我國發展先進小型輕水反應堆的一些思考

陳培培，周 赟

（1.國家核電技術公司，北京 100029；2.貝爾弗科學與國際事務研究中心，肯尼迪政府學院，哈佛大學 02138 美國）

我國發展先進小型輕水反應堆的一些思考

陳培培1,2，周 赟1,2

（1.國家核電技術公司，北京 100029；2.貝爾弗科學與國際事務研究中心，肯尼迪政府學院，哈佛大學 02138 美國）

文章介紹了先進小型輕水堆發展歷史和基本特點；提出了在我國開展先進小型輕水反應堆研究和應用的建議和策略。先進小型壓水堆主要面對非主干網電力系統，可以比較經濟和高效地替代中小型火電機組，因此可以作為節能減排的重要補充手段。先進小型輕水反應堆在安全性和經濟性上的特點擴大了核能在新興工業國家和發展中國家的市場，可以成為我國核電設備出口的重要組成部分。

小型堆；先進反應堆；輕水反應堆

先進小型輕水堆是20世紀80年代提出的，自90年代以來發展起來的一種先進反應堆。它是針對核電廠安全性、經濟性和靈活性全面優化的結果。先進小型輕水堆采用更徹底的非能動技術，在應對由極端自然災害和恐怖主義襲擊等造成的全廠斷電事故等方面有很大的優勢。以先進小型輕水堆為基礎的核電廠在非骨干網電力系統、中小型火電機組替代和人口密集地區發展核能具有明顯的優勢。先進小型輕水堆出色的經濟性和靈活性對現有電力供應分布和優化提供了新的解決方案。除此之外，先進小型輕水堆在新型工業國家和發展中國家具有很大的市場。

1 當前西方國家核電的發展現狀

進入21世紀以來，由于新興工業國家對電力要求的增長和部分在運行核電站的壽期臨近，以歐洲和美國為主的西方核能大國啟動了新一輪商用核電技術的應用和研發計劃。其主要特征是開始建造第三代商用輕水堆和積極開展第四代核能技術研究計劃。AREVA于2005年和2007年開始在芬蘭和法國本土建造歐洲先進壓水堆（EPR）；2007年，美國西屋公司獲得在中國建造4座AP1000核電站的合同，并計劃于2012年前后在美國開始建造該型號核電站；據統計，到2006年底，美國有超過18個電力公司（集團）有意向（或計劃）在2020年前投資建造30多個第三代商用反應堆；最雄心勃勃的計劃莫過于美國能源部在2002年提出的第四代反應堆研究計劃，該項目有多達12個國家和地區參與，預計將在現有商用輕水反應堆大規模退役前（2030年左右），完成第四代反應堆技術的研發和安全評審。

正當幾個主要核能大國在技術研發、電站建造等各個方面齊頭并進的時候，2008年開始的全球金融危機和隨之引發的經濟危機給核能產業的復蘇帶來了烏云。金融危機后的兩年中，大部分西方國家和部分新興工業國家的經濟進入了衰退時期。由于連續地刺激經濟計劃所造成的巨額公共開支，許多政府在未來幾年將面臨嚴峻的預算緊張和公共支出減少的困境。而且，由于經濟衰退和工業生產的下滑，對能源的需求也隨之下降，許多地方甚至出現了電力供應能力過剩的情況，對增加供電能力的需求開始下降。另外，金融危機后，大部分商業銀行普遍提高了控制貸款風險的標準，大型工程項目的融資成本也隨之大幅上升。

AREVA在芬蘭和法國本土的EPR項目，由于復雜的設計，苛刻的施工條件以及多變的安全審核標準，導致施工進展嚴重滯后，到2010年底已超出預算50億美元[1]。2010年10月，由于美國Constellation Energy擔心節節攀高的成本負擔和不確定的安全評審過程，單方面宣布退出與法國電力公司（EDF）的合作，無限期推遲在美國建造2座EPR反應堆的計劃。有人甚至估計，到2020年以前，美國將只能完成2座AP1000反應堆的建造計劃。第三代反應堆在歐美國家的推進正面臨著空前的困境。

第四代反應堆研究計劃理論上還在進行，但考慮到美國核管會（US NRC）的審核跨度和周期，現在仍未向美國核管會提交審核申請的第四代反應堆設計，已基本不可能在2020年以前獲得批準。因此，第四代反應堆計劃的規模已經由原來的6種設計縮減為球床氣冷堆、鈉冷快堆和熔鹽快堆3種堆型。實際上，在2009年以后，美國核管會在第四代反應堆的研究經費中只保留了氣冷堆和鈉冷快堆這2種設計，其他4種堆型已經被放棄。除此之外，現有球床氣堆和鈉冷快堆的審核申請并不來自于任何美國公司，而是來自南非和日本[2]。可以這么說，美國核工業界已經全面修改了8年前提出的第四代反應堆研究計劃框架。

2 先進小型反應堆的興起

核電站輸出功率的優化問題在20世紀90年代發展下一代反應堆技術時就已經成為西方核工業界的主要爭論話題。以法國（EPR）和日本（APWR、ABWR）為代表的一方，推行大型化設計，通過提高輸出功率來獲取更大的規模效益，在電站安全性上以增加系統冗余度作為主要方法。這種設計的輸出功率大（大于160萬kW），但初期投資高，建造周期長，項目風險大；以美國為代表的另一方（AP600、AP1000），更重視核電站的經濟性和靈活性，提出了以非能動為核心的安全設計原則，通過系統簡化來滿足經濟性和安全性的優化。

2010年3月23日，美國能源部長朱棣文在《華爾街日報》上發表專文，提出美國政府將在未來的10年重點開發小型化模塊化核反應堆技術。朱棣文的專文和其后的小型反應堆發展會議，標志著美國在新一代核反應堆的研發上，擺脫了想“魚和熊掌”兼得，追求多堆型，高指標的發展方針。全面轉向基于成熟技術的小型化模塊化設計，搞“小，快，靈”，集中精力，在短時間內完成1～2種成熟堆型，快速進入系統設計，安全評估和工程建造。與8年前提出的，帶有預研性質的6種第四代反應堆研究計劃不同，這次先進商用小型輕水堆項目有嚴格的時間規定，并明確把2016年通過NRC安全審核作為關鍵目標。很明顯，這些指標都是為了在2017年左右開始建造示范堆，2020年左右大規模推廣小型輕水堆鋪平道路。

3 先進小型輕水堆的特點和優勢

跟第三代輕水反應堆相比，先進小型輕水堆在安全性，經濟性和靈活性上有很大的提高。先進小型輕水堆由于大量采用設計安全的概念，通過設計的優化從根本上消除或者盡可能地降低對反應堆安全構成威脅的事故工況。在失水事故的應對上，從原來的“失水-注水”的被動策略轉向“減小失水”的主動原則。先進小型輕水堆普遍采用一體化主回路壓力容器結構，取消了主回路各主管道，從根本上消除了由于一回路主管道斷裂造成的大坡口失水事故；其次大量采用非能動安全設計，通過多種自然循環系統，轉移堆芯余熱，有效地降低了失水事故后堆芯溫升程度和堆芯裸露的可能性。在長期冷卻策略上，先進小型壓水堆全面采用非能動安全系統，而且系統熱阱余量很大，可以在全廠斷電的情況下獨立工作一個星期以上。因此，先進小型輕水堆的安全性比第三代輕水堆（AP1000、EPR等）有了數量級的提高（見表1）。

由于采用設計安全和非能動系統，先進小型輕水堆的結構簡單，去除了很多復雜部件。一體化主回路結構和其他多數部件可以在工廠完成制造和組裝，直接運抵電站安裝，大大降低了費時費力的現場制造和組裝的需要。先進小型輕水堆采用模塊化設計，工期短，可以根據當地電力需求的增長情況，采用靈活多變的建造方式。以上特點極大地提高了先進小型輕水堆的經濟性和靈活性。

4 先進小型核電站是我國實現節能減排目標的重要手段

核能作為低排放的綠色能源之一，將成為我國建立低碳發展模式，實現2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%目標的重要手段。預計到2020年，我國的核電總裝機容量將有望突破70 GW，一年可以減排二氧化碳6.73億t，占2020年全國排放總量的7.9%。但從過去幾年的節能減排工作發現，很多地區單位GDP能源強度下降趨勢出現反復，建立長期穩定的低碳經濟仍有很多挑戰。其中一個主要方面是有效關停高耗能、低效率的小火電機組。

截至2009年底，我國已關停小火電6 006萬kW，超出“十一五”關停目標1 000萬kW，關停成效顯著。2010年國家能源局把關停目標提高到7 000萬kW后發現，進一步的關停工作面臨很大困難，不少地區關停壓力很大，出現了停而不關，關而不廢的情況。全國現有30萬kW以下的火電機組約為7 000萬kW，占火電總裝機的比重仍高達30%以上，其中單機10萬kW以下的機組還有1 466萬kW。由于其中相當部分處在電網的末端或者是獨立電網，承擔著當地的主要供電任務，短期關停的確困難很大。因此，要全面實現2020年碳強度目標仍有很大難度。

現有大型核電站的單機容量大多超過100萬kW，總體投資大，工期長，對電力供變系統要求高，不太適合替代電網末端的中小火電站。特別是我國西南地震多發地區，地形復雜，海拔高，遠離主電網，從主電網架線電損大，成本高，不適合建大型電站。而先進小型輕水堆卻能發揮經濟靈活的特點，成為以上地區中小火電機組的最佳替代方案。

另外在東部經濟發達地區，人口密度大，能夠提供建造大型核電站廠址的選擇越來越少，而且普遍面臨巨大的土地購置成本。而小型核電站廠址面積小，對應急計劃區的面積和要求也要低很多。如果替代小火電站，電廠的原面積和基礎設施就可滿足新建小型核電站的要求。因此，可以大大加快關停，替換高耗能、低效率的小火電站的進程。

5 先進小型輕水堆是我國核電出口突破的重要組成部分

今后的10～20年，我國的核能發展目標不會只停留在國內核電站裝機容量的擴大，更重要的是快速地從核技術/設備進口國向核技術/設備出口國轉變。自2004年國家發改委下發《關于組織開展國家重大技術裝備研制專項工作的通知》，把百萬千瓦級核電站成套設備列為國家支持的重點專項之后，國內多家大型設備制造企業先后投入巨資提高核設備的生產能力。經過6年多的發展，國內核設備產能迅速擴大，某些設備的生產能力甚至出現了過剩的跡象。雖然在今后幾年，核設備供給的總體形勢比較平衡，但從長遠來看，和其他制造行業一樣，核工業最終還是要通過走出國門，進入國際市場來維持核能的可持續發展。

在現階段阻礙我國核電技術和設備出口的主要問題是技術專利和市場定位。由于我國現有掌握的第三代輕水反應堆技術主要從法國和美國進口，在技術轉讓協議中都包括了嚴格的出口限制條款。如果要擺脫出口限制，就要大規模修改原設計，這不但需要提高研發投入，而且增加了通過國內外監管機構安全評估的風險。相反，先進小型輕水堆的原型是一個國際合作項目，有大量公開資料，不牽涉專利問題。通過多年的研究，其工作原理和一些基本設計原則已經得到比較全面的認識，不存在技術瓶頸的問題。先進小型輕水堆各種非能動安全系統的論證工作已經很完善，現有通用安全分析程序完全可以勝任各種事故工況，這也是為什么美國能源部相信NRC能在3～4年之內完成所有安全審核工作的原因。除此之外，先進小型輕水堆的所有重要部件都采用成熟技術，比如IRIS中所有部件都可以在AP1000中找到類似設備。我國在實現AP1000國產化后，各種制造設備可以直接轉化為小型輕水堆設備的生產能力。

從國際現有發電設備市場分布來看，超過1/3的發電機組小于500 MW，將近75%的發電機組小于500 MW（見圖1）[3]。在發展中國家，小發電機組的比例將更高。在短期內，我國在核電技術和設備出口市場定位主要還是集中在發展中國家和新興工業國家。發展中國家的基礎設施和融資能力普遍比較薄弱，其相應的電網承載能力也比較差，很難負擔大型核電站所需的資金和其他配套設施。而小型模塊化核電站由于建造靈活，對初期投資和其他基礎設施要求低，可以直接進入現有電網系統，更加符合發展中國家市場的需要。配合一定的貸款扶植，很多原來無法進入核電市場的中小國家都有可能因此而變成核電設備的潛在用戶。

6 我國開展先進小型輕水堆研究的建議和策略

我國在20世紀80年代后就開展了小型輕水堆的研究，90年代初清華大學提出的低溫供熱堆就是一種比較典型的一體化小型輕水堆設計[4]。之后，各高校和研究所圍繞著一體化堆的自然循環特性展開了深入的研究，已經具備了實際應用和工程設計的能力。根據國際上先進小型輕水堆發展狀況，我國應盡快立項先進小型輕水堆工程，展開設計和論證方面的工作，爭取和國際發展同步，在5～6年之內完成工程設計和安全評估，2020年之前示范堆運行。主要建議和策略有以下幾個方面：

（1）加快吸收AP1000非能動技術和實現有關設備的制造能力

先進小型輕水堆和AP1000在非能動安全原理上有很多共同之處，都是依靠自然循環，重力壓頭等非能動力來實現堆芯冷卻和余熱排放。要通過開發CAP1400和CAP1700的機會，完善安全系統綜合測試臺架的設計和運行技術，提高安全分析程序的驗證水平。同時，要掌握各級安全閥和屏蔽泵的設計和制造能力。

（2）開展先進小型輕水堆設計和安全論證

根據現有成熟的公開的設計方案，提出我國先進小型輕水堆的初步設計。使用國際通用安全分析程序（RELAP、GOTHIC等），完成初步的安全分析。同時積極展開安全系統綜合測試臺架的設計和論證工作，配合正在開發中的自主知識產權的安全分析程序，達到反應堆設計和安全程序雙論證的目標。

（3）積極開展國際合作

一旦初步安全分析完成，便可進入試驗論證階段。在安全論證過程中，可以采取多種國際合作的方式。通過合作借鑒別人已有的技術和經驗，既可以大大縮短學習周期，加快開發進度；也可以使安全分析透明化，擴大自己的影響力，降低今后在發達國家通過安全審核的風險。

7 結束語

在日本福島核電站事故之后，各國的核監管機構和核電技術提供商，將更加重視核電廠應對自然災害和恐怖主義襲擊可能造成的極端事故工況。電站抗震防水能力，非能動安全系統和堆芯長期冷卻將成為主要的研究方向。先進小型壓水堆在以上方面有著先天的優勢。目前，國際先進核電國家紛紛調整未來發展戰略將小型反應堆作為今后發展的重點方向之一，并且已經積極地投入到科研和設計中。其目的是擴大核能在多種領域的應用，并提高在國際核能市場的競爭優勢。先進小型壓水堆適用非主干網電力系統，可以比較經濟和高效地替代中小型火電機組。現有的幾種先進小型壓水堆設計方案普遍采用模塊化和一體化設計，并大量使用非能動安全系統。這些特點有效地提高了反應堆的安全性和經濟性。

本文探討了在我國今后減排節能中利用小型壓水堆替代小火電的可行性，以及小型壓水堆在今后國際核電市場中起到的重要角色。由此強調了開展小型壓水堆設計研發的必要性及其作為今后核電技術儲備的戰略地位。亦對我國先進小型輕水堆研發提供了幾點建議和策略作為參考。國際先進核電國家在此方面已經積極地投入大量人力和經費，而我國在此領域還處于研發初期。希望我國核電行業決策者和科研人員能夠認識到時間的緊迫性，給予其足夠的重視。

[1] Half year financial report．AREVA.

[2] 2010.06.30．http://www.nrc.gov/reactors/ advanced.html.

[3] IAEA. Status of small reactor designs without on-site refueling．IAEA-TECDOC-1536 [R], Vienna：IAEA, 2007.

[4] 王大中，林家桂，馬昌文，等. 200 MW核供熱站方案設計[J]. 核動力工程，1993 ，14 (4) ：289-295.（WANG Da-zhong, LIN Jia-gui, MA Changwen, et al. Design of 200 MW District Heating NPP [J]. Nuclear Power Engineering, 1993, 14(4):289-295. ）

Recommendations for Small Water Reactor Development in China

CHEN Pei-pei1,2，ZHOU Yun1,2
(1. State Nuclear Power Technology Corporation，Beijing 100029，China；2. Belfer Center for Science and International Affairs，John F. Kennedy School of Government，Harvard University，02138，USA）

This paper summarizes the history and features of Advanced Small Water Reactor (ASWR), and provides recommendations and strategies on ASWR research and development in China. The ASWR can be used in remote power grid and replaces mid/small size fossil plant economically, and thus can be an important part of energy saving and emission reduction policy. The safety and economy characteristics of ASWR are able to effectively expand nuclear energy market in emerging countries and developing countries. Therefore, ASWR should be considered as a critical part of China's nuclear technology and equipment export strategy.

small reactor；advanced reactor；light water reactor

TL42 Article character：A Article ID：1674-1617(2012)01-0088-06

TL42

A

1674-1617(2012)01-0088-06

2011-05-16

陳培培（1977—），男，浙江余姚人，博士，主要從事反應堆熱工水力，兩相流等方面工作。