壓水堆技術后續發展的思考

邢繼， 王輝,2， 吳宇翔， 諶登華， 王曉亮

(1.中國核電工程有限公司， 北京 100840； 2.哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

近年來全球氣候變暖已威脅人類社會的可持續發展，為減少溫室氣體排放，增強應對氣候變化能力，全球近200個國家共同締結“巴黎協定”，目標是將全球平均氣溫較前工業化時期上升幅度控制在2 ℃以內。2021年我國兩會期間，“碳達峰”和“碳中和”首次出現在政府工作報告中，我國政府向全世界作出了2030年前實現“碳達峰”，努力在2060年前實現“碳中和”的承諾。在此背景下，核電作為一種清潔、低碳、安全和高效的基礎性現代能源，具有廣闊的發展前景。

20世紀50年代末，美國率先將核潛艇壓水堆和常規蒸汽發電技術結合，建成了世界首座壓水堆核電廠，開啟了人類利用核能的新時代。在眾多反應堆技術中，壓水堆因其功率密度高、結構緊湊、安全易控、技術成熟、造價和發電成本較低等特點，成為目前國際上最廣泛采用的商用核電堆型[1]，截止2021年8月，全球在役商用反應堆443臺，壓水堆為303臺，占比68%[2]。我國原國家計委和國家科委于1983年聯合組織的“核能發展技術政策論證會”確定了以百萬千瓦級壓水堆為主，走引進技術并逐步國產化的道路[3]。截止目前，我國運行核電機組共51臺(不含臺灣地區)，其中壓水堆49臺，占比96%[4]。

我國核電建設起步于秦山一期30萬千瓦機組，經多年發展及技術的不斷改進，實現了二代改進型核電機組的批量建設。隨著燃料技術、熱效率、安全設計與分析評價方法、運營管理等各方面的進步，針對先進輕水堆核電技術，國際組織、各國核安全監管機構和研究機構發布了設計要求及用戶要求文件[5-6]，尤其在后福島時代，對新建核電的設計提出了更嚴格的要求[7-8]。在此背景下，中國核工業集團和中國廣核集團共同研發了具有完整自主知識產權的百萬千瓦級壓水堆核電技術，采用先進的安全設計理念與技術，具有創新性的設計特征，滿足最新的安全要求和國際上第3代核電的用戶要求[9]，示范電站福清核電5號機組已并網發電。在引進消化吸收AP1000技術的基礎上，國家電力投資集團突破擴大功率導致的諸多方面的技術挑戰和難點，開發了具有自主知識產權的CAP1400[10]，并于2019-07開工建設。

然而在目前的能源結構中，核電的發展面臨著一些問題，如核電技術自身的安全性與經濟性的平衡問題、運行靈活性問題及環境友好性問題等。同時，來自于外部的技術不斷成熟且價格不斷下降的可再生能源(如風能和太陽能等)也對核電的發展提出了挑戰。因此，本文將對在核能電力供應中占主導地位的壓水堆技術的發展進行探討，剖析當前壓水堆技術面臨的挑戰，梳理壓水堆技術近期發展方向，并提出遠期發展的思考。

1 壓水堆技術面臨的挑戰

壓水堆技術乃至更大范圍的核電技術的規模發展取決于2方面的因素，分別是市場競爭力和公眾接受度。市場競爭力受電廠經濟性和運行靈活性的影響，公眾接受度受安全性和環境友好性的影響。

1.1 經濟性

核電的低碳屬性得到了廣泛認可，但在世界很多地區的擴張前景黯淡，最根本的原因在于成本[11]。核電的成本包括了建設成本、運營成本、燃料成本及退役成本，其中建設成本在總成本中占比很高，可達2/3以上，也是總成本不確定性的主要來源[12]，運營成本次之。由于核電的涉核屬性，公眾及監管當局對核電的可靠性及安全性極為關注，在將新型反應堆推向市場前，需要經過漫長的研發和嚴格的測試方能獲得許可證，交付周期很長；大量用于預防和緩解事故以實現3項基本安全功能的安全系統的設計，也額外增加了核電廠的建設及運營成本。隨著核安全要求的不斷提高，核電的成本也不斷攀升，以美國為例，三哩島事故后核電建設成本大幅增加[12]。

與核電相反，同樣具有低碳、清潔屬性的可再生能源的成本隨著技術的成熟而不斷下降[13]。表1給出了我國2018—2020年風電與太陽能的標桿電價，其中不同資源區的風電與太陽能的電價有所不同。根據2013國家發展改革委印發的《關于完善核電上網電價機制有關問題的通知》，全國核電標桿上網電價為0.43 RMB/(kw·h)，可以看出，無論風電還是太陽能，標桿電價指導價已接近甚至優于核電，且價格趨勢變化相反。

表1 不同能源的標桿電價Table 1 Benchmark price for different kinds of energy RMB/(kw·h)

1.2 運行靈活性

核電運行靈活性不足首先體現在電網調峰。在我國電網運行中，出于對核電安全性和成本高昂等因素的考慮，核電機組承擔基荷運行，僅在臺風過境、供暖期和春節等特殊時段采用降功率甚至停運方式。但隨著沿海地區負荷峰谷差的持續增大及陸上風電、海上風電和核電項目的建設發展，將嚴重加劇沿海地區電網的調峰壓力，因而對核電參與日調峰的需求愈發強烈。現代核電機組均設計有日負荷跟蹤能力，在理論和實踐上均具備參與日調峰的可行性[14-15]，但目前核電機組下調功率有限，除歐洲先進壓水堆(European pressurized water reactor, EPR)外，核電機組日負荷循環時功率不低于滿功率的50%，難以滿足負荷峰谷差持續增大的調峰壓力。

核電運行靈活性不足還體現在用途單一局限，基本僅向大型電網供電，國際原子能機構的統計數據表明，目前僅不到1%的核能用于供熱等非電應用[16]。在我國電力需求增速放緩下，為進一步發展核電，應突破現有應用模式，開發多用途的壓水堆技術，并實現與化石能源及可再生能源的協同發展。

此外，主流的壓水堆核電機組單堆功率較大，不適用于中小型能源網絡及非電市場，影響了核電的部署發展。

1.3 安全性

目前核電廠在設計和建造中所采用的主要安全理念和安全要求，是美國在其核電發展過程中建立并被國際社會廣泛接受和借鑒的。在核電發展實踐中，美國建立了確定論安全分析和概率論安全分析的方法體系，據此提出核電廠的安全要求和目標。

確定論安全分析主要關注3項基本安全功能，分別是控制反應性、導出衰變熱和包容放射性。圍繞3項基本安全功能，壓水堆設計了一系列安全系統和措施，如反應堆停堆系統、安注系統和安全殼系統等。概率論安全分析通常以堆芯損傷頻率(core damage frequency，CDF)和大量釋放頻率(large release frequency，LRF)2項指標來衡量電廠的安全水平，并指導電廠的設計或改進。隨著安全系統設計理念及技術(如非能動概念及技術的引入)的進步，壓水堆核電機組的安全水平不斷提高，三代壓水堆的CDF和LRF較二代機組均降低了一個數量級。

然而，壓水堆安全性的進一步提升存在較大困難。其原因在于，3項基本安全功能的實現取決于反應堆設計的固有安全性及附加的安全系統。壓水堆屬于熱中子堆，采用高溫高壓輕水(>15 MPa，>300 ℃)作為冷卻劑和慢化劑，其燃料材料選擇、冷卻劑的物理化學性質、工藝系統設計決定了通過提升固有安全特性來提升安全性存在較大困難，無法實現四代堆的固有安全特性；另一方面，主流大型壓水堆主工藝系統設計基本相同，在遵循相同核安全理論框架下，縱深防御每個層次可采用的技術手段趨同，在確保經濟性的前提下，通過提升安全系統性能來提升安全性也存在較大困難。

1.4 環境友好性

環境友好是一種理念、關系和過程，需要企業采用有利于環保的生產方式、與周邊環境良性互動與促進、企業不斷改進與創新以實現自然和社會的和諧。

經過多年的技術發展、經驗反饋和設計優化，大型壓水堆核電廠的環保性能已經得到了極大的提升，各項排放、生態和環境影響的指標均能滿足國家的法規、標準的要求。在此基礎上，發展更加先進的大型壓水堆就需要按照環境友好的理念進一步提升，不僅滿足當前法規標準的要求，更要為未來我國生態文明體系的建設提供助力。

但環境友好并不意味著單純的單向減排、節能、節地、節水等，這些減排、節能、節地、節水等措施往往都會導致經濟性的下降，為此需要找到合適的平衡點。與之類似，環境友好性和安全性也需要尋求在當前技術條件、經濟條件、科學認知條件下的最優解，尋求兩者之間的平衡關系。

為研發設計環境友好型核電廠，需要對核電廠環境友好性概念、屬性、指標開展全面研究和分析，深入分析論證環境友好性與經濟性、傳統核安全之間的內在聯系與區別，識別核電廠在設計中需要落實的環境友好要素，構建核電廠環境友好性評價體系。在設計中注意環境友好性各要素的量化指標，在開展與環境友好性直接相關的專項技術和工藝研發工作的同時，深入剖析影響環境友好性的其他設計因素，同步將需要落實的設計改進和優化反饋到具體的系統、工藝設計之中，從而實現核電機組在環境友好性上的系統性、全面性和先進性。

2 壓水堆技術近期發展方向

為實現壓水堆核電機組經濟性、運行靈活性、安全性和環境友好性提升的目標，在新型反應堆研發設計中，應采用系統工程思維，在確定總體技術方案與技術指標基礎上，將經濟指引、風險指引、環境友好性指引等設計方法貫徹于研發設計活動，實現各總體指標的平衡。

在具體的技術改進和發展方面，國內外已開展了大量的研究，涵蓋了設計、建造和運行維護等方面。

2.1 先進燃料

福島核事故后事故容錯燃料(accident tolerant fuels，ATF)的研究受到了主要核電國家的廣泛關注與深入支持，該類研究的目的是通過增強包容裂變產物和包殼材料抗氧化的能力來提高反應堆和乏燃料水池在事故情況下的安全性，以確保在發生類似福島核事故的情況下不會對環境造成嚴重影響。目前ATF的主要設計改進均著眼于革新的包殼(涂層、先進的鋼、碳化硅等)[17]和新型燃料芯塊(高熱導率添加劑、U-Si-N，U3Si2等)[18-20]。根據包殼及燃料類型來劃分，ATF研發大致可分為3個方向：提高鋯合金包殼的高溫抗氧化能力及強度；具有高強度和抗氧化能力的非鋯合金包殼以及比UO2具有更好性能和裂變產物滯留能力的新型燃料。

環形燃料則是另外一種值得關注的燃料元件，與傳統棒狀燃料元件相比，該類燃料內部也有冷卻劑通道，從而提高了傳熱面積-體積比，能大幅降低燃料峰值溫度，在保持充分安全裕度的條件下提升反應堆功率密度，增強核電經濟性[21-22]。目前韓國與美國已深入開展了環形燃料的研究，國內的中國原子能科學研究院研制的環形燃料元件已開展了入堆考驗的工作，運行正常[23]。

2.2 不調硼負荷跟蹤

核電負荷跟蹤控制模式有美國西屋公司提出的MODE A和MODE B，以及法國法瑪通公司提出的MODE G模式[24]。

我國絕大多數機組采用的是MODE G模式，該模式的特點是：1)功率補償棒N1、N2、G1、G2調節由功率變化而引起的反應性變化；2)用R棒組調節小的反應性變化和堆芯軸向功率分布；3)用可溶硼調節慢反應性變化。在采用該模式運行時，通過操作員手動操作的方式來調整軸向功率分布形狀，同時調節堆內可溶硼濃度補償由于氙濃度變化等引起的較慢的反應性變化，在負荷運行跟蹤過程中操作員負擔重、調硼次數多、廢水產生量大。

AP1000采用了MSHIM控制策略[25]，簡化了與功率變化有關的硼濃度控制，使硼濃度變化僅用于啟動、關閉和燃耗。在負荷跟蹤運行期間，控制棒自動移動精準控制堆芯參數，減輕了操作員負擔，控制了廢水產生量，并能實現硼相關系統的簡化設計，從而降低核電成本。鑒于此，新型反應堆的研發設計可以就不調硼負荷跟蹤技術開展研究，實現經濟性與運行靈活性的提升。

2.3 優化的能動與非能動安全系統

二代改進型壓水堆機組普遍采用能動安全系統應對設計基準事故(design basis accidents，DBA)，缺乏完善的設計擴展工況(design extension conditions，DEC)應對措施。

為進一步提高安全性能，EPR在安全系統的設計上采用了“加法”的設計思路，增加安全系統的數量以及冗余度[26]；AP1000采用了“減法”的設計思路，引入非能動理念，設計了可以應對DBA和DEC的非能動安全系統，整套系統利用物質自然特性，減少了安全支持廠房、安全級設備和相關廠房，極大簡化了電廠設計。

“華龍一號”采用了能動與非能動相結合的設計理念，其中成熟可靠的能動安全系統用于應對DBA，非能動部分則用于應對DEC[9]，該類設計安全措施多樣化，安全性高，但系統復雜，經濟性稍差。

考慮到非能動系統簡單、經濟的優點，在后續壓水堆研發設計中，可以進一步發展能動與非能動相結合的設計理念，提升非能動系統的地位和作用，而將能動系統作為非能動系統在縱深防御體系中的補充措施，從而更好地滿足新形勢下核電技術的經濟性和創新性要求，更充分的實現能動系統與非能動系統的互補，從而以較低代價實現整體安全目標。

2.4 安全殼性能提升

安全殼是壓水堆核電廠包容放射性物質的最后一道屏障，對保證電廠安全至關重要。福島核事故后，業界尤為關注嚴重事故下的安全殼系統性能。

從放射性物質包容的角度出發，首先考慮的是嚴重事故下放射性氣溶膠的遷移與熱力學現象，業界已開展了廣泛研究，包括了單項機理及依托不同規模臺架的綜合效應研究[27-29]，但對于影響氣溶膠遷移凝并的重要現象(如吸濕增長、衰變荷電等)的研究仍有不足，非能動冷卻方式下的安全殼內氣溶膠綜合行為有待深入研究。在包容能力方面，美國、法國等分別開展了比例模型研究[30-31]，此外，美國阿貢實驗室(Argonne National Laboratory,ANL)和桑地亞實驗室(Sandia National Laboratory, SNL)還對22家核電廠的貫穿件結構可靠性開展了廣泛研究。這些研究主要集中于壓力荷載下安全殼結構承載能力和貫穿件密封性能方面，缺少嚴重事故熱、力耦合下安全殼結構失效機理和承載能力研究、安全殼結構和貫穿件密封性能試驗及定量化的預測評價。在安全殼釋熱減壓和過濾排放技術研發方面，有必要探索新一代安全殼熱量導出和過濾排放技術，以實現電廠經濟性和安全性的提升。

在國家科技部重點研發計劃“嚴重事故下安全殼系統性能研究”項目資助下，中國核電工程有限公司聯合業內單位正在對上述內容進行攻關，以支撐新型壓水堆的研發設計。

2.5 模塊化設計與建造

三代壓水堆的建設實踐證明，模塊化設計與建造技術是減少現場施工量、降低安全隱患、縮短建造工期和降低工程造價的有效方式。

采用模塊化設計和建造理念，根據核電機組全廠各系統部件和物項的功能和布置特點，將其分割成若干模塊，在工廠中進行預先加工制造，并運送至項目現場進行拼裝與安裝。模塊化的特點是將傳統在現場完成的工作移至工廠，增加了基于工廠的制造和組裝工序。現場實現平行施工，引入了大量預制等平行作業，使土建、安裝、調試等作業深度交叉，能有效降低現場勞動力投入，縮短建造工期并提高了工程質量和工程調度靈活性，是解決我國目前核電安全高效批量建設與資源短缺、質量安全之間矛盾的有效措施。

在模塊化技術研發領域，國內在建和已運行部分堆型核電站雖然有如反應堆廠房穹頂、核取樣實驗室等局部采用模塊化施工的案例，但是系統的研究開發核電工程的模塊化設計和建造技術及規模化應用還處于空白階段。該研發領域的重點突破，將顯著提升新型反應堆的建造經濟性。

2.6 智能運維技術

面對搶占新一輪科技革命和行業變革競爭制高點的新形勢和從制造大國向制造強國轉變的戰略任務，我國提出“以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向”的戰略方針。

目前國內海爾等家電行業、三一重工等裝備制造行業、九江石化等石化行業都已開始智能工廠試點建設[32-34]。實踐經驗表明，“智能工廠”在降低運營成本、縮短產品研制周期、提高生產效率、降低產品不良品率、提高能源資源利用率等方面具有顯著成效。核電行業作為保障國家安全與促進國民經濟發展的重點行業，也陸續開展了數字核電、大數據平臺、智慧電廠等相關技術研究工作[35-37]，但與上述行業相比，核電及其上下游產業的智能化水平仍有巨大差距。

以提升核電機組安全性能、降低運維成本為目的，建議進一步提高核電智能化水平，使得新一代壓水堆機組能夠滿足“無人監控、少人值守”的總體需求，在運行高度自動化、主設備預測性維護及全數字化運維支持等方面實現重大突破。

2.7 多用途利用

多用途利用是提高核電靈活性的可行途徑之一，包括了制氫、海水淡化、供熱、儲能等方向。

目前核能制氫有電解水制氫和熱化學制氫2種方式，前者核反應堆供電，后者核反應堆供高溫熱源。由于壓水堆一回路冷卻劑經堆芯加熱后的溫度大約為330 ℃，無法滿足熱化學制氫工藝要求的750～1 000 ℃的要求，因此只能采用電解水制氫方案，但該方案效率低下，限制了壓水堆制氫的發展。

在海水淡化方面，規模化的海水淡化需要大量的能量消耗，而核電廠可以環保且持續地提供所需能源，因而許多國家對核能海水淡化給予了很大關注。我國遼寧的紅沿河核電站海水淡化系統是國內核電首個海水淡化系統，開辟了核電站利用海水淡化技術提供淡水資源的先河[38]。

核能供熱主要有2種方式：低溫核供熱和核熱電聯產，核熱電聯產的最大優勢是節能，實現了能源資源的優化配置[39]，對于主流壓水堆核電廠的用途拓展而言，該方式較易實現。海陽核電站2019年實施的核能供熱一期工程在首個供熱季運行良好，為壓水堆的核能供熱提供了有益的參考。

近年來儲能技術的迅速發展也為核電參與電網調峰提供了新的技術方案。在負荷需求較小時，可將多余的電力儲存，在負荷較大時則予以釋放，從而盡可能的維持反應堆的平穩運行，降低電網調峰對核電廠的影響。

除了以上方面，延長操作員不干預時間和電廠自治時間、減少固體廢物、減少環境排放、降低職業照射劑量等也是壓水堆技術進一步發展的技術方向。

在壓水堆技術發展過程中，核心自主化軟件及先進數值計算和模擬方法的開發與先進實驗技術的發展將有力支撐上述各技術方向的研究。例如，國內西安交通大學核反應堆熱工水力團隊開展的基于計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)的核動力系統高精度熱工水力模型開發及應用研究，為先進壓水堆的研發設計及運行提供了重要的理論支持[40]。

3 壓水堆技術遠期發展的思考

作為成熟可靠的核能技術，壓水堆在今后很長一段時間內仍將是核能發電的主力堆型，但需要在安全性、環境友好性、經濟性和運行靈活性4個方面開展進一步探索研究。在提高安全性方面，可以將研發重點從目前的安全系統的優化提升轉移到消除或降低事故發生的可能性上，通過先進燃料的研發和先進工藝系統的設計予以實現；在設計建造方面，進一步提高各模塊的規模和復雜程度，降低現場施工作業難度與強度,縮短建造周期；在運行維護方面，進一步提升核電廠的智能水平，充分實現實體工廠的數字孿生，實體工廠的數據信息完全映射于數字孿生體，以數字孿生體的高精度仿真運行支持電廠的運行維護。

在這一探索過程中，需要業界打破僵化思維，大膽開拓，開展更多設計理論的研究及原創技術的研發。

4 結束語

在我國“碳達峰”與“碳中和”的戰略背景下，核能作為低碳清潔能源，具有廣闊發展空間，而成熟可靠的壓水堆技術在今后很長一段時間內仍將是核能的主力堆型。從20世紀50年代末起步開始，隨著社會對核安全的日益重視，壓水堆技術不斷進步，但在可再生能源技術迅速發展的現在，壓水堆技術的發展仍然面臨著一些問題，歸納起來有經濟性、運行靈活性、安全性和環境友好性等4個方面。為促進壓水堆技術的進一步發展，業界已開展了若干有益的工作，如先進燃料、不調硼負荷跟蹤、安全殼系統性能提升、模塊化設計與建造等技術研究，這些研究成果的應用將顯著提升新型壓水堆的經濟性、運行靈活性、安全性和環境友好性。對于壓水堆技術的遠期發展，業界還沒有形成統一認識，理論創新和技術探索還有廣闊空間。