展望第四代核能系統(tǒng)之一：超臨界水冷堆
——專(zhuān)訪彭士祿院士

本刊記者 李照煦 衛(wèi)廣剛

展望第四代核能系統(tǒng)之一：超臨界水冷堆
——專(zhuān)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(lái)，世界各國(guó)提出了許多新核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和核燃料循環(huán)方案。2001年，美國(guó)、法國(guó)、日本等10個(gè)國(guó)家組成了“第四代國(guó)際核能論壇”（簡(jiǎn)稱(chēng)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(jì)性、可持續(xù)發(fā)展、防核擴(kuò)散等方面都有顯著的先進(jìn)性和競(jìng)爭(zhēng)力。2002年，GIF在法國(guó)巴黎舉行研討會(huì)，選定了6種堆型作為第四代核能系統(tǒng)優(yōu)先研發(fā)對(duì)象，這其中就包括超臨界水冷堆。近日，本刊記者就相關(guān)問(wèn)題專(zhuān)訪了彭士祿院士。

彭士祿，核動(dòng)力專(zhuān)家。1925年11月生于廣東海豐，1956年畢業(yè)于蘇聯(lián)莫斯科化工機(jī)械學(xué)院，1958年修畢于莫斯科動(dòng)力學(xué)院核動(dòng)力專(zhuān)業(yè)。曾任六機(jī)部副部長(zhǎng)兼總工程師、水電部副部長(zhǎng)、大亞灣核電站總指揮、秦山二期核電站首任董事長(zhǎng)，現(xiàn)任中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司科技顧問(wèn)，兼任中國(guó)核學(xué)會(huì)名譽(yù)理事長(zhǎng)、核動(dòng)力學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)。1994年當(dāng)選為中國(guó)工程院院士。曾獲國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)、全國(guó)科技大會(huì)獎(jiǎng)、國(guó)防科工委榮譽(yù)獎(jiǎng)。1996年獲何梁何利技術(shù)科學(xué)獎(jiǎng)。

《中國(guó)核電》：GIF是一個(gè)什么樣的組織？

彭士祿：G I F是“第四代國(guó)際核能論壇”的簡(jiǎn)稱(chēng)，英文全稱(chēng)是Generation Ⅳ Nuclear Energy International Forum。它是2001年1月，在美國(guó)能源部的倡議下，由美國(guó)、法國(guó)、日本、英國(guó)、加拿大、阿根廷、南非、巴西、韓國(guó)、瑞士等10個(gè)國(guó)家專(zhuān)家聯(lián)合組成的，目標(biāo)是在2030年或更早一些時(shí)間創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)出第四代核能系統(tǒng)，使其在安全性、經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)發(fā)展、防擴(kuò)散等方面都有顯著的先進(jìn)性和競(jìng)爭(zhēng)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)，組成完整的核能利用系統(tǒng)。

《中國(guó)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(duì)象？

彭士祿：2002年5月，GIF在法國(guó)巴黎舉行研討會(huì)，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(duì)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，Veryhigh-temperature gas-cooled Reactor）、熔鹽堆（MSR，Molten Salt Reactor），快中子堆包括鈉冷快堆（SFR，Sodium-cooled fast Reactor）、鉛冷快堆（LFR，Lead-cooled fast Reactor）、氣冷快堆（GFR，Gas-cooled fast Reactor）。

《中國(guó)核電》：GIF有沒(méi)有具體的實(shí)施計(jì)劃？

彭士祿：有。GIF已經(jīng)提出了從概念設(shè)計(jì)到商用實(shí)施的“路線(xiàn)圖”，具體需要經(jīng)過(guò)4個(gè)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(kāi)發(fā)和優(yōu)化，使其性能達(dá)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(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)。

第四步:商用實(shí)施，即規(guī)模性的建造商用堆。

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

《中國(guó)核電》：請(qǐng)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(diǎn)（374 ℃，22.1 MPa）以上運(yùn)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(shí)也簡(jiǎn)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(wú)“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(qiáng)度鎳合金或不銹鋼。同時(shí)超臨界水冷堆也引入了非能動(dòng)安全性。

《中國(guó)核電》：超臨界水冷堆有哪些優(yōu)點(diǎn)？

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

首先，超臨界水冷堆具有固有安全性，無(wú)論發(fā)生什么故障都可以得到安全控制，它的幾個(gè)輔助安全系統(tǒng)完全可以利用我國(guó)引進(jìn)的AP1000第三代核電站的非能動(dòng)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(gè)大氣壓下工作，其出口溫度可達(dá)500 ℃以上，所以可將目前壓水堆核電站的凈熱效率從33%左右提高到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(gè)百萬(wàn)千萬(wàn)級(jí)壓水堆的核裝料可裝配4個(gè)百萬(wàn)千萬(wàn)級(jí)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(guó)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(guó)目前已經(jīng)建成超臨界和超超臨界火電機(jī)組40多個(gè)，單機(jī)容量30萬(wàn)、50萬(wàn)、80萬(wàn)、90萬(wàn)、100萬(wàn)千瓦的都有，這說(shuō)明我國(guó)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(shì)。它的一回路系統(tǒng)最為簡(jiǎn)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(guò)減壓后直接向主汽輪機(jī)供氣，所以節(jié)省了大量堆結(jié)構(gòu)材料。

《中國(guó)核電》：請(qǐng)您具體介紹一下超臨界水冷堆的經(jīng)濟(jì)性？

彭士祿：超臨界水冷堆在經(jīng)濟(jì)性上具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，這也是GIF優(yōu)先研發(fā)它的主要原因之一。據(jù)GIF估計(jì)，一座百萬(wàn)千萬(wàn)級(jí)的超臨界水冷堆核電站造價(jià)約為900美元每千瓦，電價(jià)約為2.9美分每千瓦時(shí)。目前我國(guó)在建的核電站:方家山壓水堆核電站比投資約為13 000元每千瓦，三門(mén)AP1000核電站比投資約為16 000元每千瓦，高溫氣冷堆比投資約為16 000元每千瓦。由此可見(jiàn)，超臨界水冷堆在比投資上都比上述核電站便宜，3座百萬(wàn)千瓦級(jí)的壓水堆核電站的造價(jià)可以建4座百萬(wàn)千瓦級(jí)的超臨界水冷堆核電站。

《中國(guó)核電》：目前，超臨界水冷堆存在哪些亟待解決的問(wèn)題？彭士祿：超臨界水冷堆優(yōu)點(diǎn)很多，但也有一些亟待解決的問(wèn)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(wèn)題。

《中國(guó)核電》：請(qǐng)您介紹一下我國(guó)在第四代核能系統(tǒng)研制上的進(jìn)展情況。

彭士祿：應(yīng)該說(shuō)我國(guó)一直非常重視第四代核能系統(tǒng)的研發(fā)工作。如，中國(guó)原子能科學(xué)研究院的中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆，就屬于鈉冷快堆。我們先搞實(shí)驗(yàn)快堆，再發(fā)展示范快堆，然后是大型增殖經(jīng)濟(jì)驗(yàn)證性快堆，繼而商用推廣；清華大學(xué)核研院已經(jīng)建成10 M W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(guó)在熱核聚變方面的研究也取得了很大的進(jìn)展，可以說(shuō)，我國(guó)核能利用的發(fā)展前景越來(lái)越廣闊。