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科普盤點丨第三代核電技術

煙臺核電研發中心2019-12-08 16:17:14

來源:核電周刊

我們經常提到第三代核電技術,那么什么才是第三代核電技術呢,下面,一起來看一下目前國內的第三代核電技術吧。

首先,我們要清楚一點,什么是第三代核電技術?業內許多介紹都是先入為主地判定哪些電站是第三代核電技術,固然會起到第三代核電技術科普作用,但讓人理解,第三代和前幾代不同之處,進而進行判斷也是很重要的。

我們通過查詢,對第三代核電技術看到如下標準。

類型主要包括改革型的能動(安全系統)核電站和先進型的非能動(安全系統)核電站,并能夠完成全部工程論證和試驗工作以及核電站的初步設計。


對于這兩種類型,又有:

改進型核電廠:擁有更簡化的專設安全系統;至少有兩條隔離的和獨立的交流電源與電網相連;至少三十分鐘時間內,不考慮操縱員的干預;在喪失全部給水,至少在2小時內不應有燃料損壞;在喪失廠內外交流電源的8小時內,燃料沒有損壞等。

非能動型核電廠:不要求安全相關的交流電源,一旦遭遇緊急情況,僅利用地球引力、物質重力等自然現象就可驅動核電廠的安全系統,巧妙地冷卻反應堆堆芯,帶走堆芯余熱,并對安全殼外部實施噴淋,從而恢復核電站的安全狀態。

簡言之,第三代壓水堆核電站就主要有兩種:改進型電廠(如EPR)和非能動型電廠(如 AP1000)。

那么,對善于引進吸收的我國而言,具體有哪些第三代核電技術的應用呢?

首先,受到國內廣泛認可的第三代核電站的代表是臺山的EPR核電站以及三門的AP1000核電站,當然也包括華龍一號、CAP1400、俄羅斯改進VVER技術。



AP1000

AP1000是Advanced Passive PWR的簡稱,1000為其功率水平,為美國西屋公司研發的一種先進的“非能動型壓水堆核電技術”。

AP1000的技術特點是:

①主回路系統和設備設計采用成熟電站設計、簡化的非能動設計提高安全性和經濟性、嚴重事故預防與緩解措施、儀控系統和主控室設計、建造中大量采用模塊化建造技術。

②設計簡練,易于操作,充分利用了諸多“非能動的安全體系”,比如重力理論、自然循環、聚合反應等,比傳統的壓水堆安全體系要簡單有效得多。

③AP1000的經濟性強。采用模塊化施工建設,建設周期可縮短。由于很多系統和子系統在工廠而不用到電站裝配,因此建設時間可縮短至3~4年。AP1000 大型化單機容量以及達60年的設計壽命,可以能與聯合循環的天然氣電廠相競爭。

另外,因為獨特的非能動安全系統,AP1000與正在運行的電站設備相比,閥門、泵、安全級管道、電纜、抗震廠房容積分別減少了約50%,35%,80%,70%和45%。雖然部分產品的量減少了,但價值量基本不變。

西屋公司當年是在已開發的非能動先進壓水堆AP600的基礎上開發了AP1000。該技術在理論上被稱為國際上最先進的核電技術之一,由國家核電技術公司負責消化和吸收,且多次被核電決策層確認為日后中國主流的核電技術路線。

國家核電技術公司的AP1000和中廣核集團與中核集團共推的華龍一號被默認為中國核電發展的兩項主要推廣技術,兩者一主一輔,AP1000技術主要滿足國內市場建設和需求,華龍一號則代表中國核電出口國外。

作為國內首個采用AP1000技術的依托項目三門核電一號機組原計劃于2013年底并網發電,但由于負責AP1000主泵制造的美國EMD公司多次運抵中國的設備都不合格,致使三門一號核電機組如今已經延期2年。

目前,除在建的兩個項目(三門、海陽)外,三門二期、海陽二期、廣東陸豐、遼寧徐大堡、以及湖南桃花江等內陸核電項目均擬選用AP1000技術。

AP1000技術主要目標工程包括:海陽核電廠1-2號機組、三門核電廠1-2號機組、紅沿河核電廠二期項目5-6號機組、三門核電廠二期項目、海陽核電廠二期項目、徐大堡核電廠一期項目以及陸豐核電廠一期項目等。其中海陽核電廠1-2號機組和三門核電廠1-2號機組為正在建設的核電項目,其余五個為有望核準的核電項目。

AP1000技術示范項目—三門核電站

浙江三門核電站是我國首個采用三代核電技術的核電項目,其1號機組是全球首座AP1000核電機組。三門核電站位于浙江南部三門縣,一期工程建設2004年7月獲得國務院批準并于2009年4月19日開工建設,總投資250億元,將首先建設兩臺目前國內最先進的100萬千瓦級壓水堆技術機組。

這是繼中國第一座自行設計、建造的核電站——秦山核電站之后,獲準在浙江省境內建設的第二座核電站。三門核電站總占地面積740萬平方米,可分別安裝6臺125萬千瓦核電機組。全面建成后,裝機總容量將達到750萬千瓦。目前1、2號機組正在建設中。



法國EPR

EPR是與美國AP1000并列的當代先進的三代核電技術,是法馬通和西門子聯合開發的反應堆,是在國際上最新型反應堆(法國N4和德國建設的Konvoi反應堆)的基礎上開發的,吸取了核電站運行三十多年的經驗。

EPR的核電特點是用增加冗余度來提高安全性,即提升安全系統的復雜性和多重性,提高安全系統的最大負荷和容錯率,以此提升核電廠安全性。同時,提升單機容量,使系統效率最大化,從經濟方面抵消增加安全系統的成本,甚至降低原發電成本。

EPR為單堆布置四環路機組,電功率1525MWe,設計壽命60年,雙層安全殼設計,外層采用加強型的混凝土殼抵御外部災害,內層為預應力混凝土。

EPR技術特點是:

①EPR屬壓水堆技術。

②EPR是目前國際上最新型反應堆(法國N4和德國近期建設的Konvoi 反應堆)的基礎上開發的,吸取了核電站運行三十多年的經驗。

③EPR是新一代反應堆,具有更高的經濟和技術性能:降低發電成本,充分利用核燃料(UO2或MOX),減少長壽廢物的產量,運行更加靈活,檢修更加便利,大量降低運行和檢修人員的放射性劑量。

④EPR的電功率約為1600兆瓦。具有大規模電網的地區適于建設這種大容量機組。另外,人口密度大、場址少的地區也適于采用大容量機組。

⑤EPR可使用各類壓水堆燃料:低富集鈾燃料(5%)、循環復用的燃料(源于后處理的再富集鈾,或源于后處理的钚鈾氧化物燃料MOX)。EPR堆芯可全部使用MOX燃料裝料。這樣,一方面可實現穩定乃至減少钚存量的目標,同時也可降低廢物的產量;

⑥EPR的技術壽期為60年,目前在運行的反應堆的技術壽期為40年。由于設備方面的改進,EPR運行40年無需更換重型設備。

當然,需要注意的是,EPR核電技術是我國出于政治關系的引進項目,不在目前國內新機組的技術選型考慮范圍之內。

目前,全球采用此種技術建造的核電站共有3座,除位于中國廣東江門的臺山核電站外,還有2005年5月開工建設的芬蘭奧爾基洛托核電站,2007年底開工的法國弗拉芒維爾核電站3號機組。相較于另外兩座屢屢延期的核電站,臺山核電站的建設顯得一帆風順。

臺山核電站一期工程由中國企業和全球擁有核電機組最多的法國電力公司共同投資建設。該工程已于2009年底正式開工。建設兩臺單機容量為175萬千瓦的壓水堆核電機組,項目建成投產后年上網電量預計達260億千瓦時。

法國EPR技術示范項目—臺山核電站

臺山核電項目是我國首個175萬千瓦核電項目,一期工程機組是基于第三代核電EPR(歐洲壓水堆)技術的CEPR(中國的EPR)技術機組,也是世界單機組容量最大的核電機組,核電汽輪機安裝精度要求極高。臺山核電2號機組項目于2010年4月開工建設,從2013年11月臺山核電2號機組3個低壓缸全部就位結束,到低壓缸(LP3汽缸)扣蓋一次成功,歷經10個月。



華龍一號

“華龍一號”核電技術,實際上是中核ACP1000和中廣核ACPR1000+兩種技術的融合,被稱為“我國自主研發的三代核電技術路線”。

“華龍一號”現已通過國家能源局和國家核安全局的審查。

ACP1000技術是中核集團自主研發的具備完整自主知識產權的先進壓水堆核電技術。它是在中核集團完成設計的CP1000核反應堆的基礎上,消化吸收引進的三代核電技術AP1000,借鑒國際先進核電技術的先進理念,充分考慮福島核事故后最新的經驗反饋,按照國際最先進法規的標準要求研制的一種擁有自主知識產權的第三代壓水堆核電站。

CPR1000是中廣核推出的中國改進型百萬千瓦級壓水堆核電技術方案。是源于法國引進的百萬千瓦級堆型——M310堆型。而ACPR1000+是中廣核在推進CPR1000核電技術標準化、系列化、規模化建設的同時,研發出的擁有自主知識產權的百萬千瓦級三代核電技術。

“華龍一號”融合方案評審獲得通過,其形成的基礎,源于國家能源局于去年4月份對兩家核電集團的敦促,要求它們在各自的技術上盡快作出合理的融合,以便“增強中國在國際核電市場的競爭力”。兩種核電技術融合一體,毋庸置疑的是不僅可以促進我國三代自主核電技術的標準化生產,結束混亂的核電局面,最重要的是可以在資源上減少浪費。

按照中核和中廣核目前達成的協議,“華龍一號”的堆芯選用中核集團ACP1000技術的177堆芯,單堆布置,核燃料采用中核集團開發的CF自主品牌。在具體的項目上,可根據客戶需求,配置個性化的專設安全系統。

在此之前,“華龍一號”的融合可謂經歷了十八般“磨難”。具體體現在兩家核電集團在專設安全系統選擇上出現的分歧。中廣核堅持自身的安全方案,采用的是“3系列”,即三套非能動安全裝置。而中核還是依然采用原本的“2加1系列”,即2套能動安全裝置加一套非能動安全裝置。

“華龍一號”的落地無疑會給自家“兄弟”國核技帶來恐慌,然而相對于國核技的AP1000和其國產化技術 CAP1400以及CAP1700,“華龍一號”主攻國際市場,后者則主推國內市場,兩者形成“一主一輔”的中國核電發展路線。

“華龍一號”國內目標示范項目—福清核電站

福清核電工程是國家批準建設的重大能源工程之一,位于福建中部沿海福清市三山鎮前薛村,共規劃6臺百萬千瓦級二代改進型壓水堆核電機組,實行一次規劃,連續建設,總投資近千億元。1號機組于2008年11月正式動工,今年8月20日首次并網。2號機組已從安裝階段向調試階段過渡,計劃2015年8月建成投產;3號機組處于安裝高峰階段,計劃2016年2月建成投產;4號機組已完成土建主體工程,已進入安裝階段,計劃于2017年3月建成投產。5、6號機組積極推進前期準備工作,目前正在上報審批。6臺機組預計2020年底全建成,年發電總量可達450億千瓦時。

“華龍一號”國內目標示范項目—防城港核電站

防城港核電廠位于防城港市港口區光坡鎮東面約8km的紅沙澫南側光嶺至山雞啼一帶的丘陵及灘涂處。核電廠以嶺澳核電站為參考電站,按“翻版加改進”方式規劃建設容量為6臺百萬千瓦級CPR1000二代改進型壓水堆機組,一期建設2臺CPR1000二代改進型壓水堆機組,項目擬定投資約270億元。

“華龍一號”特點:

在設計創新上,“華龍一號”提出“能動和非能動相結合”的安全設計理念,采用177個燃料組件的反應堆堆芯、多重冗余的安全系統、單堆布置、雙層安全殼,全面平衡貫徹了縱深防御的設計原則,設置了完善的嚴重事故預防和緩解措施等。



CAP1400

CAP1400型壓水堆核電機組是國家核電技術公司在消化、吸收、全面掌握我國引進的第三代先進核電AP1000非能動技術的基礎上,通過再創新開發出具有我國自主知識產權、功率更大的非能動大型先進壓水堆核電機組,也是中國“16個國家科技重大專項”之一的核電重大專項的核心內容。CAP1400符合目前全球商用核電站的最高安全標準要求,也是最大的非能動壓水堆核電站。

CAP1400將與“華龍一號”一道,成為中國核電技術競逐海外市場的兩大利器。

目前,我國應用CAP1400技術的項目為山東榮成CAP1400示范項目1-2號機組,單機容量140萬千瓦,設計壽命60年。該項目為有望核準的項目,現兩臺機組的前期工作進展順利,預計今年內開工,2018年首臺機組并網發電。

CAP1400技術示范項目—山東榮成石島灣核電站

石島灣核電站位于山東省威海市所轄榮成市內,是由國家核電技術公司與中國華能公司共同投資建設兩臺140萬千瓦級的CAP1400核電機組。

山東榮成石島灣大型先進壓水堆核電站重大專項CAP1400示范工程一號機組裝機容量140萬千瓦,建設總工期56個月,2018年年底建成投產;二號機組與一號機組開工時間間隔12個月,建設總工期為50個月。

CAP1400技術特點:

CAP1400采用了非能動堆芯冷卻系統、非能動安全殼冷卻系統的組合設計。其安全性比二代核電提高兩個量級。

同時,CAP1400采用簡化設計,與傳統壓水堆相比部件數量顯著減少。這樣維修檢查的壓力減少,故障幾率大幅降低。

對于反應堆安全保障的重中之重——鋼制安全殼,CAP1400在設計中擴大了安全殼尺寸,獲得了較大的自由容積、優化布置和更大的安全殼內壓分析裕量。在屏蔽廠房的設計上,采用鋼板混凝土結構,具備抗大型商用飛機惡意撞擊能力,并優化了空間布置,以提高人員可到達性和設備可維修性。

經濟方面,CAP1400較目前二代核電的經濟性主要體現在性能參數和建造成本上。CAP1400具有更優的經濟性;設計使用壽命為60年,較二代核電增加20年壽命。

基于AP1000的模塊化技術,CAP1400優化了模塊設計。模塊化建造縮短了建造周期:示范工程一號機組建造周期56個月,2號機組50個月。

模塊化設計的同時,進行了簡化設計,系統和部件數量大幅減少,降低了建造成本和運維成本。同時,隨著我國裝備制造能力的提高,CAP1400對關鍵設備均進行了標準化和批量化設計,減少了建造成本。



俄國VVER

VVER是前蘇聯所發展的壓水動力堆的簡稱。VVER是俄語縮寫,代表“water-water能量反應堆”(即水冷反應堆water-moderated能源)。在一些東歐國家,核電生產部分或全部依靠蘇聯設計的這種反應堆。

上世紀七、八十年代,前蘇聯主要建設的二代壓水堆核電機型,是VVER-1000。九十年代初,蘇聯解體以后,俄羅斯跟世界各核電機組供應商一起,進行更安全更經濟的新機型的改進研發,先后推出了AES-91(V-428)和AES-92(V-412)兩種機型。兩種機型都保持了VVER-1000的基本型式,兩者基本相同。

VVER技術特點主要是臥式蒸汽發生器,使用六角燃料組件,沒有壓力容器底部的縫隙,和用高容量pressurisers提供一個大型反應堆冷卻劑庫存。

兩種機型,分別在中國的田灣核電站和印度的庫達庫拉姆核電站,各建設兩臺。田灣核電站的兩臺AES-91型機組,已分別于2007年5月17日和8月16日建成投產,運行情況良好。印度庫達庫拉姆核電站的兩臺AES-92型機組,也分別于2010年9月和12月建成投產。

在AES-91和AES-92兩種機型建設實踐的基礎上,吸收反饋經驗,進行了綜合改進、挖潛和標準化,推出了名義功率為120萬千瓦的AES-2006型,屬三代+的機型。

俄羅斯政府已確定AES-2006型為俄羅斯今后核電發展的主力機型,計劃在2030年前要建成32臺這種機組,現在已有4臺機組,新沃羅涅日2廠(NVNPP)和列寧格勒2廠(LNPP)各2臺機組,分別在2008年和2009年開工建設,于2012年和2013年建成。另外在保加利亞的Belene核電站的競標中,俄羅斯戰勝了捷克斯庫達公司和西屋公司聯隊,以AES-92型中標,兩臺機組已于2008年開工建設。

目前,在俄羅斯和海外共運行著53座采用俄羅斯VVER技術的水冷核反應堆,其中28座是VVER一1000型反應堆。

俄國VVER技術示范項目—田灣核電站

田灣核電站是中國和俄羅斯技術合作項目,地點在江蘇省連云港市田灣鎮。田灣核電站于1999年10月20日正式開工建設,一期工程建設2臺單機容量106萬千瓦的俄羅斯AES-91型壓水堆核電機組,設計壽命40年,年發電量達140億千瓦時。

田灣核電站是中俄兩國在加深政治互信、發展經濟貿易、加強兩國戰略協作伙伴關系方針推動下,在核能領域開展的高科技合作,是兩國間迄今最大的技術經濟合作項目,也是我國“九五”計劃開工的重點核電建設工程之一。

以上,就是對分布在國內各個核電廠的第三代核電技術利用,部分電站的列舉可能并不完全符合第三代核電技術標準,但相比二代技術,這些電站已有計劃地啟用了對第三代技術的開發和利用。


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