國外主流第三代核反應堆技術(shù)發(fā)展情況

導讀：第三代核反應堆是對第二代的進一步改進和優(yōu)化，強調(diào)安全性和事故應急響應能力。目前國外第三代反應堆供應國包括美國、法國、俄羅斯、韓國和日本。典型堆型如美國AP1000、法國EPR、俄羅斯VVER-1200及VVER TOI。下面主要介紹市場上國外主流或典型第三代(+)核反應堆技術(shù)的發(fā)展情況。

從21世紀開始，美國西屋電氣（簡稱西屋（Westinghouse））公司繼續(xù)押注于壓水堆設計，開發(fā)了第三代設計AP1000、2回路1150MWe壓水堆，利用自然力和簡單的設計來增強電廠安全和運營，降低建設成本。AP1000的設計繼續(xù)使用經(jīng)過驗證的組件，以及AP600設計固有的安全性和簡單性。AP600設計是西屋電氣最初啟動的第三代壓水堆設計，但對該設計缺乏競爭力的預測促使該公司開發(fā)了AP1000。

AP1000設計具有先進的非能動安全特性，其主要安全系統(tǒng)，如余熱排出系統(tǒng)、安注系統(tǒng)、安全殼冷卻系統(tǒng)等，均采用非能動設計，系統(tǒng)簡單，不依賴交流電源，顯著提高安全殼的可靠性，安全裕度大。AP1000在建造中大量采用模塊化建造技術(shù)。整個電廠共分4種模塊類型，包括結(jié)構(gòu)模塊122個、管道模塊154個、機械設備模塊55個和電氣設備模塊11個。

AP1000核反應堆技術(shù)特點

AP1000采用的模塊化設計結(jié)構(gòu)

目前有五臺AP1000機組投入商業(yè)運營，其中兩臺位于中國浙江三門，兩臺位于中國山東海陽，一臺位于美國佐治亞州沃格特勒(Vogtle)核電站。

AP1000核反應堆是第三代+(GenIII+)核能技術(shù)，具有完全的非能動安全系統(tǒng)、模塊化結(jié)構(gòu)設計等突出特點，并且是市場上每兆瓦(MWe)占地面積最小的反應堆。在美國Vogtle核電站建造了兩臺機組(3號和4號機組)，3號AP1000機組已開始為電網(wǎng)發(fā)電，而4號機組則正在準備初始燃料裝載，預計將在2023年第四季度或2024年初進行商業(yè)運營。目前，在中國已投運的四臺AP1000機組正在創(chuàng)造運行性能記錄，另外六座反應堆正在建設中。波蘭為其首個核能計劃選擇了AP1000技術(shù)建設三臺機組，而烏克蘭則致力于開發(fā)九臺機組。保加利亞正計劃建造一臺機組，同時，中歐、東歐、英國和美國的多個廠址也正在考慮采用西屋AP1000技術(shù)。

山東海陽核電站

Vogtle 3號機組(美國30多年來第一個新的核電建設項目)

法國法馬通EPR

EPR是第三代+壓水堆設計核反應堆，已經(jīng)獲得法國、英國、芬蘭和中國四個國家公認的核能機構(gòu)的許可，主要由法國的法馬通(Framatome)(2001年至2017年隸屬于法國阿海琺(Areva)，現(xiàn)隸屬于EDF)和法國電力集團(EDF)以及德國的西門子設計和開發(fā)。在歐洲，這種反應堆設計被稱為“歐洲加壓反應堆”(European Pressurised Reactor，EPR)，國際化名稱為“進化動力反應堆”(Evolutionary Power Reactor)，但現(xiàn)在簡稱為“EPR”。

EPR為單堆布置四環(huán)路機組，電功率1650MWe，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(nèi)層為預應力混凝土。EPR的燃料費用將以高平均燃耗(60GWD/T)方法來降低，采用5%濃縮鈾燃料。后期改進堆型還考慮了钚的利用(即MOX燃料，氧化鈾與钚的混合燃料，可達堆芯的50%)。EPR設計壽命為60年，換料停堆時間為17天。

EPR主要安全特征

目前有3臺EPR的機組建造中、3臺開始商業(yè)運轉(zhuǎn)。

第一個投入運營的EPR單元是中國廣東臺山1號機組，于2018年12月開始商業(yè)運營。臺山2號于2019年9月開始商業(yè)運營。迄今為止，歐洲工廠一直受到長期施工延誤和成本大幅超支的困擾。第一臺開工建設的EPR機組位于芬蘭奧爾基洛托(Olkiluoto)，原定于2009年投入運行，但直到2023年4月16日Olkiluoto 3號機組才開始正式商業(yè)運營，推遲了14年。第二臺在法國弗拉芒維爾(Flamanville)開工建設的EPR(Flamanville 3號)機組也面臨著長達十年的調(diào)試延遲(從2013年到2024年)。英國欣克利角C(Hinkley Point C)的兩臺機組于2016年9月獲得最終批準;第一臺機組預計將于2027年開始運營。

EDF已經(jīng)承認在建設EPR設計方面存在嚴重困難。2015年9月，EDF表示正在研究“新模型”EPR(后來命名為EPR2)的設計，并且建造起來會更容易、更便宜。2022年2月，法國政府宣布重啟核電計劃，計劃到2050年新建六座第三代壓水反應堆(EPR2)，并對再建八座核反應堆進行可行性研究。另外，EDF正在開發(fā)EPR2的較小型號，使用三個而不是四個冷卻劑回路，產(chǎn)生1200MWe凈功率，即EPR1200，旨在用于出口。EPR1200完全基于經(jīng)過充分驗證的EPR設計，受益于EPR在1200MWe(而不是1650MWe)功率輸出下的穩(wěn)健性，具有最高的安全標準以及優(yōu)化的技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境性能。EPR1200是完全歐洲制造的III+代核反應堆。它經(jīng)過專門設計，以滿足各種監(jiān)管、電廠和電網(wǎng)條件，同時將其價值鏈重點集中在歐洲。

EDF預測，到2050年全球可能會有超過30座EPR反應堆。

法國政府計劃2050年前建造新核動力電站

俄羅斯國家原子能公司VVER系列

俄羅斯國家原子能公司(Rosatom)主要有兩種第三代+壓水堆設計，即VVER-1200(又稱AES 2006)和VVER-1300(又稱VVER TOI)。

VVER-1200是俄羅斯國家原子能公司在擁有多年運行經(jīng)驗的VVER-1000設計基礎上研發(fā)的一種1200MWe壓水堆設計，建造周期約54個月，使用壽命預計60年。這種設計的主要特色包括設計簡單，擁有4條回路，并采用了非能動安全系統(tǒng)等。

VVER-1200設計是VVER設備系列中的最新發(fā)展。它滿足第三代+核電站的所有國際安全要求。VVER-1200由俄羅斯國家原子能公司下屬的工程公司——莫斯科研究所和圣彼得堡原子能設計院(Atomenergoproekt)——建設，并由位于波多利斯克(Podolsk)的俄羅斯水壓試驗設計局(Gidropress)設計。

前四臺機組已在俄羅斯列寧格勒二期核電站和新沃羅涅日二期核電站(各兩臺)建成并投運。更多采用VVER-1200/491型的反應堆(如列寧格勒二期設計)已計劃并正在建設中(如加里寧格勒和下諾夫哥羅德核電站)。安裝在新沃羅涅日二期核電站的VVER-1200/392M型也被選用于謝韋爾斯克(Seversk)、中央(Zentral)和南烏拉爾(South-Urals)核電站。俄還計劃在庫爾斯克核電站建造兩臺VVER-1200機組。

2012年7月，俄羅斯與白俄羅斯達成協(xié)議，在奧斯特羅韋茨核電站建造兩臺VVER-1200/V-491型機組。2020年11月，白俄羅斯的第一座VVER-1200核反應堆并網(wǎng)。這兩臺V-491機組是在俄羅斯以外建造的第一批VVER-1200。第二座反應堆的燃料裝載于2021年12月開始，并于2023年5月開始并網(wǎng)發(fā)電。

2015-2017年，埃及與俄羅斯達成協(xié)議，在其埃爾達巴核電站建設四臺VVER-1200/529型號機組。2022年7月埃及澆筑了1號機組與安全相關(guān)的混凝土。2022年10月，埃及核與輻射管理局(ENRRA)批準了2號機組的建設，同年11月19日開始建設。2023年5月3日，3號機組正式開工建設。

此外，兩臺由俄羅斯設計的VVER-1200/V-392M機組正在孟加拉盧普爾(Rooppur)建造。1號機組于2017年11月開工建設，2號機組隨后于2018年7月開工建設。這兩個機組預計將在2023年和2024年并入國家電網(wǎng)。

2019年3月7日，中國核工業(yè)集團公司與Atomstroyexport簽署了建造四臺VVER-1200/V-491的詳細合同，包括田灣7、8號機組及徐大堡3、4號機組。建設于2021年5月開始，所有機組預計在2026年至2028年期間投入商業(yè)運營。

土耳其阿庫尤核電站正在建造四臺基于新沃羅涅日核電站VVER-1200/V-392M設計的VVER-1200/509型機組。印度庫丹庫拉姆核電3～6號機組采用VVER-1200機組機型，其中3、4號機組于2017年開工，計劃于2023年完工，5、6號機組于2021年開工，計劃于2027年完工。

圖表：土耳其正在建造的用于阿庫尤核電站的VVER-1200反應堆

資料來源：世界核協(xié)會(WNS)

VVER-1300(VVER TOI)是在對VVER-1200設計進行改進和優(yōu)化的基礎上發(fā)展起來的，主要特征如下：

裝機容量略有增加，達到1225-1300MWe(名義容量為1300MWe),改進的非能動安全系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

造價更低(降低約20%)，建造期更短(除首臺機組外，建造期為40個月)。

VVER-TOI設計旨在提高俄羅斯VVER技術(shù)在國際市場上的競爭力。它將使用VVER-1300/510壓水反應堆的建造滿足現(xiàn)代核安全和輻射安全的要求。

相對于VVER-1200，VVER-TOI主要變化是反應堆壓力容器的制造工藝改進，由VVER-1200的6道焊縫改為4道焊縫。壓力容器的鋼材也改用沒有輻照脆化限制的新型鋼材。這些變化是反應堆壽命延長到60年，堆芯燃耗深度可達70GWD/T，實現(xiàn)24月?lián)Q料的保證。熱功率3300MWt，堆芯裝載163個優(yōu)化燃料組件。蒸汽發(fā)生器更大，而且增加改進型非能動系統(tǒng)，可以實現(xiàn)停堆后72小時無需操縱員干預。

VVER-TOI的非能動安全系統(tǒng)設計

建造周期可以縮短到40個月，從而極大降低建設成本和運行成本。2009年開始設計，2012年底完成，2013年申請俄羅斯設計許可。俄羅斯打算在歐洲和美國也申請VVER-TOI的許可，從而進軍歐美市場。

庫爾斯克Ⅱ期1號和2號機組分別于2018年4月和2019年4月澆筑第一罐混凝土，是首批啟動建設的VVER-TOI機組，用于取代庫爾斯克的四臺在運RBMK機組。

小結(jié)

先進反應堆技術(shù)通常被稱為“第四代”核反應堆，現(xiàn)有的商業(yè)反應堆被稱為“第三代”或者“第三代+”。北美、日本、歐洲、俄羅斯、中國等反應堆供應商在規(guī)劃或在建的有十幾種滿足(URD、EUR)的三代核反應堆，它們在滿足用戶要求文件(URD、EUR)的基礎上，每種堆型采用不同的設計理念：如AP1000采用安全系統(tǒng)“非能動化”和簡化系統(tǒng)的設計理念;EPR采用安全系統(tǒng)增加冗余度的設計理念。這些堆型都是百萬千瓦級別、單堆布置、雙層安全殼、采用內(nèi)置換料水箱設計。除了APR1400之外其它幾種堆型在中國都有建設，而且除了VVER-1200，其它幾種堆型之間還著很深的技術(shù)淵源。