中國核電的發(fā)展與展望

魏杰

中電華元核電工程技術(shù)有限公司煙臺分公司，中國·山東 煙臺 265100

1 核電的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

核能來源于核反應(yīng)時原子核裂變釋放的能量。1942年美國芝加哥大學(xué)建成世界上第一座核反應(yīng)堆，產(chǎn)生可控的核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。隨后，這種能量被應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。1951年美國首次實(shí)現(xiàn)核能發(fā)電，1954年，蘇聯(lián)建成世界上第一座裝機(jī)容量為5MW的核電站，英、美等國也緊跟其后。由于核濃縮技術(shù)的發(fā)展，到1966年，核電的成本已低于火力發(fā)電的成本，核電真正邁入實(shí)用階段。世界核電至今已有60年的發(fā)展歷史，核電成為全球整體供電量的重要組成部分，在保障能源安全、改善環(huán)境質(zhì)量等方面發(fā)揮了重要作用。

目前，火力發(fā)電仍然是中國電力供應(yīng)的主導(dǎo)，不僅消耗了大量的不可再生化石能源，還造成了嚴(yán)重的空氣污染。隨著中國對能源需求的不斷增加和化石燃料消費(fèi)所帶來的氣候變化以及資源短缺問題，催生了中國的核能發(fā)電科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化。至2020年12月，中國在役的核電站為49座，2021年1月隨著“華龍一號”首堆福建福清3號機(jī)組并網(wǎng)商業(yè)運(yùn)行，目前中國在役的核電站達(dá)到50座。2021年在建的核電站5所，在役和在建的裝機(jī)總量約為7000萬kW。2020年核電發(fā)電量占全中國發(fā)電量的4.98%。但遠(yuǎn)低于全球核電15%的占比。中國的核電發(fā)展空間很大，以核電逐步造福人民的發(fā)展模式，必將成為碳達(dá)峰碳中和的最佳選項(xiàng)。

從核電的發(fā)展初期，到目前的核電應(yīng)用狀況，大致可以劃分為4個階段。

第一代是20世紀(jì)50年代開發(fā)的原型堆核電技術(shù)；

第二代是20世紀(jì)下半葉發(fā)展的大型商用核電技術(shù)；

第三代是世紀(jì)之交前后二十年發(fā)展起來的輕水堆核電技術(shù)；

第四代是當(dāng)前及今后待開發(fā)的核電技術(shù)。

中國“華龍一號”是代表第三代核電技術(shù)水平的經(jīng)典之作，可以相信繼“華龍一號”之后，中國核電科技人員和建設(shè)者在創(chuàng)新中發(fā)展第四代核電技術(shù)，并將在不遠(yuǎn)的明天造福人民。

2 中國核電的發(fā)展成就

經(jīng)過50多年的發(fā)展，中國已成為全球少數(shù)幾個擁有完整核電工業(yè)體系的國家之一，無論是核電技術(shù)研發(fā)、工程設(shè)計(jì)、裝備制造、建筑安裝還是管理運(yùn)營、燃料保障等，都可以支撐未來規(guī)模發(fā)展的需要。當(dāng)前，提倡碳達(dá)峰碳中和的經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念，中國核電發(fā)展在迎接機(jī)遇的同時，也面臨著一些發(fā)展不充分、不平衡、不協(xié)調(diào)的問題與挑戰(zhàn)。尤其要注意發(fā)展核電仍然要以安全為前提，踏實(shí)進(jìn)取，保證核電安全高效高質(zhì)量發(fā)展[1]。

2.1 “七二八”核電工程

華東地區(qū)特別是上海區(qū)域是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的龍頭，能源成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。周恩來在聽取上海缺電制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的匯報后，1970年2月8日，在國務(wù)院有關(guān)會上指出，上海的工業(yè)產(chǎn)值占全國的1/6，但既沒有石油，也沒有煤炭。其他國家都在搞核電站，中國上海也要建設(shè)核電站，并批示二機(jī)部不能光是爆炸部，要和平利用核能搞核電站。由此誕生以七二八為代號的秦山核電站工程建設(shè)[2]。該電站是中國第一座自己研究、設(shè)計(jì)和建造的核電站，一期工程額定發(fā)電功率30萬kW，采用國際上成熟的壓水型反應(yīng)堆，1984年破土動工，1991年并網(wǎng)發(fā)電，設(shè)計(jì)壽命30年。“七二八”工程建設(shè)，展現(xiàn)了老一輩核電人“自力更生、艱苦奮斗、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、敢為人新、團(tuán)結(jié)協(xié)作，為國爭光”的作風(fēng)和精神。例如，作為參研單位的華東化工學(xué)院主要承擔(dān)熔鹽純化工藝流程的研究，如氟化鈹、氟化鋰、四氟化釷、四氟化鈾的制備、提純和元素分析，以及這些化合物的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、密度、黏度、蒸氣壓、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容等性狀參數(shù)的測定，并對熔鹽純化所需的設(shè)備的構(gòu)造、流程提出具體方案。主要工作放在華東化工學(xué)院的簡陋的無機(jī)大樓實(shí)驗(yàn)室內(nèi)“秘密”進(jìn)行。“七二八”工程，是中國和平利用核能的重要里程碑，它的建成使中國成了世界上第7個能夠自主設(shè)計(jì)、自主建造核電廠的國家。為紀(jì)念“七二八”工程50周年，上海市相關(guān)單位專門組織了一場別開生面的座談會；中國中央電視臺專門制作了五集紀(jì)錄片《“七二八”工程揭秘》，以此宣揚(yáng)中國第一代核電人的不朽功績。

2.2 “華龍一號”第三代核電技術(shù)結(jié)晶

隨著中國經(jīng)濟(jì)改革開放的進(jìn)一步發(fā)展，核電事業(yè)在核電人的不懈的創(chuàng)新奮中，從核電技術(shù)的引進(jìn)、消化到創(chuàng)新，創(chuàng)造了多個新型的核電新技術(shù)及其裝備，帶動了一批裝備制造業(yè)企業(yè)。

1999年7月，中核集團(tuán)啟動了百萬千瓦級壓水堆核電廠概念設(shè)計(jì)。歷經(jīng)十余年的艱辛，老中青三代中核人的共同努力，研發(fā)出了具有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的三代壓水堆核電品牌——ACP1000。

中廣核自2005年以來，同樣在法國引進(jìn)的百萬千瓦級堆型——M310型的基礎(chǔ)上，也開展了自主研發(fā)的歷程，通過多項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)，從CPR1000發(fā)展到CPR1000+技術(shù)，再到最終的ACPR1000+技術(shù)。

2013年4月25日，中國國家能源局主持召開了自主創(chuàng)新三代核電技術(shù)合作協(xié)調(diào)會，中廣核和中核同意在前期兩集團(tuán)分別研發(fā)的ACPR1000+和ACP1000的基礎(chǔ)上，聯(lián)合開發(fā)“華龍一號”[3]。依托中廣核防城港核電站3、4號機(jī)組和中核福清5、6號機(jī)組建設(shè)“華龍一號”中國示范項(xiàng)目。

“華龍一號”作為中國核電“走出去”的主打品牌，“華龍一號”提出的“能動和非能動相結(jié)合”的安全設(shè)計(jì)理念，采用177個燃料組件的反應(yīng)堆堆芯、多重冗余的安全系統(tǒng)、單堆布置、雙層安全殼，全面平衡貫徹了“縱深防御”的設(shè)計(jì)原則。特別是日本的核電事故之后，“華龍一號”設(shè)置了完善的嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解措施，其安全指標(biāo)和技術(shù)性能達(dá)到了國際三代核電技術(shù)的先進(jìn)水平。

“華龍一號”凝聚了中國核電建設(shè)者的智慧和心血，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)性和成熟性的統(tǒng)一、安全性和經(jīng)濟(jì)性的平衡、能動與非能動的結(jié)合。“華龍一號”是中國在50余年核電科研、設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，研發(fā)設(shè)計(jì)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電技術(shù)。

2021年1月30日，全球第一臺“華龍一號”核電機(jī)組——中核集團(tuán)福建福清核電5號機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行。2021年3月18日，“華龍一號”核電機(jī)組海外首堆——巴基斯坦卡拉奇2號機(jī)組首次并網(wǎng)成功。這是中國自主三代核電“華龍一號”海外建設(shè)取得的重大里程碑。目前共有12座“華龍一號”機(jī)組在建，占中國現(xiàn)有三代核電半數(shù)以上，基本奠定了以“華龍一號”為主的第三代核電技術(shù)路線。

3 核電的未來發(fā)展

3.1 開發(fā)模塊化，多用途中小型反應(yīng)堆。

模塊化主要的考慮是把一個大型的電站分散成若干個小型的模塊，每個模塊都包括一個反應(yīng)堆堆芯，與此同時，其他一些設(shè)備可以公用，如幾個模塊共用一個安全殼，或者渦輪機(jī)乃至整個二回路。這樣的做的優(yōu)勢在于在供應(yīng)可觀發(fā)電量的同時，大大提升了堆芯的安全性。另外，分散成若干模塊也更有利于功率調(diào)節(jié)，在電網(wǎng)功率需求產(chǎn)生變化時，小型堆比大型堆能夠更容易的調(diào)節(jié)功率。今后發(fā)展的海上浮動堆，實(shí)質(zhì)就是模塊化小堆。讓核電從大變小，這會明顯增加核電的商業(yè)應(yīng)用場景。

3.2 盡可能減少核廢料

核廢料泛指在核燃料生產(chǎn)、加工和核反應(yīng)堆用過的不再需要的并具有放射性的廢料。反應(yīng)堆的核燃料是由鈾礦石加工而成，在自然狀態(tài)下，鈾的放射性并不算高，短時間的接觸幾乎不會對人體造成放射性損傷，而使用過后核廢料則具有高強(qiáng)度的放射性，幾分鐘的接觸就可以導(dǎo)致死亡。

加強(qiáng)核燃料循環(huán)后段科技自主創(chuàng)新，在掌握關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上加快推進(jìn)商用后處理工作，通過引進(jìn)與自主研發(fā)相結(jié)合，掌握大型乏燃料后處理及再循環(huán)工程的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)技術(shù)。

3.3 核電聯(lián)合制氫

氫是清潔能源，廣泛應(yīng)用于氫燃料電池的交通工具、煉油和焊接及金屬加工等領(lǐng)域。但氫屬于二次能源，需要以一次能源來制備。以可持續(xù)方式大規(guī)模生產(chǎn)氫是實(shí)現(xiàn)氫廣泛利用的前提。

高溫氣冷堆是中國自主研發(fā)的第四代先進(jìn)核能技術(shù)，能夠提供高溫工藝熱，是目前最理想的高溫制氫的核反應(yīng)堆。作為第四代核電技術(shù)，將核反應(yīng)堆耦合熱化學(xué)循環(huán)制氫裝置，以核反應(yīng)堆提供的高溫作為熱源，使水在800℃~1000℃下催化熱分解，從而制取氫和氧。核電聯(lián)產(chǎn)氫能是實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的有效途徑，通過核能制氫，有利于推動中國形成綠色發(fā)展方式和生活方式，為百姓創(chuàng)造良好生產(chǎn)生活環(huán)境，為全球生態(tài)安全作出貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

核電是安全、經(jīng)濟(jì)、高效的清潔能源，是人類應(yīng)對氣候變化的重要能源選擇。經(jīng)過50余年努力，中國自主三代核電技術(shù)躋身世界前列，積累了世界一流的核電設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)、調(diào)試、運(yùn)行的全套經(jīng)驗(yàn)，形成了世界首屈一指的產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力。面向十四五及未來較長一段時期，應(yīng)堅(jiān)持安全有序的發(fā)展方針，加快發(fā)展核電和核能的綜合利用，全方位落實(shí)碳達(dá)峰碳中和國家重大戰(zhàn)略部署。