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您的位置:中国核电信息网 >  > 英法选择核电技术路线的经验教训对我国的启示
 

1 引言

      自上世纪中叶起,西方发达国家和前苏联相继开始致力于和平利用核能发电。首要任务就是根据本国的科技发展水平、 工业生产能力、人力资源与国民经济实力等因素,确定核电发展的技术路线,亦即选择最合适的反应堆堆型。美、苏在其各自的军用钚生产堆和核潜艇技术基础上开 发出沸水堆、石墨沸水堆和压水堆核电技术。1957年12月,美国建成希平港压水堆核电厂,又于1960年7月建成德累斯顿沸水堆核电厂,为轻水堆核电的 发展开辟了道路。美国政府还资助了各种有可能用于发电的堆型的研发试验。最终还是压水堆和沸水堆的实用优势明显,成了美国核电发展的主线。前苏联于 1954年建成奥布宁斯克(APS-1)压力管式石墨水冷堆核电厂后,又于1964年建成新沃罗涅日压水堆核电厂。石墨沸水堆和压水堆两种堆型成为前苏联 核电发展的主力堆型。由于出现过切尔诺贝利核事故,今后石墨沸水堆也将退出历史舞台。认识到发展核电是其摆脱对中东石油过分依赖的出路,英、法等国也开始 制定自己的核电发展技术路线。两国在几乎相同的技术基础上同时起步,却在不同的技术路线的指引下经历了不同的发展历程,从而产生了迥然不同的结果。这中间 的经验教训,值得其它发展核电的国家认真吸取。

2 同步开发石墨气冷堆,进入核电发展起步阶段

      由于当时英法两国尚不能生产富集铀,而又不接受美国的控制,故而两国决 定,在已掌握的军用钚生产堆的基础上,选择采用石墨气冷堆堆型的核电发展技术路线。该种堆型采用金属天然铀作为燃料、石墨作中子慢化剂和和结构材料、二氧 化碳冷却剂。因为利用一种称为镁诺克斯(Magnox)的镁合金作燃料棒包壳,故这种堆型又常被称为镁诺克斯气冷反应堆 (MGR)。

      MGR 堆的工作原理是:堆芯大致呈圆柱状,由很多正六角形棱柱的石墨块堆砌而成。在石墨砌体中有许多装有燃料元件棒的孔道。以便使加压的二氧化碳流过,将热量带 出。从堆芯出来的热气流,在蒸汽发生器中将热量传给二次侧的水,使之受热成为蒸汽进入汽轮机,带动发电机组发电。放热后的冷却气体借助循环风机返回堆芯, 完成一回路循环。这种堆的主要优点是用天然铀作燃料、可以在较低的压力下获得较高的反应堆出口温度(但由于镁合金包壳不能承受高温,二氧化碳的出口温度仍 受到限制)。此外,它可以在功率运行状态连续换料,提高电厂可用率。

      这种堆的缺点是功率密度小、体积大、难以将对功率做大;装料多、造价高,燃耗低使得天然铀消耗量大。由于这种核电厂运行参数较低,建设投资大,发电成本高,在上世纪60年代末已停止建造,除英国还有4台MGR运行外,其余的均已停止运行。

      英国于1956年10月建成首台产钚发电两用、电功率45 MWe的卡德霍尔(Calder Hall)原型机组后,10年间陆续批量建造、运行了26台该种机组,机组功率也得到明显提升。在1969年以前,英国是世界上核电装机总量最大的国家。

      上世纪50年代后期,英国和工业界开始在MGR堆的基础上开发新的第二代气冷堆,称为改进型气冷堆(AGR)。与第一代MGR相比,AGR的主要改进体现在下列几个方面:

      (1) 堆芯核设计改进:燃料组件改为细棒束结构,燃料采用2.5%-3.3%的低富集UO2芯块。这些改进使得堆芯直径约缩小25%,平均功率密度提高到 1.76 kW/l,燃料的比功率也大于10 kW/kg天然铀,平均燃耗由5000 MWD/TU提高到18000 MWD/tU。

      (2) 由于燃料包壳采用不锈钢代替镁合金,堆出口温度可提高到670℃左右,因此蒸汽发生器的蒸汽参数较高,可以直接配置标准参数的汽轮机。反应堆的热效率也从33.6%提高到41.8%。

      (3)该型反应堆均采用预应力混凝土压力容器,而成为将一回路各种设备均包含在内的一体化设施。

      1963年在英国温茨凯尔(Windscale)建造了电功率为28MW的原型堆。英国从1965年开始成批建造大型的改进型气冷堆。

      法国早期发展核电的路线大体上同英国类似,采用石墨气冷堆。所不同的是,当英国进行批量化建设时,法国注意了每建一座都有所改进,因此在技术上比英国进步 快。法国在1959年4月建成首台39MWe的原型堆机组G=2,1962年建成单一发电的 60 MWe希农(Chinon-A1)天然铀石墨气冷堆。这以后每建一台新机组均有技术上的进步。直到1972年建成最后第8台布热(Bugey-1)1号机 组是机组功率已达到540 MWe。

3 国内外形势变化,英法核电技术路线分道扬镳的结果

      上世纪60年代前后,各工业发达国家的经济处于上升时期,电力需求 以十年翻一番的速度迅速增长。石油在发达国家一次能源消费量中所占份额从30%猛增到60%左右。各国出于对化石燃料资源供应的担心,都将出路寄托于核 电。美国轻水堆核电的经济性得到验证之后,首先在美国国内掀起核电厂建设的第一个高潮, 1967年核电机组订货达到2560万千瓦。从1969年开始,美国核电总装机容量超过英国,居世界第一位,1973年美国核电总装机容量已占世界核电总 装量的2/3。大批国内订货给美国核电厂供应商带来扩大生产能力和改进技术、降低成本的良机。西屋电气公司和通用电气(GE)公司趁机大规模向西欧和亚洲 出口轻水堆技术与设备。轻水堆的经济性已远超过天然铀石墨堆,同时美国政府承诺向订货国家供应富集铀,使轻水堆成为世界核电建设最有吸引力的主导堆型。 1973年世界第一次石油危机爆发,为试图摆脱对中东石油依赖的西欧各国提供了一个重新选择核电技术路线的契机。在此核电发展的十字路口,英法两国政府作 出了影响十分深远的不同决策。

      法国消费的石油全靠进口。随着经济的发展,法国对国外石油的依赖愈来愈大,例如,1955年石油 占能源总需求的份额为26%,到1973年已达到69%。因此,这一年爆发的世界第一次石油危机对法国经济造成巨大冲击。法国将发展核电视为保证国家能源 安全的重大战略决策。石墨气冷堆难以同美国轻水堆竞争的问题刚一露头,法国政府就十分关注,组织专家论证。由总统最后拍板定案:鉴于美国轻水堆技术经济性 远好于天然铀石墨气冷堆,今后法国核电发展的技术路线由石墨气冷堆转变为发展压水堆;从美国引进技术,消化吸收再创新;核电实施标准化、系列化、批量化建 设方针;建立自己的压水堆成套设备制造工业体系。法马通公司就是这期间由法国同美国西屋公司合资成立的。和法国同样改变了本国石墨气冷堆核电发展技术路 线,转而采用美国轻水堆的国家,还有联邦德国、瑞典、日本等国。与此同时,法国联合意大利、比利时、西班牙等国兴建了欧洲扩散厂(Eurodif),英 国、德国和荷兰合资的铀富集公司(Urenco)兴建了离心机工厂,从而结束了美国三十多年来对富集铀的垄断。

      1974年法国 制订了一个庞大的核电发展规划,在10年间建造34座三环路900 MWe机组(完工26台)及18台1300 MWe四环路P4、P4’级机组,在较短期间实现了核电取代石油的目标。1973年核电占能源总量的1.8%,石油占69%。到1990年,核电已占 32.4%,石油降到42.5%。从1984年开始,法国开建了4台1500MWe级N4机组。1999年,法国共投运58台压水堆机组,核发电量占全国 总发电量的78%左右,并且一直保持在这样的水平。

      法国在核电标准化、系列化方面取得了巨大成功。上世纪70年代初,法国从美 国引进了西屋公司的900MWe级压水堆核电技术。从基本照搬美国已经开工建设的核电厂图纸建设的两台CP0系列机组,到逐步进行技术改进的10多台 CP1、CP2系列机组。通过CP1和CP2系列核电厂的建设,法国在吸取美国标准经验的基础上,根据本国工业体系的具体情况,实现了核电标准的自主化, 制定出RCC系列标准。 随后法国又在批量建设P4、P4’和N4机组的过程中不断加以补充、完善。。

      1986年,法国争取到 向中国大亚湾核电厂出口两台百万千瓦级商用CPY机组的合同。这种机组的重要技术改进,体现在设计中增加了法国核工业界吸取美国三哩岛事故教训而采用的一 系列旨在提高电厂事故处理安全性的改造措施,包括H规程和U规程的使用,以及供1300MWe系列机组使用的硬件产品。

      受1979年第二次石油危机的影响,特别是三哩岛和切尔诺贝利两起严重事故的相继发生,使得世界核电发展跌至谷底。为了促进世纪核电的复苏,西方核电界致力 于推出先进的核电新机型。1990年,美国电力研究院(EPRI)根据轻水堆30多年的运行经验教训,制定并首次公布了一套使供货商、投资方、业主、核安 全管理当局和公众各方面都能接受的电力公司要求文件(URD),作为开发未来的先进轻水堆的明确、完整的技术准则。随后法、德等国推动制订出欧洲电力公司 要求文件(EUR)。

      人们将满足URD或EUR等要求设计建造的核电厂称为先进核电厂,习惯上又称之为第三代核电厂。三代核电 技术与以前大批建设的二代商用核电技术的最显著区别在于,三代核电技术具有较完备的预防和缓解严重事故后果的安全措施。现在已经用于首堆工程建设的西方三 代压水堆机型是西屋公司研发的AP1000机型和法、徳两国合作自主研发的欧洲压水堆(EPR)。EPR刚研发成功,法国就积极开拓包括美国在内的海外市 场,目前正在芬兰、法国和我国的台山核电厂建造4台EPR机组。AP1000则在我国三门和海阳核电厂建造世界第一批4台首堆机组。正在建设中的三代压水 堆机型还有俄罗斯的AES2006、韩国的APR1400。处于研发阶段的机型就更多了。

      现在再来看看英国这个昔日的核电强国 的情况。英国是气冷堆技术的开山鼻祖,当时刚刚开发成功的改进型气冷堆机组正在批量建造之中,英国还期望能用这种技术开拓国际核电市场。竞争未见分晓,英 国当然不愿意轻言放弃石墨气冷堆技术路线。影响英国核电技术路线的另一个重要因素则是:正在此时,英国在北海发现了大型油田,能源短缺问题得到缓解,对核 电的需求不那么迫切。这使得英国主管核能开发的国家原子能局(UKAEA)和经营核电厂的国家电力局未能及早下决心放弃石墨气冷堆的技术路线。但由于 AGR的单堆功率难以继续提高、建造投资大、发电成本高,无法与轻水堆竞争。上世纪70年代已停止建造新的机组,现有的14台AGR机组全建在英国,国际 市场根本无法敲开大门。直到上世纪80年代后期,英国才决定引进美国西屋技术,建造Sizewell-B压水堆机组,已比法国晚了20年。随着欧洲电力市 场的放开,英国电力工业迅速衰败,其最大的电力公司BE被法国电力公司EdF兼并。英国电力市场被法、德的三家电力公司瓜分,进口的电量不断增加。目前, 英国核电占全国总发电量的18%左右,远低于法国。英国已关闭核电反应堆26台,现有投运核电机组19台中的18台气冷堆机组在不远的将来也将完成历史使 命而退役,英国成了世界发达国家中最需要发展核电的国家。本世纪初,英国政府为改变电力依靠进口的局面和减排二氧化碳的需要,决定重振核电产业,提出到 2025年建成2500万千瓦核电的宏大目标。但是英国并没有自己的技术储备

      由于英国电力市场和批准的8个核电建造厂址,已被 3家外国公司瓜分,为保护国家利益和核安全,英国政府必须掌握和控制核电建设的主导权。而要真正做到这一点,只有紧紧抓住核电机型的设计审查和建造许可证 的颁发这个关键环节。2005年英国邀请法国AREVA公司、美国西屋公司和GE-H公司,以及加拿大AECL公司,分别提供他们的EPR、 AP1000、增强型简化沸水堆(ESBWR)和先进坎杜堆(ACR1000)的设计资料,由英国政府组织审评,通过后颁发设计认证证书,并允许在英国建 设。GE-H和AECL均因忙于国内的设计审查而主动放弃,只收到EPR和AP1000两种机型的相应资料。英国政府责成英国健康安全局(HSE)牵头负 责,具体评审事务委托咨询公司通用设计评估机构(GDA)承担。评审分为4个阶段,期间多次公布审查进展信息,计划于2011年6月完成。

      据世界核新闻网(WNN) 6月29日消息,英国核安全监督机构于2011年6月27日正式通告西屋公司,AP1000已从安全审查中撤销,原因是AP1000存在安全保护壳的安全 等问题。西屋公司网站报道,西屋公司的英国、中东、埃及地区总经理马克泰南(Mike Tynan)一方面坚持说,安全保护壳结构坚固,足以抵御任何可信事故,另一方面也承认,在安全方面仍有大量工作要做。如果此消息确实,英国今后的核电将 引进采用法国的EPR。昔日的同门弟兄,现在将结成师生情谊。

4 对我国核电发展的启示

      五十年过去,弹指一挥间。英、法两国在几乎相同的技术基础上同时起步,却在不同的技术路线的指引下经历了不同的发展历程,从而产生了迥然不同的结果。人们认真研究分析整个过程,不难得出一些十分重要的启示。

      (1) 正确选择本国的核电发展技术路线至关重要

      事实证明,一个国家核电技术路线的选择对该国核电发展的影响极其深远,必须慎重从事。选择核电技术路线时需要根据自身的工业基础、科研与教育、国民经济实力、堆型的技术先进性与经济竞争性,以及国际合作等方面的具体国情慎重决定。

      我 国大陆核电起步阶段,曾有过重水堆、压水堆之争,甚至还有倡导熔盐堆路线的。1983年初,根据国务院安排召开的北京回龙观会议上,上百位与会专家认真讨 论、分析了重水堆和压水堆技术的利弊。会议得出结论,且会后得到国家认可,确定我国核电发展走压水堆技术路线。会议还决定引进国外百万千瓦级商用压水堆核 电厂先进技术,强调逐步实现引进技术的国产化,以大力发展核电。上世纪80年代中后期,秦山一期核电工程、国内与香港合资建设的大亚湾核电厂相继正式开工 建设。虽然其后核电发展的路程曲折而艰难,但是各届政府始终坚持了压水堆技术路线未动摇。对此历史事实,2007年正式颁布的的我国第一部《核电发展中长 期规划(205-2020)》给予了正面肯定。所以,认为我国核电技术路线不统一,要靠第三代核电技术招标引进的AP1000机型来统一的论调是一个不符 合事实的伪命题。

      (2) 统一堆型下的多机型是历史和现实技术进步的必然

      一些人指责我国核电技术路线不统一的主要论据是,我国核电起步阶段建造的核电机组型号“五花八门”。这种论调确实还搅乱了包括一些领导在内的许多人的思想。问题的关键是这种观点有意或无意地混淆了“堆型”和“机型”两个不同的概念。

      无论是开创核电不同堆型的美、苏、英、加拿大,还是引进技术的西方各国,在各种堆型长达几十年的发展过程中均随着技术的进步,陆续研发、兴建了众多型号的机 组。上文介绍的法国,出于利用核电解决本国能源短缺问题的紧迫需要,大力自主研发,在机型设计和设备制造等方面取得了“青出于蓝而胜于蓝”的骄人业绩。法 国从照搬美国西屋公司已开工建造的压水堆技术建造本国核电机组起步,到用自主创新开发的三代机型开拓国际市场,就推出过CP0、CP1、CP2、 CPY(即M310)、p4、P4’、N4,乃至于三代EPR等众多的机型。没有人会因法国投运58台各种型号的压水堆机组,而怀疑其核电技术路线的统一 性。由此得出的结论是:判断一个国家核电技术路线的依据是堆型,而不是由于技术不断进步二出现的具体机型。任何一种具体机型都不可能是技术发展的终结,因 而用某种机型来实现核电技术路线的统一是完全不现实的。

      (3)顺应局面并因势利导多种三代机型同时在我国核电市场上供用户选择的局面

      前文已指出,每、法、俄等核工业界已经推出多种三代核电机型。我国对三代核电技术招标结束后,三种外国压水堆机型已获批在中国开建。

      我 国在以自主设计、建造、运行管理的秦山一期核电机组CP300起步的同时,引进了大亚湾大型商用核电。在此基础上,我们自主设计、建造、运行了60万千瓦 的秦山二期核电机组CP600。通过对法国M310和引进的俄罗斯的VVER-91核电技术消化吸收基础上,中核集团科技人员自主研发,完成了 CP1000机组设计。这些成就很好地体现了我国在“以我为主,中外合作”方针指引下,沿着压水堆技术路线,在核电自主设计、自主建造、自主建设、自主营 运方面的巨大进步。中核集团孙勤总经理已向媒体透露,中核集团将致力于中国三代核电ACP系列产品的开发研究。

       通过三代核电技术招标及AP1000的技术转让,三代技术的神秘面纱已经被揭开。更完备的三代核电预防和缓解严重事故后果的安全措施的原理与设计技术已为 中国核科技人员普遍了解、掌握,并有所突破创新。国核技正在开展CAP1400的研发。日本福岛核事故发生后,中国核科技人员正认真研究福岛事故的教训并 借鉴AP1000等技术,优化我国自主创新研发的三代机型设计。可以预见,在不久的将来,我国核电市场将会出现多种三代机型相互竞争、相互促进的生动活泼 的局面。有自主知识产权的中国三代核电技术走出国门、参与世界核电市场竞争也应是指日可待的事。我们期待并深信,政府核安全监管和能源主管等有关部门会顺 应这种大好形势,积极支持,因势利导,扶一把,送一程,让我国核电产业为我国国民经济的发展做出更大贡献。

 
 
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