁移与热力学现象，业界已开展了广泛研究，包括了单项机理及依托不同规模台架的综合效应研究[27-29]，但对于影响气溶胶迁移凝并的重要现象(如吸湿增长、衰变荷电等)的研究仍有不足，非能动冷却方式下的安全壳内气溶胶综合行为有待深入研究。在包容能力方面，美国、法国等分别开展了比例模型研究[30-31]，此外，美国阿贡实验室(Argonne National Laboratory,ANL)和桑地亚实验室(Sandia National Laboratory, SNL)还对22家核电厂的贯穿件结构可靠性开展了广泛研究。这些研究主要集中于压力荷载下安全壳结构承载能力和贯穿件密封性能方面，缺少严重事故热、力耦合下安全壳结构失效机理和承载能力研究、安全壳结构和贯穿件密封性能试验及定量化的预测评价。在安全壳释热减压和过滤排放技术研发方面，有必要探索新一代安全壳热量导出和过滤排放技术，以实现电厂经济性和安全性的提升。

在国家科技部重点研发计划“严重事故下安全壳系统性能研究”项目资助下，中国核电工程有限公司联合业内单位正在对上述内容进行攻关，以支撑新型压水堆的研发设计。

2.5 模块化设计与建造

三代压水堆的建设实践证明，模块化设计与建造技术是减少现场施工量、降低安全隐患、缩短建造工期和降低工程造价的有效方式。

采用模块化设计和建造理念，根据核电机组全厂各系统部件和物项的功能和布置特点，将其分割成若干模块，在工厂中进行预先加工制造，并运送至项目现场进行拼装与安装。模块化的特点是将传统在现场完成的工作移至工厂，增加了基于工厂的制造和组装工序。现场实现平行施工，引入了大量预制等平行作业，使土建、安装、调试等作业深度交叉，能有效降低现场劳动力投入，缩短建造工期并提高了工程质量和工程调度灵活性，是解决我国目前核电安全高效批量建设与资源短缺、质量安全之间矛盾的有效措施。

在模块化技术研发领域，国内在建和已运行部分堆型核电站虽然有如反应堆厂房穹顶、核取样实验室等局部采用模块化施工的案例，但是系统的研究开发核电工程的模块化设计和建造技术及规模化应用还处于空白阶段。该研发领域的重点突破，将显著提升新型反应堆的建造经济性。

2.6 智能运维技术

面对抢占新一轮科技革命和行业变革竞争制高点的新形势和从制造大国向制造强国转变的战略任务，我国提出“以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向”的战略方针。

目前国内海尔等家电行业、三一重工等装备制造行业、九江石化等石化行业都已开始智能工厂试点建设[32-34]。实践经验表明，“智能工厂”在降低运营成本、缩短产品研制周期、提高生产效率、降低产品不良品率、提高能源资源利用率等方面具有显著成效。核电行业作为保障国家安全与促进国民经济发展的重点行业，也陆续开展了数字核电、大数据平台、智慧电厂等相关技术研究工作[35-37]，但与上述行业相比，核电及其上下游产业的智能化水平仍有巨大差距。

以提升核电机组安全性能、降低运维成本为目的，建议进一步提高核电智能化水平，使得新一代压水堆机组能够满足“无人监控、少人值守”的总体需求，在运行高度自动化、主设备预测性维护及全数字化运维支持等方面实现重大突破。

2.7 多用途利用

多用途利用是提高核电灵活性的可行途径之一，包括了制氢、海水淡化、供热、储能等方向。

目前核能制氢有电解水制氢和热化学制氢2种方式，前者核反应堆供电，后者核反应堆供高温热源。由于压水堆一回路冷却剂经堆芯加热后的温度大约为330 ℃，无法满足热化学制氢工艺要求的750～1 000 ℃的要求，因此只能采用电解水制氢方案，但该方案效率低下，限制了压水堆制氢的发展。

在海水淡化方面，规模化的海水淡化需要大量的能量消耗，而核电厂可以环保且持续地提供所需能源，因而许多国家对核能海水淡化给予了很大关注。我国辽宁的红沿河核电站海水淡化系统是国内核电首个海水淡化系统，开辟了核电站利用海水淡化技术提供淡水资源的先河[38]。

核能供热主要有2种方式：低温核供热和核热电联产，核热电联产的最大优势是节能，实现了能源资源的优化配置[39]，对于主流压水堆核电厂的用途拓展而言，该方式较易实现。海阳核电站2019年实施的核能供热一期工程在首个供热季运行良好，为压水堆的核能供热提供了有益的参考。

近年来储能技术的迅速发展也为核电参与电网调峰提供了新的技术方案。在负荷需求较小时，可将多余的电力储存，在负荷较大时则予以释放，从而尽可能的维持反应堆的平稳运行，降低电网调峰对核电厂的影响。

除了以上方面，延长操作员不干预时间和电厂自治时间、减少固体废物、减少环境排放、降低职业照射剂量等也是压水堆技术进一步发展的技术方向。

在压水堆技术发展过程中，核心自主化软件及先进数值计算和模拟方法的开发与先进实验技术的发展将有力支撑上述各技术方向的研究。例如，国内西安交通大学核反应堆热工水力团队开展的基于计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)的核动力系统高精度热工水力模型开发及应用研究，为先进压水堆的研发设计及运行提供了重要的理论支持[40]。

3 压水堆技术远期发展的思考

作为成熟可靠的核能技术，压水堆在今后很长一段时间内仍将是核能发电的主力堆型，但需要在安全性、环境友好性、经济性和运行灵活性4个方面开展进一步探索研究。在提高安全性方面，可以将研发重点从目前的安全系统的优化提升转移到消除或降低事故发生的可能性上，通过先进燃料的研发和先进工艺系统的设计予以实现；在设计建造方面，进一步提高各模块的规模和复杂程度，降低现场施工作业难度与强度,缩短建造周期；在运行维护方面，进一步提升核电厂的智能水平，充分实现实体工厂的数字孪生，实体工厂的数据信息完全映射于数字孪生体，以数字孪生体的高精度仿真运行支持电厂的运行维护。

在这一探索过程中，需要业界打破僵化思维，大胆开拓，开展更多设计理论的研究及原创技术的研发。

4 结束语

在我国“碳达峰”与“碳中和”的战略背景下，核能作为低碳清洁能源，具有广阔发展空间，而成熟可靠的压水堆技术在今后很长一段时间内仍将是核能的主力堆型。从20世纪50年代末起步开始，随着社会对核安全的日益重视，压水堆技术不断进步，但在可再生能源技术迅速发展的现在，压水堆技术的发展仍然面临着一些问题，归纳起来有经济性、运行灵活性、安全性和环境友好性等4个方面。为促进压水堆技术的进一步发展，业界已开展了若干有益的工作，如先进燃料、不调硼负荷跟踪、安全壳系统性能提升、模块化设计与建造等技术研究，这些研究成果的应用将显著提升新型压水堆的经济性、运行灵活性、安全性和环境友好性。对于压水堆技术的远期发展，业界还没有形成统一认识，理论创新和技术探索还有广阔空间。