中國四代核電技術(shù)發(fā)展到哪步了：蓋茨也來求合作

日前，IT大亨暨新能源大佬比爾·蓋茨為了核電又一次來到中國，除了就他旗下泰拉能源公司的第四代核反應(yīng)堆(行波堆技術(shù))向中國工程院院士演講，還獲得了李克強(qiáng)總理的接見。

其實，早在今年9月，中國國家主席習(xí)近平訪美期間，泰拉能源公司就與中核集團(tuán)簽署行波堆合作協(xié)議，致力于發(fā)展新核能發(fā)電技術(shù)。在11月11日，比爾·蓋茨還希望泰拉能源公司與中核集團(tuán)合作，共同開發(fā)第四代核反應(yīng)堆技術(shù)?；厮葸^去半個多世紀(jì)的歷史，一直對中國在尖端技術(shù)上保持技術(shù)封鎖的美國，也開始主動向中國拋出合作研發(fā)第四代核反應(yīng)堆的橄欖枝，這不得不讓人感慨“三十年河?xùn)|，三十年河西”的歷史變遷。如果說中國的第二代、第三代反應(yīng)堆還是引進(jìn)法國、美國的技術(shù)，并在其基礎(chǔ)上改進(jìn)的話，那么中國的第四代核反應(yīng)堆就是不折不扣的自主創(chuàng)新了。經(jīng)歷了風(fēng)風(fēng)雨雨的半個世紀(jì)后，中國民用核工業(yè)完成了從模仿借鑒到自主創(chuàng)新的飛躍。

核反應(yīng)堆技術(shù)發(fā)展歷程

50-60年代建成的核電站所使用的技術(shù)都被歸類為第一代核反應(yīng)堆，不僅在可靠性上或多或少存在瑕疵，發(fā)電功率僅僅相當(dāng)于同期火力發(fā)電機(jī)組的零頭，存在的意義不是發(fā)電，而是證明核能發(fā)電的可行性。

第二代核反應(yīng)堆單一核電機(jī)組的發(fā)電能力大幅提升達(dá)到千兆瓦級，是第一代核電機(jī)組的上百倍，是核能發(fā)電商用的絕對主力，全球400余臺現(xiàn)役核電機(jī)組中，絕大多數(shù)仍然來自第二代核反應(yīng)堆。但第二代核反應(yīng)堆也存在一定安全缺陷，發(fā)生堆芯融化事故和大量放射性釋放事故的概率相對偏高，切爾諾貝利核電站、福島核電站都采用第二代核反應(yīng)堆。

在汲取了第二代反應(yīng)堆運(yùn)行經(jīng)驗和事故教訓(xùn)后，于20世紀(jì)90年代后期發(fā)展出第三代反應(yīng)堆，設(shè)計基于同樣的原理，雖然在技術(shù)上沒有實現(xiàn)飛躍，但完善了安全性能。目前，我國在建和規(guī)劃待建的核電站，大部分將采用第三代核電技術(shù)。

雖然各國的第四代反應(yīng)堆依舊在建設(shè)或科研探索中，但第三代反應(yīng)堆的研發(fā)重點(diǎn)和發(fā)展方向早就在十多年前就明確了——2002年核能系統(tǒng)國際論壇(GIF)確立了6種有前途的第四代核反應(yīng)堆作為重點(diǎn)研發(fā)對象，包括3種快中子堆——鈉冷快堆(SFR)、鉛冷快堆(LFR)和氣冷快堆(GFR)，以及3種熱中子堆——超臨界水冷堆、超高溫氣冷堆(VHTR)和熔鹽堆(MSR)。2014年，又公布了一份新的《第四代核能系統(tǒng)技術(shù)路線圖》，對2002年路線圖的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了更新，并明確了未來10年內(nèi)第四代反應(yīng)堆研發(fā)工作的重點(diǎn)。

2008年10月和2009年3月，中國分別加入了超高溫氣冷堆和鈉冷快堆兩個系統(tǒng)的研究。2014年，中國超臨界水冷堆技術(shù)研發(fā)第一階段(基礎(chǔ)技術(shù)研究)研發(fā)目標(biāo)也已完成，提出了超臨界水冷堆總體技術(shù)路線。

什么是快堆

6種第四代堆型中，快堆占據(jù)了一半，中國在建的中國實驗快堆和山東石島灣核電站都是快堆，那么什么是快堆呢？

快堆是快中子增殖反應(yīng)堆的簡稱。在消耗核燃料的同時，真正做到核燃料越燒越多，核廢料越燒越少。

自然界中鈾-235的蘊(yùn)藏量僅占0.66%，其余絕大部分是鈾-238，它占了99.2%。為保證核反應(yīng)正常進(jìn)行，一般輕水堆采用3-4%的濃縮鈾-235為原料，也就是說真正參與核反應(yīng)的原料只有3-4%，余下是會產(chǎn)生輻射的鈾-238核廢料。

快堆不用鈾-235，而用钚-239作燃料，不過在堆心燃料钚-239的外圍再生區(qū)里放置鈾-238。钚-239產(chǎn)生裂變反應(yīng)時放出來的快中子，被裝在外圍再生區(qū)的鈾-238吸收，變?yōu)殁?239，鈾-239經(jīng)過幾次衰變后轉(zhuǎn)化為钚-239。這樣，钚-239裂變，在產(chǎn)生能量的同時，又不斷地將鈾-238變成可用燃料钚-239，而且再生速度高于消耗速度，核燃料越燒越多，快速增殖，所以這種反應(yīng)堆又稱“快速增殖堆”。

快中子堆一般采用氧化鈾和氧化钚混合燃料(或采用碳化鈾-碳化钚混合物)，將二氧化鈾與二氧化钚混合燃料加工成圓柱狀芯塊，裝入到直徑約為6毫米的不銹鋼包殼內(nèi)，構(gòu)成燃料元件細(xì)棒。燃料組件是由多達(dá)幾十到幾百根燃料元件細(xì)棒組合排列成六角形的燃料盒。

鈉冷快堆

在快堆中，又以鈉冷快堆性能最好，中國實驗快堆(CEFR)和比爾·蓋茨極力推廣的行波堆技術(shù)都是鈉冷快堆，其安全特性指標(biāo)已達(dá)到第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的要求。同鉛冷快堆和氣冷快堆相比，鈉冷快堆優(yōu)勢明顯：

鈉原子質(zhì)量大，中子碰撞之后質(zhì)量不損失；鈉的中子吸收截面小，吸收中子不多，不損耗能量；鈉導(dǎo)熱性好，很容易把能量帶走，解決了反應(yīng)堆最怕的過熱問題；鈉的熔點(diǎn)是98℃，但沸點(diǎn)高達(dá)890℃，在通常500℃～600℃的工作環(huán)境中只需兩、三個大氣壓，安全性好；鈉的比熱大，所以鈉冷堆的熱容量大，在中國實驗快堆中，8米直徑的反應(yīng)堆用了260噸的液態(tài)鈉，只需要兩層25毫米外壁的殼進(jìn)行防護(hù)；鈉沒有毒性，在工作溫度下對金屬腐蝕性小。

所以鈉是快堆的一種很好的冷卻劑。世界上正在建造的和計劃建造的大多是鈉冷快堆。

中國實驗快堆于2000年5月開工建設(shè)，2010年7月21日首次達(dá)到臨界。中國成為繼美、英、法等國之后，世界上第8個擁有快堆技術(shù)的國家。截至2014年12月，中國實驗快堆已經(jīng)累計并網(wǎng)運(yùn)行438小時，累計發(fā)電量超過300萬度，累計上網(wǎng)電量超過180萬度。

高溫氣冷堆

高溫氣冷堆除了具有快堆的特點(diǎn)外，還具有無與倫比的安全性。反應(yīng)堆燃料元件采用包覆燃料顆粒構(gòu)成的“全陶瓷型”球形燃料元件，具有在不高于的1600攝氏度的高溫下阻留放射性裂變產(chǎn)物釋放的能力，而且堆芯周圍全部由石墨和碳磚材料構(gòu)成，芯結(jié)構(gòu)部件能承受超高溫，加上反應(yīng)堆具有較大的燃料和慢化劑負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)，能保證在任何情況下，燃料元件最高溫度不超過其安全限值。2014年9月，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高溫氣冷堆核電站示范工程燃料元件生產(chǎn)線已完成安裝，由中核北方核燃料元件有限公司負(fù)責(zé)運(yùn)營，可每年向石島灣核電站提供約30萬個球形燃料元件。

高溫氣冷堆的核心裝備就是主氦風(fēng)機(jī)。反應(yīng)堆的堆芯和蒸汽發(fā)生器傳熱管組分別裝設(shè)在壓力容器和承壓殼內(nèi)，并由熱氣導(dǎo)管殼體相連接，構(gòu)成一回路壓力邊界，這時候就需要主氦風(fēng)機(jī)提供的氦氣進(jìn)行冷卻，使承壓殼不承受高溫。2014年8月，中國成功研制高溫氣冷堆核電站示范工程的核心裝備——主氦風(fēng)機(jī)試驗樣機(jī)。在工作中，HTR-PM的主氦風(fēng)機(jī)將氦氣加壓到70個大氣壓后作為冷卻劑，將反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的熱量帶走。目前，在國際上還沒有容量相當(dāng)、結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品，性能世界領(lǐng)先。

另外，高溫氣冷堆還具有不停堆換料，控制棒和吸收球都可依靠重力下落實現(xiàn)停堆等功能。一旦發(fā)生事故，堆芯余熱排出不需專設(shè)的能動余熱排出系統(tǒng)，余熱可以借助于導(dǎo)熱、輻射和對流等自然機(jī)理非能動地傳到反應(yīng)堆壓力容器，再由堆艙冷卻器載出，大幅提升了反應(yīng)堆的可靠性。

中國高溫氣冷堆技術(shù)研發(fā)工作始于上世紀(jì)70年代。通過實施國家863計劃，清華大學(xué)在中核集團(tuán)的支持下設(shè)計建造了10兆瓦實驗堆，2003年1月7日實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。2012年12月9日，由中核工業(yè)建承的山東石島灣高溫氣冷堆示范工程開工建設(shè)，按進(jìn)度計劃將于2017年底建成發(fā)電。

超臨界水冷堆

超臨界水冷堆是一種高溫高壓水冷反應(yīng)堆，它運(yùn)行在水的熱力學(xué)臨界點(diǎn)(374°C，22.1MPa)之上。與常規(guī)水冷堆相比，超臨界水冷堆具有核燃料利用率高、機(jī)組熱效率高、系統(tǒng)更簡化、成本也更低等特點(diǎn)。

中國是貧鈾國，要持續(xù)發(fā)展核電，必須選用燃料利用率高的堆型。而超臨界水冷堆突出特點(diǎn)是堆芯冷卻劑平均密度較低，冷卻劑慢化能力低，容易實現(xiàn)超熱中子譜或者快中子譜堆芯設(shè)計，獲得較高的燃料利用率。

熱效率越高意味著越多的熱能可以轉(zhuǎn)換為電能，超臨界水冷堆核電機(jī)組與常規(guī)亞臨界輕水堆機(jī)組相比，熱效率明顯提高，可達(dá)到45%。

更簡單的系統(tǒng)意味著更低的建設(shè)成本。由于采用簡單的直接循環(huán)系統(tǒng)，使得核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)布置緊湊，從而使反應(yīng)堆廠房小型化，使機(jī)組在經(jīng)濟(jì)性方面具有比較優(yōu)勢，超臨界水冷堆核電機(jī)組的造價比高溫氣冷堆和壓水堆分別便宜70%和44%。

此外，超臨界水冷堆還具有技術(shù)繼承性好的優(yōu)點(diǎn)——可充分采用現(xiàn)有壓水堆的技術(shù)基礎(chǔ)；可以充分利用壓水堆核電站設(shè)計、研發(fā)條件以及制造、建造、運(yùn)行、維護(hù)和管理的經(jīng)驗；能充分借鑒超臨界火電汽輪機(jī)的技術(shù)。

目前，中國已經(jīng)具備發(fā)展超臨界水冷堆反應(yīng)堆的技術(shù)基礎(chǔ)。2014年，中國超臨界水冷堆技術(shù)研發(fā)第一階段(基礎(chǔ)技術(shù)研究)研發(fā)目標(biāo)已經(jīng)完成，提出了超臨界水冷堆總體技術(shù)路線。按照路線圖，除已完成的第一階段外，超臨界水冷堆技術(shù)路線圖中還有四個階段的發(fā)展：2014年—2017年實施技術(shù)研發(fā)第二階段；2017年—2021年進(jìn)行工程技術(shù)研發(fā)；2019年—2023年進(jìn)行工程實驗堆設(shè)計建造；2022年—2025年進(jìn)行百萬千瓦級超臨界水冷堆標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究。

就中國正在研發(fā)、建設(shè)的高溫氣冷堆、鈉冷快堆、超臨界水冷堆而言，超臨界水冷堆具有最好的性價比，而且能繼承現(xiàn)有的壓水堆和超臨界火電汽輪機(jī)的技術(shù)；鈉冷快堆的冷卻效果好，能量轉(zhuǎn)換率較高，世界各國大多看好鈉冷快堆；高溫氣冷堆能夠提供其它堆型所無法提供的熱源，這使得該技術(shù)不僅可立足于核電的行列，而且還能夠拓寬其應(yīng)用市場，為核能制氫、冶金、化工等領(lǐng)域提供大量的高溫工藝熱。目前，三種反應(yīng)堆還在研發(fā)和建設(shè)過程中，斷言哪一種反應(yīng)堆最有前途還為時尚早

中國非常規(guī)油氣產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟與中國能源網(wǎng)研究中心將于2015年12月10日在北京舉辦“2015非常規(guī)油氣合作伙伴峰會暨非常規(guī)油氣產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟年會”，詳情請點(diǎn)擊
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