展望第四代核能系統(tǒng)之一：超臨界水堆

——專訪彭士祿院士

                            本刊記者 李照煦 衛(wèi)廣剛

Future outlook of the fourth-generation nuclear energy

systems：Supercritical water-cooled reactor

—Special interview with academician PENG Shilu

     編者按：近年來，世界各國提出了許多新核反應(yīng)堆設(shè)計和核燃料循環(huán)方案。2001年，美國、法國、日本等10個國家組成了“第四代國際核能論壇”(簡稱GIF)，約定共同研發(fā)第四代核能系統(tǒng)，使其在安全性、經(jīng)濟性、可持續(xù)發(fā)展、防核擴散等方面都有顯著的先進性和競爭力。20)年，GIF在法國巴黎舉行研討會，選定了6種堆型作為第四代核能系統(tǒng)優(yōu)先研發(fā)對象，這其中就包括超臨界水冷堆。近日，本刊記者就相關(guān)問題專訪了彭士祿院士。

《中國核電》：GIF是一個什么樣的組織?

彭士祿：GIF是“第四代國際核能論壇”的簡稱，英文全稱是Generation IV Nuclear nergy InternationalForum。它是2001年1月，在美國能源部的倡議下，由美國、法國、日本、英國、加拿大、阿根廷、南非、巴西、韓國、瑞士等10個國家專家聯(lián)合組成的，目標(biāo)是在2030年或更早一些時間創(chuàng)新性地開發(fā)出第四代核能系統(tǒng)，使其在安全性、經(jīng)濟性、可持續(xù)發(fā)展、防擴散等方面都有顯著的先進性和競爭力，不僅要考慮研發(fā)用于發(fā)電等的核反應(yīng)堆裝置，還把核燃料循環(huán)也包括在內(nèi)，組定完整的核能利用系統(tǒng)。

《中國核電》：GIF目前選定了哪幾種堆型作為第四代核能系統(tǒng)優(yōu)先研發(fā)對象？

彭士祿：2002年5月，GIF在法國巴黎舉行研討會，選定了6種堆型作為第四代核能系統(tǒng)的優(yōu)先研發(fā)對象，其中3種是熱中子堆，另外3種是快中子堆。熱中子堆包括超臨界水冷堆(SCWR，Supercritical Water cooled ReactOr)、超高溫氣冷堆(VHTR，VerY—high—tem perature gas COoled eactor)、熔鹽堆(MSR，Molten SaltReactor)，快中子堆包括鈉冷快堆(sFR，SOdiUm—cOOled fastReactor)、鉛冷快堆(LFR，Lead—cooled fastReactor)、氣冷快堆(GFR，Gascooledfast Reactor)。

《中國核電》：GIF有沒有具體的實施計劃?

彭士祿：有。GIF已經(jīng)提出了從概念設(shè)計到商用實施的“路線圖”，具體需要經(jīng)過4個步驟：

      第一步：可存在性研究，即證明這些堆型原則上是可行的。

      第二步：性能研究，即工程規(guī)模的研究開發(fā)和優(yōu)化，使其性能達到期望的水平。

      第三步：系統(tǒng)示范，即建造中等或較大規(guī)模的示范系統(tǒng)來檢驗設(shè)計。

      第四步：商用實施，即規(guī)模性的建造商用堆。

      目前，GIF只是對第一步和第二步做了安排和分工，尚未進行第三步和第四步。

《中國核電》：請您介紹一下超臨界水冷堆?

彭士祿：超臨界水冷堆是在水的熱力學(xué)臨界點(374℃，22．1 MPa)以上運行的高溫、高壓水冷反應(yīng)堆。超臨界水冷卻的熱效率比目前輕水反應(yīng)堆高出1／3，同時也簡化了核電廠配套系統(tǒng)和設(shè)施。

由于冷卻劑在反應(yīng)堆中不發(fā)生相變，且直接與能源轉(zhuǎn)化設(shè)備耦合，所以也無“壓水堆”、“沸水堆”之分。堆芯核燃料為氧化鈾芯塊，包殼采用耐高溫的高強度鎳合金或不銹鋼。同時超臨界水冷堆也引入了非能動安全性。

《中國核電》：超臨界水冷堆有哪些優(yōu)點?

彭士祿：超臨界水冷堆具有安全性、高效性、經(jīng)濟性、可持續(xù)發(fā)展等多方面優(yōu)點。

      首先，超臨界水冷堆具有固有安全性，無論發(fā)生什么故障都可以得到安全控制，它的幾個輔助安全系統(tǒng)完全可以利用我國引進的AP1000第三代核電站的非能動技術(shù)。

      其次，超臨界水冷堆采用水作為慢化劑和冷卻劑。水是易取得和便宜的物質(zhì)，且其化學(xué)物理性質(zhì)清楚，便于應(yīng)用。超臨界水冷堆在250個大氣壓下工作，其出口溫度可達500℃以上，所以可將目前壓水堆核電站的凈熱效率從33％左右提高44％以上。由于熱效率提高了10％以上，可節(jié)省核燃料25％左右，即3個百萬千萬級壓水堆的核裝料可裝配4個百萬千萬級的超臨界水冷堆。

      第三，超臨界水冷堆具有靈活性，在一些技術(shù)上可以充分利用我國超臨界火電廠的技術(shù)，比如，將反應(yīng)堆代替超臨界鍋爐即為超臨界核電廠。我國目前已經(jīng)建成超臨界和超超臨界火電機組40多個，單機容量30萬、50萬、80萬、90萬、100萬千瓦的都有，這說明我國的超臨界技術(shù)已經(jīng)很成熟了，完全可以用在超臨界水冷堆上。此外超臨界水冷堆的堆芯緊湊化布置，很容易轉(zhuǎn)

化為快中子堆，這也體現(xiàn)了它的靈活性。

      第四，超臨界水冷堆在節(jié)省材料方面也有優(yōu)勢。它的一回路系統(tǒng)最為簡化，取消了壓水堆中的主蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主循環(huán)泵等，由超臨界水經(jīng)過減壓后直接向主汽輪機供氣，所以節(jié)省了大量堆結(jié)構(gòu)材料。

《中國核電》：請您具體介紹一下超I臨界水冷堆的經(jīng)濟性?

彭士祿：超臨界水冷堆在經(jīng)濟性上具有很強的競爭力，這也是GIF優(yōu)先研發(fā)它的主要原因之一。據(jù)GIF估計，一座百萬千萬級的超臨界水冷堆核電站造價約為900美元每千乩，電價約為2．9美分每千瓦時。目前我國在建的核電站：方家山壓水堆核電站比投資約為13000元每千瓦，三門AP10000核電站比投資約為16000元每千瓦，高溫氣冷堆比投資約為16000元每千瓦。由此可見，超臨界水冷堆在比投資上都比上述核電站便宜，3座百萬千瓦級的壓水堆核電站的造價可以建4座百萬千瓦級的超臨界水冷堆核電站。

《中國核電》：目前，超臨界水冷堆存在哪些亟待解決的問題?

彭士祿：超臨界水冷堆優(yōu)點很多，但也有一些亟待解決的問題。如：反應(yīng)堆壓力容器的制造，堆內(nèi)構(gòu)件絕熱材料的研制，設(shè)備密封材料的研制，穩(wěn)定性分析和控制等，這些都是要解決的問題。

《中國核電》：請您介紹一下我國在第四代核能系統(tǒng)研制上的進展情況。

彭士祿：應(yīng)該說我國一直非常重視第四代核能系統(tǒng)的研發(fā)工作。如，中國原子能科學(xué)研究院的中國實驗快堆，就屬于鈉冷快堆。我們先搞實驗快堆，再發(fā)展示范快堆，然后是大型增殖經(jīng)濟驗證性快堆，繼而商用推廣；清華大學(xué)核研院已經(jīng)建成10MW的模塊式高溫氣冷堆，也是為研制第四代核能系統(tǒng)打基礎(chǔ)；此外我國在熱核聚變方面的研究也取得了很大的進展，可以說，我國核能利用的發(fā)展前景越來越廣闊。

       彭士祿，核動力專家。1927年11月生于廣東海豐，1956年畢業(yè)于蘇聯(lián)莫斯科化工機械學(xué)院，1958年修畢于莫斯科動力學(xué)院核動力專業(yè)。曾任六機部副部長兼總工程師、水電部部長、大亞灣核電站總指揮、秦山二期核電站首任董事長，現(xiàn)任中國核工業(yè)集團公司科技顧問，兼任中國核學(xué)會名譽理事長、核動力學(xué)會理事長。1994年當(dāng)選為中國工程院院士。曾獲國家科技進步特等獎、全國科技大會獎、國防科工委榮譽獎。1996年獲何梁何利技術(shù)科學(xué)獎。