中美核电技术.pdf

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1、闲谈核电技术未来 何奎 谢菲尔德大学机械工程系 最近国际上发生几件大事，欧元急剧贬值，中国足球队表现出要冲出亚洲的样子，等等，让人应接不暇。然而最大的变化，作为井底之蛙的人类，是看不到的。那就是极端气候已经严重影响到人们的生活，迫使以前不愿意承担减排任务的美国开始考虑付出更多的努力来减排。核能显然是一种重要的减排手段，这是奥巴马 2011 喊出复兴核能的根源。然而，日本福岛核事故给他泼了瓢冷水。时至今日，不仅美国，还包括其它有核电国家都被该事故所拖累。公众谈核色变，核电计划无法继续推进。这种状况主要是由于公众对核电了解不深引起的。大家都有个常识，当你不认识一个人或事物时，就会有紧张感。关于核电

2、公众认识还是太粗浅。认为核电出事后就会死很多人，但实际上人类最严重的一次核电事故，切尔诺贝利核电事故，因为核电辐射死亡的人数只有 7000 人，死这么多人归根结底还是由于前苏联政府封锁消息，想凭大国一己之力扑灭这场灾难，反观同样是严重核事故的三里岛事件，并没有造成任何人员伤亡。需要纠正大家的一个偏见是核事故不同与核爆炸，它的发生是缓慢的，在事故扩散之前，专业人员完全有能力争取时间，让大家离开受影响的区域，日本福岛事故就是很好的例子。核电让人恐慌首要原因是其辐射影响是深远的，不仅影响当代人，也会影响下一代人。由辐射引起的疾病是广泛的，可怕的，不可治愈的。然而人类从来就不会因为经历了一场灾难而停止

3、发展的脚步，要不然就不会有今天的飞机，火车和轮船。每天都有关于上述交通工具的事故，但是人们似乎从来不认为这些东西应该停止发展。核电之所以有人反对，最根本的原因还是有其他替代能源可以用。如果别无选择人类只好背水一战。公众不了解的是，现在的核电技术还是上个世纪 50-60 年美苏争霸时期两国竞争的产物。现今的几个主要反应堆堆型，如轻水堆，金属熔融盐堆等都是这个时期提出的。苏联解体以后，美国失去了最重要的竞争对手，因此关于核技术的研究经费大量被削减，几个商业公司只从当时所提出的几个堆型里挑出一些相对技术成熟的堆型，如轻水堆，进行应用推广。在漫长的近40 年里核电技术进步缓慢。即使是这样，今天核电也发

4、展到了第三代，安全性也前所未有地提高，已对造成核事故最多原因的-人的因素进行最大防范。公众还没有意识到的是，对于别的国家，面对核电，他们还可以有选择，但是对一个有 13 亿人口的国家，我们无法对核电说不。如果 13 亿人都过上现代化的生活，多建火力发电厂,我们就会失去蓝天，新鲜空气，多建水坝，我们已经没有那么多河流，多建风电，太阳能，我们还没有富到用的起。作为一个人口如此众多的国家，发展高能量密度的核电厂，是解决减少污染排放的不二法门。最近，作为全球核电技术最强的国家，美国也觉得不该躺在过去的功劳簿上，应该大规模改进核电技术，克服其现有的弱点。美国做出这样的反应最根本的原因在于它感受到来自中国

5、的威胁。如今公众不知道的是，中国对几乎所有第四代反应堆堆型进行全面的基础研究开发。这些堆型最初是由美，英，法于 2000 年提出的，包括，超临界水冷堆（本人研究的方向），超高温气冷堆，气冷快堆，金属熔融盐堆，钠冷快堆，铅冷快堆。现在中国已经在超临界水冷堆和高温气冷堆取得了一定进展，其中高温气冷商业示范堆已经开始在山东石岛湾建设。中国进步如此之快，无不与我们的举国体制，和巨大的商业需求推动有关。今年开年，中国国家主席习近平就我国核工业创建 60 周年作出重要指示，鼓励在安全的基础上继续发展核电。山雨欲来风满楼，核电在减速 4 年后就要迎来加速发展期。然而，中国核电同行们还任重而道远。抛开技术进步

6、不说，对公众进行核电知识的宣传已经落后于发达国家，当然这与中国国情是政府强势而民众弱势有关。但是民众的自我保护意识正渐渐增强，已经到了影响核电建设的程度。2012 年，国家计划在江西彭泽县建设核电站，而遭到上游望江县反对就是个例子。本文将对中美核电技术做综合比较，懿旨让公众知道未来核电发展的方向，增强公众对核电的信心。另外一个原因，在于本人发现，中美的核电技术发展思路已经有分化，而美国的设计理念的改变是发人深思的。众所周知，美国是一个高度市场化的国家，这种市场化体现在私人引领的技术进步所占的比重很大。私人引领的技术进步往往是高度盈利的，其相关项目的特点是研发周期不是太长，投入不是太大。这就是美

7、国政府减少对核电的研究开发以后，美国核电技术就没有什么革命性突破的原因。在有更高盈利项目的时期，私人资本是不会进入研发周期长，投入大，具有高度风险的核电技术开发。然而核电发展的思路改变以后，就会改变这种局面。私人资本无法投资大型核能发电的开发实验，但是他们有能力投资小型的实验反应堆。而这正是反应堆未来发展的一个方向，即反应堆不是向大的方向发展而是向小的方向发展。现在反应堆越做越大主要是为了提高经济性，但是也带来了建设周期长，发生事故就危害大，波及范围广的问题。所谓小型反应堆，就是指发电功率 300 兆瓦以下，压力容器直径 5 米以下，相比单堆功率 1000 兆瓦的大型反应堆，体型堪比迷你。但是

8、经过计算，这种反应堆单堆发电也可供美国 45000 个家庭使用。为此，美国政府已经投入 4 亿 5 千万美元进行相关研究，这还不是重点，重点是一些私人企业，如比尔盖茨基金会，Babcock&Wilcox 公司，已经进入小型堆商业开发。美国历史经验表明，私人公司加入某个行业，这个行业就离突破性进展不远了，因为私人的资本往往比政府资本嗅觉更灵敏，也讲求效率。为了让公众对未来该发展方向有所了解，现对小型反应堆进行简要介绍。小型反应堆具有以下特点：1.可以模块化设计制造。只要将工厂生产的几个模块拼接在一起就可以形成一个发电厂，这使得电站建设速度可以很快。由于体型小还可以将反应堆放入地下，以减少地震海啸

9、对反应堆的影响。2.冷却系统是被动的。可以利用冷却剂的自然循环来冷却堆芯。而且冷却剂偏向使用气体和融融的固体，这也进一步减少了如福岛事故时水分解产生氢气，然后爆炸的可能。3.装料少。这就意味着即使反应堆发生泄漏，其影响也非常有限。4.经济性的问题可以通过建设小反应堆集群的方式来解决。单堆功率虽小，但是可以通过多堆并网发电的方式提高经济性，每个堆都是独立的，即使一个产生问题，可以立刻用卡车拉走处理，补充新堆，对电站没有什么影响。5.任何现有堆型都可以小型化。这就决定小型堆往往可以采用最先进的堆型设计，因为很多先进堆的实验堆型就是小型化的。一些先进快堆设计可以使用传统核电站产生的核废料作为原料，从

10、而处理了核废料堆积的问题。现阶段正在开发的小型模块化反应堆主要有：1.西屋公司小型化 AP1000 堆型。该堆型完全采用 AP1000 的技术，但是单堆功率从标准的1200 兆瓦下降到 225 兆瓦。冷却方法为自然循环水冷。反应容器大小为高 27m，直径 9.8m.一个发电厂占地面积从 50 英亩减小到 15 英亩，建设周期从几年下降到 18 个月。每 2 年需要更换反应原料。2.mPower 堆型。Babcock 和 wilcox 基于核潜艇和航母用反应堆技术，提出了一种自然水冷单堆功率 160 兆瓦的堆型。其大小为高 23m，直径 4.3m，冷却系统，蒸汽发生系统集成在一个容器内，可以使用

11、铁路和轮船运输。燃料更换周期 4 年。3.Nuscale 堆型。自然水冷，单堆功率非常小，只有 50 兆瓦，但是这个堆型设计理念的核心是采用 12 堆堆群建设，使电厂总功率达到 600 兆瓦。4.通用公司 GT-MHR 堆型。高温气冷，单堆功率 285 兆瓦。该堆型最初设计用来处理前苏联核弹头中的核材料，该堆特点是可以燃烧武器级的钚。5.Hyperion。单堆功率只有 25 兆瓦。反应堆体也缩小到高 2.5m，直径 1.5m。换料时间 10 年，因此，该设计适合一些远离电厂的炼油厂。6.Prism。通用东芝联合设计的钠冷快堆。6 年换料，单堆功率 311 兆瓦。这一快堆设计一大优势是可以燃烧核

12、废料。7.熔融盐反应堆。由于钍资源比铀资源更丰富，所以该设计能部分解决原料来源问题。8.Flibe。该堆型是应美国军方的要求设计，要求反应堆可以装进集装箱，方便运输到一些军事基地，提供发电服务。要求使用铀 233 和钍作为燃料。这 2 种核材料都不能用来制造核武器，因此可以防止核扩散。反观中国的核技术发展，现阶段还是在消化吸收西方提出的技术理念，在此基础上进行改进，各种堆型设计几乎都有跟踪研究，但是核电设计理念已经落后。中国要在核电技术上超越美国就要保持正确的核电设计理念，选择最合适的方案，壁面资金的浪费，进行扎实的基础研究，为将来的核电技术大规模应用奠定基础。2015 年 1 月于英国谢菲尔德