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  • 第三代核电站

    第三代核电站的安全性和经济性都将明显优于第二代核电站。由于安全是核电发展的前提,世界各国除了对正在运行的第二代机组进行延寿与补充性建一些二代加的机组外,接下来新一批的核电建设重点是采用更安全、更经济的先进第三代核电机组。我国国家引进的美国非能动AP1000核电站以及广东核电集团公司引进的法国EPR核电站都属于第三代核电站。

    编辑摘要

    目录

    中国首座/第三代核电站 编辑

    2010年3月国家核电技术公司党组书记、董事长王炳华表示,世界上第一座第三代将在并网运行,届时“中美两国技术人员将向社会公众贡献一个可靠保障的反应堆”。

    第三代核电站第三代核电站

    据悉,王炳华指的是其中在浙江三门新建的AP1000核电站机组,第一台在2013年将

    并网运行。同时国家核电技术公司与美国西屋公司开始合作。截至2008年12月,国家核电已经完成了AP1000内陆核电站的总体设计、关键系统设计、关键设备的总体设计。工程进展总体顺利,两个项目共计18个里程碑节点目标完全可以实现。

    “这将是世界上第一座第三代AP1000核电站,比美国提前了两年半。”国家环保部核安全和环境专家委员会委员林诚格接受媒体采访时表示。

    针对人们质疑中国在此次工程合作中的作用有多大时,王炳华提出了反驳。首先,在未来合同执行中,中国政府将派1000人到美国西屋公司,与美国西屋公司共同参与研发和设计;其次,到目前为止中国有近80名工程技术人员正在西屋公司从事相关领域的工程设计;已与美国西屋公司签署了LPP——进一步发展核能的框架合作协议。

    分类/第三代核电站 编辑

    第一代

    核电站核电站

    自50年至60年代初苏联、美

    国等建造的第一批单机容量在300MWe左右的核电站,如美国的希平港核电站和英第安角1号核电站,法国的舒兹(Chooz)核电站,德国的奥珀利海母(Obrigheim)核电站,日本的美浜1号核电站等。第一代核电厂属于原型堆核电厂,主要目的是为了通过试验示范形式来验证其核电在工程实施上的可行性。

    第二代

    第三代核电站第三代核电站

    上世纪70年代,因石油涨价引发的能源危机促进了核电发展,

    世界上商业运行的400多台机组大部分在这段时期建成,称为第二代核电机组。第二代核电厂主要是实现商业化、标准化、系列化、批量化,以提高经济性。自60年代末至70年代世界上建造了大批单机容量在600-1400MWe的标准化和系列化核电站,以美国西屋公司为代表的Model 212(600MWe,两环路压水堆,堆芯有121合组件,采用12英尺燃料组件)、Model 312(1000MWe,3环路压水堆,堆芯有157盒组件,采用12英尺燃料组件,),Model 314 (1040MWe,3环路压水堆,堆芯有157盒组件,采用14英尺燃料组件),Model 412(1200MWe,4环路压水堆,堆芯有193盒组件,采用12英尺燃料组件,)、Model 414(1300MWe,4环路压水堆,堆芯有193盒组件,采用14英尺燃料组件)、System80(1050MWe,2环路压水堆)以及一大批沸水堆(BWR)均可划入第二代核电站范畴。法国的CPY,P4,P4′?也属于Model 312,Model 414一类标准核电站。日本、韩国也建造了一批Model 412、BWR、System80等标准核电站。

    第二代核电站是世界正在运行的439座核电站(2007年9月统计数)主力机组,总装机容量为3.72亿千瓦。还共有34台在建核电机组,总装机容量为0.278亿千瓦。在三里岛核电站和切尔诺贝利核电站发生事故之后,各国对正在运行的核电站进行了不同程度的改进,在安全性和经济性都有了不同程度的提高。

    不过如今,从事核电的专家们对第二代核电站进行了反思,当时认为发生堆芯熔化和放射性物质大量往环境释放这类严重事故的可能性很小,不必把预防和缓解严重事故的设施作为设计上必须的要求,因此,第二代核电站应对严重事故的措施比较薄弱。

    第三代

    第三代核电站第三代核电站

    对于第三代核电站类型有各种不同看法。

    美国核电用户要求文件(URD)和欧洲核电用户要求文件(EUR)提出了下一代核电站的安全和设计技术要求,它包括了改革型的能动(安全系统)核电站和先进型的非能动(安全系统)核电站,并完成了全部工程论证和试验工作以及核电站的初步设计,它们将成为下一代(第三代)核电站的主力堆型。

    第四代

    第四代核能第四代核能

    第四代核能系统概念(有

    别于核电技术或先进反应堆),最先由美国能源部的核能、科学与技术办公室提出,始见于1999年6月美国核学会夏季年会,同年11月的该学会冬季年会上,发展第四代核能系统的设想得到进一步明确; 2000年1月,美国能源部发起并约请阿根廷、巴西、加拿大、法国、日本、韩国、南非和英国等9个国家的政府代表开会,讨论开发新一代核能技术的国际合作问题,取得了广泛共识,并发表了“九国联合声明”。随后,由美国、法国、日本、英国等核电发达国家组建了“第四代核能系统国际论坛(GIF)”,拟于2-3年内定出相关目标和计划;这项计划总的目标是在2030年左右,向市场推出能够解决核能经济性、安全性、废物处理和防止核扩散问题的第四代核能系统(Gen-IV)。

    第四代核能系统将满足安全、经济、可持续发展、极少的废物生成、燃料增殖的风险低、防止核扩散等基本要求。

    世界各国都在不同程度上开展第四代核电能系统的基础技术和学课的研发工作。

    第四代核电能系统包括三种快中子反应堆系统和三种热中子反应堆系统:

    第四代核能系统
    代号
    中子能谱
    燃料循环
    钠冷快堆系统(Sodium Cooled Fast Reactor System)
    SFR
    闭式
    铅合金冷却快堆系统(Lead Alloy-Cooled Fast Reactor System)
    LFR
    闭式
    气冷快堆系统(Gas-Cooled Fast Reactor System)
    GFR
    闭式
    超高温堆系统(Very High Temperature Reactor System)
    VHTR
    一次
    超临界水冷堆系统(Supercritical Water Cooled Reactor System)
    SCWR
    热和快
    一次/闭式
    熔盐堆系统(Molten Salt Reactor System)
    MSR
    闭式

    特点/第三代核电站 编辑

    第三代核电站第三代核电站

    世界各国在回顾三十余年第二代核电站的建造和运行经验,尤其总结了美国三哩岛核电站和切尔诺贝利核电站事故的经验教训之后,为使今后建造的核电站在安全性、经济性、安全审评稳定性以及保护核电业主投资等方面有大的改进,首

    先是美国电力公司发起建立先进轻水堆(ALWR)设计的技术基础,为设计美国下一代先进轻水堆(ALWR),推行一项先进轻水堆ALWR计划,编制了一份美国核电用户要求文件(URD),继而欧洲10家核电公司也编写了欧洲核电用户要求(EUR)文件。

    URD和EUR规范了第三代核电站的设计技术基础,其要点如下:

    1)ALWR计划的目标:为未来的ALWR提供一整套设计的综合要求、稳定的审批基准、支持ALWR电厂的发展。

    2)ALWR 的14条政策:简单化、设计裕量、人因、安全、设计基准与安全裕量、管理稳定性、标准化、成熟技术、可维护性、可建造性、质量保证、经济性、预防人为破坏、睦邻友好。

    3)ALWR高层安全设计要求,其要点如下:

    抗事故能力:所有工况下都具有负的功率反应性系数、采用最好的材料及水质、改进的人机界面系统、采用成熟的诊断监测技术、须留给操纵员足够的时间(30分钟或更长时间)来防止设备的损坏及防止导致较长停堆的电厂工况等。

    防止堆芯损坏:防止堆芯损坏的专设安全系统应满足执照设计基准要求及安全裕量基准、堆芯损坏频率小于1×10-5/堆年等。

    缓解事故能力:坚固而大容积的安全壳和相应的专设安全系统;采用现实源项分析;控制可燃氢气的浓度;在累积发生频率大于10-6/堆年的严重事故条件下,在厂址边界处(离开反应堆大约0.5英里),公众个人的全身剂量小于25雷姆等要求。

    4)第三代压水堆核电站有两种类型:改进型电厂(如EPR)和非能动型电厂(如 AP1000)。URD对两种类型的核电厂又分别提出了专用要求,其要点如下:

    改进型核电厂:更简化的专设安全系统;至少有两条隔离的和独立的交流电源与电网相连;至少三十分钟时间内,不考虑操纵员的干预;在丧失全部给水,至少在2小时内不应有燃料损坏;在丧失厂内外交流电源的8小时内,燃料没有损坏等。

    非能动型核电厂:不要求安全相关的交流电源;至少72小时内,不需要操作员干预;严重事故条件下,安全壳有足够的设计裕量;不需要厂外应急计划等。

    以上概括了第三代核电站的特点,我国国家引进的美国非能动AP1000核电站属于第三代核电站的非能动型核电厂,广东核电集团公司引进的法国EPR核电站属于第三代核电站的改进性核电厂。AP1000和EPR基本上都满足了上述URD和EUR的相关要求。

    型号分类/第三代核电站 编辑

    AP1000

    AP1000 是由美国西屋公司开发的先进的非能动的压水堆(Advanced Passive PWR) 。

    2002年3月,美国核管会已经完成AP1000设计的预认证审查(Pre-certification Review),AP600有关的试验和分析程序可以用于AP1000设计。2004年12月获得了美国核管会授予的最终设计批准。

    AP1000 为单堆布置两环路机组,电功率1250MWe,设计寿命60年,主要安全系统采用非能动设计,布置在安全壳内,安全壳为双层结构,外层为预应力混凝土,内层为钢板结构。

    EP1000

    1994年,欧洲用户集团会同西屋公司及其工业合作伙伴GENESI(一个意大利企业集团,包括ANSALDO和FIAT),启动了一项名为 EPP(欧洲非能动型核电站)的计划,以评估西屋公司非能动核电站技术在欧洲的应用前景。已完成以下主要工作:(1)评估了欧洲用户要求(EUR)对西屋核岛设计的影响;(2)确定了满足EUR的1000MWe级非能动核电站的基准设计(EP1000),并期望在欧洲获得设计许可。对于安全系统和安全壳,基准电站设计基本上采用了西屋公司简化压水堆(SPWR)的设计,而在EP1000基准设计中的辅助系统设计部分,则是根据AP600进行设计的。但是,EP1000同样具有满足EUR和欧洲取证许可要求的特点

    技术差异/第三代核电站 编辑

    第三代核电站第三代核电站

    美国、法国、俄罗斯等国都是在吸取20年前的切尔诺贝利严重事故的惨痛教训后,认识到预防和缓解严重事故的极端重要性,花大力气进行研究开发预防和缓解严重事故的对策和措施,经过了十多年的努力,才达到了工程应用的程度。为此,国际原子能机构颁发了新的安全法规(第二版)对预防和缓解严重事故提出了严格要求,我国国家核安全局也颁布了新的安全法规,对预防和缓解严重事故提出了新的要求。

    第二代核电技术在安全上不满足国际原子能机构安全法规(第二版)对预防和缓解严重事故的要求,也不符合我国新颁布的安全法规对预防和缓解严重事故的要求,当然也不满足URD和EUR的要求,但第三代核电技术能满足这些要求的。这是第二代核电核电站与第三代核电站在技术上的主要差异。

    例如AP1000和EPR的堆芯损坏频率(CDF)分别为5.0894×10-7和1.18×10-6/堆年,大量放射性释放概率分别为5.94×10-8和9.6×10-8/堆年,远比第二代核电站低一至二数量级。

    第二代核电核电站与第三代核电站技术上存在差异还体现在:先进的燃料管理技术、先进的反应堆设计技术、先进的人因工程、先进的数字化仪表控制系统和控制室、宽裕的操作员可不干预时间以及、模块化设计和建造技术等方面。

    性能比较/第三代核电站 编辑

    1、AP1000和EPR的安全系统采用了两种完全不同的设计理念

    AP1000安全系统采用 “非能动”的设计理念,更好地达到“简化”的设计方针。安全系统利用物质的自然特性:重力、自然循环、压缩气体的能量等简单的物理原理,不需要泵、交流电源、1E级应急柴油机,以及相应的通风、冷却水等支持系统,大大简化了安全系统(它们只在发生事故时才动作),大大降低了人因错误。“非能动”安全系统的设计理念是压水堆核电技术中的一次重大革新。

    EPR安全系统在传统第二代压水堆核电技术的基础上,采用“加”的设计理念,即用增加冗余度来提高安全性。安全系统全部由两个系列增加到四个系列, EPR在增加安全水平的同时,增加了安全系统的复杂性。核电站安全系统的设计基本上属于第二代压水堆核电技术,是一种改良性的变化。

    第三代核电站第三代核电站

    2、 AP1000和EPR的安全性的比较

    由于AP1000和EPR的安全系统采用了两种完全不同的设计理念AP1000 和EPR的安全性有较大的差别。

    AP1000在发生事故后的堆芯损坏频率为5.0894×10-7/堆年比EPR的1.18×10-6 /堆年小2.3倍,大量放射性释放概率为5.94×10-8/堆年也比EPR的9.6×10-8/堆年小1.6倍(而且AP1000采用的设备可靠性数据均比较保守);

    核电站发生事故后,AP1000操作员可不干预时间高达 72小时,而EPR为半小时;

    AP1000 在发生堆芯熔化事故时,能有效地防止反应堆压力容器(第二道屏障)熔穿,将堆芯放射性熔融物保持在反应堆压力容器内,使放射性向环境释放的概率降到最低;而EPR不防止反应堆压力容器熔穿,堆芯放射性熔融物暂时滞留在堆腔内,然后采取措施延缓熔融物和安全壳(第三道屏障)底板的混凝土相互作用,防止安全壳底板熔穿。

    AP1000的人因失误占堆熔频率的7.74%,共因失效占堆熔频率的57%,而EPR分别为29%和94%,AP1000 明显优于EPR。

    3、 成熟性

    AP1000的最大特点是安全系统采用了非能动技术,西屋公司为此做过大量试验、计算和验证工作,这些试验结果已全部被美国核管会接受,非能动安全系统已达到成熟性的要求。反应堆和反应堆冷却剂系统设计采用与第二代核电站相似的成熟技术。AP1000的冷却剂屏蔽电机泵的功率比过去屏蔽电机泵产品都大,属于首次设计的大型泵,但它们的功率已相当接近。 EMD屏蔽电机泵制造厂EMD公司有丰富的制造经验,生产过大量(约1500台)不同功率、不同尺寸的屏蔽泵用于军工、早期的核电站和其他工业部门,取得了很好的使用业绩,设计和制造技术是成熟、可信的。可以说,AP1000屏蔽电机泵主要问题是加快首台泵制造进度和进行工程性验证。

    EPR 最大特点是加大反应堆的热功率以及增加安全系统的冗余度和多样性。设计理念是成熟的;EPR加大了反应堆的热功率和尺寸,主要设备(反应堆压力容器、堆内构件、蒸汽发生器和主冷却剂泵等)都加大了容量和尺寸。但一些主要核设备(反应堆压力容器和堆内构件、蒸汽发生器、主冷却剂泵等)的试验还未完成,都有待在试验台架上和现场进行工程性试验和验证。

    两者的成熟性比较是不相上下的。

    4、经济性

    AP1000 安全系统采用非能动的理念,安全系统配置简化、安全支持系统减少、安全级设备和抗震厂房减少、IE级应急柴油机系统和很多能动设备被取消,以及大宗材料需求明显降低。AP1000的安全系统及其设备数量得到大量的减少,例如AP1000的安全级泵和阀门分别为6台(包括4台主泵)和599台,EPR则为 88台和7000台。再加上模块化设计和建造新技术的采用,由此派生出了设计简化、系统设置简化、工艺布置简化、施工量减少、工期缩短以及运行方便、维修简单等一系列效应。从长远观点来看, AP1000不仅使安全性能得到显着提高,而且费用和长期的运行费用也得到明显降低,在经济上也具有较强的竞争力。这种优势在批量建造若干台(譬如8至 10台)后AP1000核电机组将会越来越明显。

    EPR是通过增加安全系统冗余度和系统配置来提高安全性;但由于单机容量大,厂址利用率高,提高了它的经济性。

    5、安全审评

    AP1000安全审评情况:西屋公司于2002年3月28日向美国核管会提交AP1000 标准设计的“标准设计证书”申请,该申请包括AP1000设计控制文件、PSA报告等。美国核管会 于 2002年7月25受理该申请,并据联邦法规10 CFR Part 52 及相关法规、严重事故政策等进行了审评,于2004年9月正式发布了“最终安全评价报告(FSER)”。9月23日,西屋公司获得了NRC 关于AP1000 的最终设计批准书(FDA)。根据美国有关法律举行听证会后,NRC 于2005年12月30日向西屋公司颁发了AP-1000 标准设计的“标准设计证书”。

    EPR的安全审评情况:芬兰已从法国引进EPR, 在芬兰建造OL3 核电厂。芬兰核安全当局已完成EPR 初步安全分析报告的审评,并于2005年2月17日颁发“OL3 核电厂建造许可证”。据称芬兰核安全当局已把审评中未关闭的问题列入建造许可证条件。

    根据掌握的资料,结合初步工程判断,AP1000或EPR在核安全许可证申请和审评中,不会出现重大问题。

    在中国/第三代核电站 编辑

    背景

    迄今为止,中国所有的核电站都是建在沿海。中国能不能将核电站建在内陆?郁祖盛给记者举出了一个数据:“全世界430个核电站中,70%以上在内陆。前苏联的压水堆型核电站是100%,美国是75.7%。而AP1000本来就是为建在内陆而设计的。”

    由于罕见的低温雨雪冰冻灾害,导致电缆被压跨、铁路运输被迫中断、火电厂缺乏燃料被迫停工,令人“触目惊心”。加之,随着我国中西部地区的经济发展和社会进步,能源供应能力和日益增长的需求之间的矛盾不断加剧,以及我国节能减排和保护环境面临的巨大压力,也促使国家下定决心在内陆地区建核电站。江西、湖南、湖北等都在计划之列。

    发展进程

    中国政府从2003年起,就开始启动了第三代核电技术的招标工作。在诸多国际竞标者中,美国西屋联合体以最先进的第三代先进压水堆核电技术(AP1000)胜出。据称,与美国西屋联合体的一系列谈判都是由国家核电(筹)来进行的。

    2006年12月16日,中美签署两国政府《关于在中国合作建设先进压水堆核电项目及相关技术转让的谅解备忘录》,标志着我国正式决定引进 AP1000作为我国第三代核电站的主力堆型。2007年7月24日,三代核电自主化依托项目核岛合同在北京签署,全球首台AP1000核电机组落户浙江三门核电站

    中国购买美国4台先进的AP1000核电机组,美方同时转让AP1000设计技术、设备制造和成套技术、建造技术等先进的核电技术,中方将完全拥有在引进AP1000核电技术基础上改进和开发的、输出功率大于135万千瓦的、大型非能动核电站的知识产权。

    最终,国家核电于2007年7月24日,与美国西屋联合体正式签订了4台AP1000机组合同。合同执行情况良好,技术转让工作正有序开展。林诚格相信,“经过4台机组的消化吸收,中国就能实现AP1000技术的自主化、国产化。”

    2007年,中国决定走“引进、消化、吸收、再创新”路子,引进美国西屋公司三代AP1000核电技术,并成立了国家核电技术公司,作为技术引进、工程建设和自主化发展的主要载体和研发平台。已有浙江三门、山东海阳两个依托项目开工建设。国家核电技术公司在充分消化吸收AP1000设计技术基础上进行的CAP1000初步设计已通过公司专家审查。

    2012年9月26日,中国国家电监会透露,中国也在积极推进三代核电机组建设。

    2017年7月3日,备受业内关注的中国引进三代核电AP1000全球首堆——三门核电站1号机组,即将迎来具有标志性意义的工程时刻。据澎湃新闻了解,目前三门1号机组的热试工作已全部结束,且达到了预期目标,计划在7月底前实现装料。装料是核电工程中有核试验和无核试验的分界点,标志着三门1号机组即将进入带核调试阶段,为后续并网发电奠定基础。[1]

    降温系统

    山东海阳核电站山东海阳核电站

    我国自主创新的第三代核电项目

    正在浙江三门核电站和山东海阳核电站进行建设,和正在运行发电的第二代核电机组相比,预防和缓解堆芯熔化成为设计上的必须要求,而这一点也正是作为第二代核电站的福岛核电站事故中暴露出来的弱点。据悉,我国第三代核电站将装备有蓄水池,这样的“大水箱”在紧急情况下能释放出大量的水,从而达到降温等应急需求。

    通过总结经验教训,美国、欧洲和国际原子能机构都出台了新规定,把预防和缓解严重事故作为设计上的必须要求,满足以上要求的核电站称为第三代核电站。

    世界上技术比较成熟、可以据以建造第三代核电机组的设计,主要有美国的AP1000(压水堆)和ABWR(沸水堆),以及欧洲的EPR(压水堆)等型号,它们发生严重事故的概率均比第二代核电机组小100倍以上。美国、法国等国家已公开宣布,今后不再建造第二代核电机组,只建设第三代核电机组。而我国有13台第二代核电机组正在运行发电,未来重点放在建设第三代核电机组上,并开发出具有我国自主知识产权的中国品牌的第三代先进核电机组。为此,国务院决定以浙江三门和山东海阳两个核电项目作为第三代核电自主化依托工程,建设4套第三代AP1000压水堆核电机组。国家中长期科技发展规划纲要已将“大型先进压水堆核电站”列为重大专项。

    AP1000主管道已实现国产化/第三代核电站 编辑

    AP1000是美国西屋公司开发的一种双环路和百万千瓦级的先进压水堆核电机组,其反应堆一回路由1台反应堆压力容器、1台稳压器、2台大容量的蒸汽发生器、4台屏蔽式主泵、4条冷段和2条热段管道组成。由于主泵入口直接和蒸汽发生器下封头焊接在一起,取消了第二代反应堆中蒸汽发生器与主泵入口之间的U型连接管道;同时,通过对主管道简化设计,减少了焊缝和支撑。AP1000是在AP600的基础上适当改进的结果,机组采用单堆布置方式,为了达到更高的电站功率,一方面加大了核蒸汽供应系统主要部件的尺寸,包括增加反应堆压力容器的高度、堆芯长度,另一方面增大蒸汽发生器、稳压器、汽轮机的尺寸和容量以及燃料组件的数目。目前国内的两座AP1000核电站主管道全部由烟台台海玛努尔核电设备股份有限公司提供,烟台台海玛努尔核电设备股份有限公司(THM)专业致力于百万千瓦级压水堆核电厂一回路主管道的生产企业,同时提供各种类型复杂铸件,大中小型锻件及锻坯,离心管,管坯,电渣重熔与真空自耗钢锭,特种合金等。是目前全球唯一一家同时具备二代和三代核电主管道生产能力的制造企业。截止目前,公司已签订了二代半主管道16台机组、三代AP1000主管道2台机组供货合同、34套核级泵叶轮供货合同

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    参考资料
    [1]^引用日期:2017-07-04

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