張步嶺 彭瑋

引言：本文簡(jiǎn)要介紹了三代核電站的發(fā)展歷程，展望了第四代核電站技術(shù)，并介紹了三代壓水堆核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)。

一、前言

在20世紀(jì)五、六十年代，二戰(zhàn)時(shí)期為軍事目的而發(fā)展的核技術(shù)轉(zhuǎn)向民用發(fā)展核電，顯示了美好的前景。1942年12月，在美國(guó)芝加哥大學(xué)建成的世界第一座反應(yīng)堆證明了實(shí)現(xiàn)可控的核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的科學(xué)可行性，之后世界核電經(jīng)歷了20世紀(jì)六七十年代的大規(guī)?？焖侔l(fā)展。而 1979年3月的美國(guó)三哩島事故和1984年4月的蘇聯(lián)切爾諾貝利事故，使核電廠(chǎng)安全問(wèn)題空前地呈現(xiàn)在世人面前，迫使核電向更安全、更經(jīng)濟(jì)性、更先進(jìn)和可靠性的方向發(fā)展，推進(jìn)了核電更加可靠的核電新設(shè)計(jì)。

二、核電站的發(fā)展

2.1第一代核電站

世界核電發(fā)展開(kāi)始于上世紀(jì)50年代，一般而言，國(guó)際上把50年代興建的帶有技術(shù)驗(yàn)證性質(zhì)的核電原型機(jī)組和實(shí)驗(yàn)機(jī)組統(tǒng)稱(chēng)為第一代核電站，主要有希平港（Shipping Port）壓水堆核電站、德累斯頓（Dresden-1）沸水堆核電站、卡德霍爾（Calder Hall A）生產(chǎn)發(fā)電兩用的石墨氣冷堆核電廠(chǎng)、APS-1壓力管式石墨水冷堆核電站以及NPD天然鈾重水堆核電站。這些核電站證實(shí)了核電站能夠安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了工程可行性和經(jīng)濟(jì)可行性的驗(yàn)證，為以后七、八十年代核電較大規(guī)模的商用發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

2.2第二代核電站

在60代中后期，隨著技術(shù)的進(jìn)步和能源價(jià)格的攀升，首批電功率30萬(wàn)千瓦的壓水堆，沸水堆和重水堆等核電機(jī)組開(kāi)始大量興建，目前世界上運(yùn)行的大部分商業(yè)核電機(jī)組都是這個(gè)時(shí)期修建的，包括前不久出了大事故的日本福島核電站。這一時(shí)期興建的核電機(jī)組，一般國(guó)際上統(tǒng)稱(chēng)為第二代核電機(jī)組。

這段時(shí)期形成系列化建設(shè)的機(jī)型主要有壓水堆核電機(jī)組、沸水堆機(jī)組、天然鈾壓力管式重水堆、石墨水冷堆電站、石墨氣冷堆電站。

上述核電系列中，B&W公司的壓水堆因發(fā)生了三哩島核事故，蘇聯(lián)石墨水冷堆因發(fā)生切爾諾貝利核事故，暴露了設(shè)計(jì)中的缺陷，停止了這兩種機(jī)型的發(fā)展。石墨氣冷堆由于其固有的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)能力差，局限在英國(guó)建設(shè)。由此看出：由機(jī)型固有特點(diǎn)決定的安全性和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力是其能否持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，確保安全，提高經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力是核電技術(shù)發(fā)展的方向和動(dòng)力。

2.3第三代核電站

20世紀(jì)70和80年代中先后發(fā)生了三哩島和切爾諾貝利兩大核事故，使核能的公眾接受問(wèn)題成了世界核電發(fā)展的重大障礙。從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，為了消除這兩次重大事故對(duì)核電發(fā)展帶來(lái)的影響，美國(guó)和歐洲分別提出了“先進(jìn)輕水堆用戶(hù)要求”文件（即URD文件）和“歐洲用戶(hù)對(duì)輕水堆核電站的要求”（即EUR文件），第一次對(duì)核電站在技術(shù)上進(jìn)行了規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)際上通常把滿(mǎn)足這兩份文件任意之一要求的核電機(jī)組稱(chēng)為第三代核電機(jī)組。

目前滿(mǎn)足上述文件要求的核電機(jī)組主要為三個(gè)，首先是法國(guó)阿?，m公司和德國(guó)西門(mén)子公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的ERP，美國(guó)西屋公司由AP600發(fā)展而來(lái)的AP1000，以及俄羅斯由VVER-1000發(fā)展而來(lái)的AES92/2006；其中AP1000滿(mǎn)足URD要求。ERP和AES滿(mǎn)足EUR要求；目前首次進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行的三代核電站估計(jì)會(huì)出現(xiàn)在2015年左右。

2.4第四代核電站

四代核電技術(shù)的提法始于2000年，美國(guó)牽頭召開(kāi)的“第四代國(guó)際核能論壇”（GIF），在2002年，這個(gè)論壇提出了六種有限候選的堆型，分別是超臨界水冷堆、高溫氣冷堆、熔鹽堆、鈉冷快堆、鉛冷快堆以及氣冷快堆；按照GIF的提法，國(guó)際上應(yīng)該在2020年左右確定四代核電反應(yīng)堆的主力堆型，在2025年建成原型示范堆，2030年進(jìn)入四代堆的商業(yè)應(yīng)用。目前在研究這一技術(shù)的國(guó)家主要有美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、日本、印度、中國(guó)、加拿大等。

目前四代核電方興未艾，可以肯定的說(shuō)，各國(guó)爭(zhēng)先吐艷的一個(gè)核電新春天不久就要來(lái)臨。

三、核電站反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的發(fā)展

在核動(dòng)力發(fā)展過(guò)程中，不同時(shí)期的核動(dòng)力裝置堆反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）的要求是不同，RCS的設(shè)計(jì)思想是隨著核動(dòng)力技術(shù)的不斷進(jìn)步而不斷發(fā)展的。

3.1第一代壓水堆核電機(jī)組反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)

第一代壓水堆（PWR）機(jī)組是核電起步階段的機(jī)組，其主要技術(shù)是在軍用核動(dòng)力的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，因此，它的RCS設(shè)計(jì)具有軍用技術(shù)的許多特點(diǎn)。

艦船第一代PWR動(dòng)力裝置的RCS通常采用兩環(huán)路方案，即一個(gè)反應(yīng)堆配兩條環(huán)路，核電機(jī)組為提高電廠(chǎng)輸出電功率往往采用RCS三環(huán)或四環(huán)路方案。但是，除了希平港以外，以后的核電機(jī)組均取消了備用主泵和主管道上所有的隔離閥和止回閥。一些早期核電機(jī)組采用的屏蔽電動(dòng)機(jī)泵，也在后期改為大功率的軸密封式主泵，蒸汽發(fā)生器則改用單筒體自然循環(huán)立式結(jié)構(gòu)。

3.2第二代壓水堆核電機(jī)組反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)

在第一代PWR動(dòng)力裝置進(jìn)入后期發(fā)展后，核電機(jī)組的設(shè)計(jì)思想是在保證電廠(chǎng)安全性的基礎(chǔ)上注重經(jīng)濟(jì)性，以提高核電在能源領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。

在保證安全可靠的基礎(chǔ)上增加機(jī)組容量和降低電廠(chǎng)造價(jià)是提高電廠(chǎng)經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)措施。20世紀(jì)六七十年代在石油危機(jī)等因素的刺激下，各經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家大力發(fā)展核電，PWR單機(jī)容量從300MWe等級(jí)很快提高到了1350MWe等級(jí)（美國(guó)西屋公司414型）。法國(guó)四環(huán)路機(jī)組可達(dá)1500MWe （N4型），功率在目前運(yùn)行的PWR中是最大的。

通過(guò)核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)（NSSS）主要設(shè)備、主要部件的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化實(shí)現(xiàn)大型化是第二代PWR核電機(jī)組的主要特征。RCS主設(shè)備配置不同，標(biāo)準(zhǔn)化和系列化的方式也不同。以美國(guó)西屋公司為代表的NSSS供應(yīng)商是通過(guò)增加RCS環(huán)路數(shù)和增加反應(yīng)堆堆芯燃料組件數(shù)與高度來(lái)提高NSSS功率。美國(guó)原CE公司和B&W公司則實(shí)施兩環(huán)路的1-2-4配置方案，即1個(gè)反應(yīng)堆配2臺(tái)蒸汽發(fā)生器和4臺(tái)主泵。

3.3第三代壓水堆核電機(jī)組反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)及其后續(xù)發(fā)展

核電機(jī)組從相對(duì)簡(jiǎn)單的第一代到越來(lái)越復(fù)雜的第二代，經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的漫長(zhǎng)過(guò)程。 AP1000的設(shè)計(jì)又從復(fù)雜的第二代發(fā)展為簡(jiǎn)單的、更先進(jìn)的第三代，開(kāi)創(chuàng)了技術(shù)突破和革新的新思路。RCS正沿著革新的道路進(jìn)一步發(fā)展。

更為簡(jiǎn)單的一體化模塊式反應(yīng)堆IRIS（熱功率1000MW）就是其中極具吸引力的一個(gè)國(guó)際開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。IRIS—體化反應(yīng)堆壓力容器不僅包容了堆芯、蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器，而且包容了主泵及其電動(dòng)機(jī)和控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，即反應(yīng)堆壓力容器包容了整個(gè)RCS的主要設(shè)備。

輕水堆（LWR）有壓水堆（PWR）和沸水堆（BWR）兩種堆型，它們的共同發(fā)展目標(biāo)是超臨界水冷堆（SCWR）。SCWR是6類(lèi)第四代核能系統(tǒng)中唯一的輕水堆。核電機(jī)組向簡(jiǎn)單化、一體化回歸的設(shè)計(jì)思想在這里發(fā)展到更加高級(jí)的程度。SCMR通過(guò)單回路水循環(huán)，把反應(yīng)堆產(chǎn)生的高溫高壓無(wú)相變超臨界水直接送入汽輪發(fā)電機(jī)組。SCWR取消了傳統(tǒng)壓水堆RCS所有的主設(shè)備，NSSS僅剩下一個(gè)主設(shè)備——反應(yīng)堆。反應(yīng)堆成為一臺(tái)名符其實(shí)的“核鍋爐”。

（作者單位：中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司）