第三代核電技術(shù)——AP1000與EPR
AP1000
西屋公司在已開發(fā)的非能動(dòng)先進(jìn)壓水堆AP600的基礎(chǔ)上開發(fā)了AP1000。2002年3月，核管會(huì)已經(jīng)完成AP1000設(shè)計(jì)的預(yù)認(rèn)證審查，AP600有關(guān)的試驗(yàn)和分析程序可以用于AP1000設(shè)計(jì)。2004年12月獲得了美國核管會(huì)授予的最終設(shè)計(jì)批準(zhǔn)[5]。
AP1000為單堆布置兩環(huán)路機(jī)組，電功率1250MWe，設(shè)計(jì)壽命60年，主要安全系統(tǒng)采用非能動(dòng)設(shè)計(jì)，布置在安全殼內(nèi)，安全殼為雙層結(jié)構(gòu)，外層為預(yù)應(yīng)力混凝土，內(nèi)層為鋼板結(jié)構(gòu)。AP1000主要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括：
1．主回路系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計(jì)采用成熟電站設(shè)計(jì)[6]
AP1000堆芯采用西屋的加長型堆芯設(shè)計(jì)，這種堆芯設(shè)計(jì)已在比利時(shí)的Doel 4號(hào)機(jī)組、Tihange3號(hào)機(jī)組等得到應(yīng)用；燃料組件采用可靠性高的Performance+；采用增大的蒸汽發(fā)生器（D125型），和正在運(yùn)行的西屋大型蒸汽發(fā)生器相似；穩(wěn)壓器容積有所增大；主泵采用成熟的屏蔽式電動(dòng)泵；主管道簡化設(shè)計(jì)，減少焊縫和支撐；壓力容器與西屋標(biāo)準(zhǔn)的三環(huán)路壓力容器相似，取消了堆芯區(qū)的環(huán)焊縫，堆芯測量儀表布置在上封頭，可在線測量。
2．簡化的非能動(dòng)設(shè)計(jì)提高安全性和經(jīng)濟(jì)性
AP1000主要安全系統(tǒng)，如余熱排出系統(tǒng)、安注系統(tǒng)、安全殼冷卻系統(tǒng)等，均采用非能動(dòng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)簡單，不依賴交流電源，無需能動(dòng)設(shè)備即可長期保持核電站安全，非能動(dòng)式冷卻顯著提高安全殼的可靠性。安全裕度大。針對(duì)嚴(yán)重事故的設(shè)計(jì)可將損壞的堆芯保持在壓力容器內(nèi)，避免放射性釋放。
在AP1000設(shè)計(jì)中，運(yùn)用PRA分析找出設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)并加以改進(jìn)，提高安全水平。AP1000考慮內(nèi)部事件的堆芯熔化概率和放射性釋放概率分別為5.1×10-7/堆年和5.9×10-8/堆年，遠(yuǎn)小于第二代的1×10-5/堆年和1×10- 6/堆年的水平。
簡化非能動(dòng)設(shè)計(jì)大幅度減少了安全系統(tǒng)的設(shè)備和部件，與正在運(yùn)行的電站設(shè)備相比，閥門、泵、安全級(jí)管道、電纜、抗震廠房容積分別減少了約50%，35%，80%，70%和45%。同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，便于采購、運(yùn)行、維護(hù)，提高經(jīng)濟(jì)性。西屋公司以AP600的經(jīng)濟(jì)分析為基礎(chǔ)，對(duì)AP1000作的經(jīng)濟(jì)分析表明，AP1000的發(fā)電成本小于3.6美分/kWh，具備和天然氣發(fā)電競爭的能力。AP1000隔夜價(jià)低于1200美元/千瓦（包括業(yè)主費(fèi)用和廠址費(fèi)用）。
3．嚴(yán)重事故預(yù)防與緩解措施
AP1000設(shè)計(jì)中考慮了以下幾類嚴(yán)重事故：
堆芯和混凝土相互反應(yīng)；高壓熔堆；氫氣燃燒和爆炸；蒸汽爆炸；安全殼超壓；安全殼旁路。
為防止堆芯熔融物熔穿壓力容器和混凝土底板發(fā)生反應(yīng)，AP1000采用了將堆芯熔融物保持在壓力容器內(nèi)設(shè)計(jì)（IVR）。在發(fā)生堆芯熔化事故后，將水注入到壓力容器外璧和其保溫層之間，可靠地冷卻掉到壓力容器下封頭的堆芯熔融物。在AP600設(shè)計(jì)時(shí)已進(jìn)行過IVR的試驗(yàn)和分析，并通過核管會(huì)的審查。對(duì)于AP1000，這些試驗(yàn)和分析結(jié)果仍然適用，但需作一些附加試驗(yàn)。由于采用了IVR技術(shù)，可以保證壓力容器不被熔穿，從而避免了堆芯熔融物和混凝土底板發(fā)生反應(yīng)。
針對(duì)高壓熔堆事故，AP1000主回路設(shè)置了4列可控的自動(dòng)卸壓系統(tǒng)（ADS），其中3列卸壓管線通向安全殼內(nèi)換料水儲(chǔ)存箱，1列卸壓管線通向安全殼大氣。通過冗余多樣的卸壓措施，能可靠地降低一回路壓力，從而避免發(fā)生高壓熔堆事故。
針對(duì)氫氣燃燒和爆炸的危險(xiǎn)，AP1000在設(shè)計(jì)中使氫氣從反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)逸出的通道遠(yuǎn)離安全殼壁，避免氫氣火焰對(duì)安全殼璧的威脅。同時(shí)在環(huán)安全殼內(nèi)部布置冗余、多樣的氫點(diǎn)火器和非能動(dòng)自動(dòng)催化氫復(fù)合器，消除氫氣，降低氫氣燃燒和爆炸對(duì)安全殼的危險(xiǎn)。
對(duì)于蒸汽爆炸事故，由于AP1000設(shè)置冗余多樣的自動(dòng)卸壓系統(tǒng)，避免了高壓蒸汽爆炸發(fā)生。而在低壓工況下，由于IVR技術(shù)的應(yīng)用，堆芯熔融物沒有和水直接接觸，避免了低壓蒸汽爆炸發(fā)生。
對(duì)于由于喪失安全殼熱量排出引起的安全殼超壓事故，AP1000非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的兩路取水管線的排水閥在失去電源和控制時(shí)處于故障安全位置，同時(shí)設(shè)置一路管線從消防水源取水，確保冷卻的可靠性。事故后長期階段僅靠空氣冷卻就足以帶出安全殼內(nèi)的熱量，有效防止安全殼超壓。由于采用了IVR技術(shù)，不會(huì)發(fā)生堆芯熔融物和混凝土底板的反應(yīng)，避免了產(chǎn)生非凝結(jié)氣體引起的安全殼超壓事故。
針對(duì)安全殼旁路事故，AP1000通過改進(jìn)安全殼隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)、減少安全殼外LOCA發(fā)生等措施來減少事故的發(fā)生。
4．儀控系統(tǒng)和主控室設(shè)計(jì)
AP1000儀控系統(tǒng)采用成熟的數(shù)字化技術(shù)設(shè)計(jì)，通過多樣化的安全級(jí)、非安全級(jí)儀控系統(tǒng)和信息提供、操作避免發(fā)生共模失效。主控室采用布置緊湊的計(jì)算機(jī)工作站控制技術(shù)，人機(jī)接口設(shè)計(jì)充分考慮了運(yùn)行電站的經(jīng)驗(yàn)反饋。
5．建造中大量采用模塊化建造技術(shù)
AP1000在建造中大量采用模塊化建造技術(shù)。模塊建造是電站詳細(xì)設(shè)計(jì)的一部分，整個(gè)電站共分4種模塊類型，其中結(jié)構(gòu)模塊122個(gè)，管道模塊154個(gè)，機(jī)械設(shè)備模塊55個(gè)，電氣設(shè)備模塊11個(gè)。模塊化建造技術(shù)使建造活動(dòng)處于容易控制的環(huán)境中，在制作車間即可進(jìn)行檢查，經(jīng)驗(yàn)反饋和吸取教訓(xùn)更加容易，保證建造質(zhì)量。平行進(jìn)行的各個(gè)模塊建造大量減少了現(xiàn)場的人員和施工活動(dòng)。
通過與前期工程平行開展的按模塊進(jìn)行混凝土施工、設(shè)備安裝的建造方法，AP1000的建設(shè)周期大大縮短至60個(gè)月，其中從第一罐混凝土到裝料只需36個(gè)月。
EPR
1993年5月，法國和德國的核安全當(dāng)局提出在未來壓水堆設(shè)計(jì)中采用共同的安全方法，通過降低堆芯熔化和嚴(yán)重事故概率和提高安全殼能力來提高安全性，從放射性保護(hù)、廢物處理、維修改進(jìn)、減少人為失誤等方面根本改善運(yùn)行條件[7]。1998年，完成了EPR基本設(shè)計(jì)。2000年3月，法國和德國的核安全當(dāng)局的技術(shù)支持單位IPSN和GRS完成了EPR基本設(shè)計(jì)的評(píng)審工作，并于2000年11月頒發(fā)了一套適用于未來核電站設(shè)計(jì)建造的詳細(xì)技術(shù)導(dǎo)則。
圖1 EPR核電站三維圖
EPR為單堆布置四環(huán)路機(jī)組，電功率1525MWe，設(shè)計(jì)壽命60年，雙層安全殼設(shè)計(jì)，外層采用加強(qiáng)型的混凝土殼抵御外部災(zāi)害，內(nèi)層為預(yù)應(yīng)力混凝土。EPR主要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括：
1．安全性高
EPR通過主要安全系統(tǒng)4列布置，分別位于安全廠房4個(gè)隔開的區(qū)域，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，擴(kuò)大主回路設(shè)備儲(chǔ)水能力，改進(jìn)人機(jī)接口，系統(tǒng)地考慮停堆工況，來提高縱深防御的設(shè)計(jì)安全水平。EPR滿足法德兩國核安全當(dāng)局提出的“加強(qiáng)防范可能損壞堆芯的事件，緩解堆芯熔化的放射性影響”兩方面的要求，具有更高的安全性。
（1） 安全殼具有非常高的密封性
EPR的密封水平是國際上唯一的，反應(yīng)堆廠房非常牢固，混凝土底座厚達(dá)6米，安全殼為雙層，內(nèi)殼為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，外殼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度都是1.3米。2.6米厚的安全殼可抵御墜機(jī)等外部侵襲。
即使發(fā)生概率極低的熔堆事故，壓力殼被熔穿，熔化的堆芯逸出壓力殼，熔融物仍封隔在專門的區(qū)域內(nèi)冷卻。這一專門區(qū)域的內(nèi)壁使用了耐特高溫保護(hù)材料，能夠保證混凝底板的密封性能。EPR的熔堆事故影響嚴(yán)格限制在反應(yīng)堆安全殼內(nèi)，核電站周邊的居民、土壤和含水層都受到保護(hù)。
（2） 降低運(yùn)行和檢修人員的輻照劑量
EPR運(yùn)行和檢修人員的輻射防護(hù)工作將進(jìn)一步加強(qiáng)：集體劑量目標(biāo)確定為0.4人希弗特/堆年，與目前經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織國家核電站的平均劑量（1人希弗特/堆年）相比，將降低一倍以上。
目前法國核電站檢修人員的人希弗特集體劑量水平約合人均劑量5毫希弗特/年（5mSv）。換言之，法國核電站工作人員的平均劑量等同于法國天然放射性當(dāng)量。
EPR考慮內(nèi)部事件的堆芯熔化概率6.3×10-7/堆年，在電站壽期內(nèi)可用率平均達(dá)到90%，正常停堆換料和檢修時(shí)間16天，運(yùn)行維護(hù)成本比現(xiàn)在運(yùn)行的電站低10%，經(jīng)濟(jì)性高。建造EPR的投資費(fèi)用低于1300歐元/千瓦，發(fā)電成本低于3歐分/kWh。
2．經(jīng)濟(jì)性高
EPR的發(fā)電成本很低，比N4系列反應(yīng)堆低10%[8]。主要優(yōu)化措施是：
（1） EPR的功率（約1600兆瓦）比近期建設(shè)的反應(yīng)堆功率（約1450兆瓦）更高。
（2） 建設(shè)周期更短：從建造至商業(yè)運(yùn)行計(jì)劃用57個(gè)月。
（3） 能量效益提高到36%，這是輕水反應(yīng)堆最好的指標(biāo)。
（4） EPR技術(shù)壽期將達(dá)到60年。
（5） 提高燃料的利用率。在發(fā)電量相同的條件下，EPR將減少使用15%的鈾，廢物產(chǎn)量因此降低。同樣，也降低了核燃料循環(huán)（從鈾濃縮到后處理等各個(gè)環(huán)節(jié)）的費(fèi)用。
（6） EPR降低了運(yùn)行費(fèi)：由于提高了人機(jī)接口的質(zhì)量和主控室的功效，操作簡化，通過運(yùn)行支持系統(tǒng)，提升自動(dòng)化水平；設(shè)備布局更合理，便于進(jìn)入工作區(qū)，簡化了檢修，縮短了工期；可進(jìn)行不停運(yùn)的標(biāo)準(zhǔn)化保養(yǎng)維修；停堆換料期減至16天；反應(yīng)堆壽期內(nèi)可利用率可達(dá)到91%，法國在役反應(yīng)堆的平均使用率為82%。
（7） EPR的發(fā)電成本將降至30歐元/MWh[9]，比主要競爭對(duì)手-天然氣低20%。發(fā)電成本包括各種外部費(fèi)用：研發(fā)費(fèi)、乏燃料后處理費(fèi)、廢物處置費(fèi)、設(shè)施退役費(fèi)。與之相比，化石能源發(fā)電成本不含外部費(fèi)用。
3．儀控系統(tǒng)和主控室設(shè)計(jì)
EPR的儀控系統(tǒng)和主控室采用成熟的設(shè)計(jì)，充分吸取已運(yùn)行電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)、人機(jī)接口等經(jīng)驗(yàn)反饋，吸取先進(jìn)技術(shù)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。儀控采用4列布置，分別位于安全廠房的不同區(qū)域，避免發(fā)生共模失效。主控室與N4機(jī)組的高度計(jì)算機(jī)化控制室相同，專門設(shè)有用于維護(hù)和診斷工作的人機(jī)接口。
雖然核電被認(rèn)為是是代替火電廠、減少溫室氣體以及減少廢氣污染的最有效手段。但目前全世界很多國家都有團(tuán)體和專家反對(duì)建核電站，主要是對(duì)核電安全問題的擔(dān)憂。實(shí)際上筆者認(rèn)為成本問題才是核電發(fā)展會(huì)遇到的最大困難。
1．安全問題
一直以來，民眾對(duì)于核輻射的恐懼心理是影響核電發(fā)展的最大障礙。1945年扔在日本廣島和長崎上空的原子彈已經(jīng)成為了人們心中揮之不去的陰霾，上世紀(jì)七十年代的石油危機(jī)迫使很多國家開始大量興建美國三里島核電站和蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站核泄漏又使人們對(duì)核電站多了一層真實(shí)的恐懼。實(shí)際上，就像飛機(jī)一樣，由于人們的擔(dān)憂加上研發(fā)人員不懈的努力，現(xiàn)在的核電站安全性已遠(yuǎn)高于其他類型的電站，一般核電站都有3-4層防護(hù)層，并且有嚴(yán)格規(guī)章，出現(xiàn)核泄漏的幾率微乎其微，即使出現(xiàn)泄漏，3層防護(hù)也會(huì)將其鎖定在核島內(nèi)，就連核電廠工作人員都受不到危害。
過去發(fā)生的較大的核事故有1979年3月28日發(fā)生的美國三里島核電廠事故和1986年4月26日發(fā)生的蘇聯(lián)切爾諾貝核電站事故。美國三里島事故－－反應(yīng)堆的堆芯部分熔化，是迄今壓水堆核電廠發(fā)生的最嚴(yán)重的事故。然而，事故對(duì)環(huán)境和居民沒有造成任何危害，也沒有造成工作人員傷亡，事實(shí)證明壓水堆核電廠的各項(xiàng)安全措施是有效的和可靠的。蘇聯(lián)的切爾諾貝利事故是迄今世界核電史上最嚴(yán)重的一次事故－－堆芯燒毀，石墨砌體燃燒，由于化學(xué)爆炸造成大量放射性物質(zhì)外泄，32名工作人員（包括搶救人員）死亡。這座反應(yīng)堆是與壓水堆結(jié)構(gòu)完全不同的石墨水堆。核電站周圍30公里范圍內(nèi)的13.5萬人撤離。事故使鄰近蘇聯(lián)的芬蘭、瑞典、波蘭等國空氣的輻射水平比天然本底增高了4－10倍，但是這只相當(dāng)于限值的百分之幾。離該電站最近的大城市基輔，水源未被污染，居民生活正常[10]。
因此，我們可以相信核電站是絕對(duì)安全可靠的。
2．成本問題
雖然核電站是非常經(jīng)濟(jì)安全的一種發(fā)電形式，但是人們?yōu)榱舜_保核電安全，無論是選址還是建設(shè)、設(shè)計(jì)、安裝、使用都有嚴(yán)格、復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)。因此核電站的初期投入非常大，這也成為很多發(fā)展中國家不敢建核電站的原因。另外，核電站的選址，除了必須符合環(huán)保要求外，必須是地震烈度低和地殼穩(wěn)固的“安全島”。比如我國的核電選址通常在核電建設(shè)開工前5年就開始調(diào)查，要經(jīng)過反復(fù)論證，層層審批才能進(jìn)入核電站址的候選名單，如果正式選址，還有在經(jīng)過一系列的篩選。地球的地殼運(yùn)動(dòng)無處不在，我國有處于兩大地震帶的中心，可以選擇的核電廠址非常有限，在核電發(fā)展到一定階段后，無址可選會(huì)成為核電建設(shè)不能忽略的隱性成本。
核電之所以經(jīng)濟(jì)，是因?yàn)楹肆炎兡芰看?，但是目前的核裂變的燃料?235不像煤炭、石油那么豐富，在未來的核電發(fā)展中，核電站越來越多，鈾資源越來越少，那么鈾價(jià)上漲也會(huì)直接影響到核電運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。最近中國廣東核電集團(tuán)參股法國阿?，m集團(tuán)簽署鈾資源協(xié)議，阿?，m下屬鈾礦石公司每年將其35%的核燃料供應(yīng)給中國的核電站（合同期約12年）。但是真到了鈾資源緊張的時(shí)候，這些進(jìn)口的鈾供應(yīng)是否有保證，運(yùn)輸過程是否安全保障這些都是潛在的問題。而且，生產(chǎn)出來的核廢料處理也存在爭議，在國內(nèi)銷毀耗資巨大，運(yùn)到國外又可能產(chǎn)生很多的糾紛。
