简述全球核能技术发展史

2021-11-04 17:11    核能技术  三代核电  四代核电  核能利用

60余年间,核电技术也经历了从一代原型堆到二代商业化反应堆,再到三代先进大功率核反应堆的迭代升级,以及对安全性、经济性更高的四代核电技术的探索和实践。


自19世纪末人类开始发现核能以来,经过200余年的发展,核能、核技术的研发与应用不断取得实质性突破,现在已经与人们的生活和工作紧密相连。
 
核电是人类利用核能推动经济发展,造福社会的主要形式之一。从上世纪50年末前苏联建成首座商用核电厂以来,目前全球建成在运核电机组已达450余台。
 
同时,60余年间,核电技术也经历了从一代原型堆到二代商业化反应堆,再到三代先进大功率核反应堆的迭代升级,以及对安全性、经济性更高的四代核电技术的探索和实践。
 
全球核能发展简史
 
核能(nuclear energy)是人类历史上的一项伟大发现,这离不开早期西方科学家的探索发现,他们为核能的发现和应用奠定了基础。
 
科学家对核能的探索,最早可追溯到19世纪末英国物理学家汤姆逊发现电子开始,人类逐渐揭开了原子核的神秘面纱。
 
●1895年,德国物理学家伦琴发现了X射线。
 
●1896年,法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。
 
●1898年,居里夫人与居里先生发现放射性元素钋。
 
●1902年,居里夫人经过三年又九个月的艰苦努力又发现了放射性元素镭。
 
●1905年,爱因斯坦提出质能转换公式。
 
●1914年,英国物理学家卢瑟福通过实验,确定氢原子核是一个正电荷单元,称为质子。
 
●1935年,英国物理学家查德威克发现了中子。
 
●1938年,德国科学家奥托·哈恩用中子轰击铀原子核,发现了核裂变现象。
 
●1942年12月2日,美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。
 
●1945年8月6日和9日,美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎。
 
01 第一代核电技术(20世纪50年代中期至60年代中期)
 
核能在军事上展示出巨大的威慑力后,开始向发电领域拓展。1954年,前苏联建成了世界上第一座商用核电厂——奥布灵斯克核电厂,开启了核能应用于能源、工业、航天等广泛领域的先行示范。
 

世界上第一座商用核反应堆,奥布灵斯克核电站
 
1957年,美国建成功建成功率为90MWe的希平港原型核电厂,容量是奥布灵斯克核电厂容量(5MWe)的16倍。
 
前苏联、美国的原型机投入商运,证明了利用核能发电的技术可行性。国际上把上述实验性和原型核电机组称为第一代核电机组。
 
第一代核电技术起始于20世纪50年代中至60年代中期。
 
第一代核电技术主要特点是:多为早期原型机,使用天然铀燃料和石墨慢化剂。设计上比较粗糙,结构松散,尽管机组发电容量不大,一般在30万千瓦之内,但体积较大。且在设计中没有系统、规范,科学的安全标准作为指导和准则,存在许多安全隐患。它的意义在于,具有研究探索的试验原型堆性质,证明了核能发电的技术可行性。
 
第一代核电厂主要堆型有:美国希平港核电厂、德累斯顿核电厂、英国卡德霍尔生产发电两用的石墨气冷堆核电厂、前苏联APS-1压力管式石墨水冷堆核电厂、加拿大NPD天然铀重水堆核电厂。
 
02 第二代核电厂(20世纪60年代至90年代)
 
在上世纪60年代后期,核电迎来二代核电技术时期。相比一代核电技术,二代核电技术是较为成熟的商业化反应堆,使用浓缩铀燃料,以水作为冷却剂和慢化剂,其堆芯熔化概率和大规模释放放射性物质概率分别为10-4和10-5量级。反应堆寿命约为40年。二代核电厂的意义在于,证明了核电发电技术可行性,以及其可与火电、水电竞争的经济性。
 
在第一代核技术的基础上,二代核电技术实现了商业化、标准化,单机组的功率水平在第一代核电技术基础上大幅提高,达到百万千瓦级。
 
上世纪70代,因石油涨价引发的能源危机促进了核电的发展,目前世界上商业运行的四百多座核电机组绝大部分是在这段时期建成的。在国内,我们熟知的秦山核电厂、田湾核电厂机组采用的都是二代核电技术,在福岛事故之后,相应地得到了改进。
秦山核电站(图片来源于网络)
 
二代核电厂的主要堆型有:压水堆(PWR)、沸水堆(BWR)、重水堆(PHWR)、石墨气冷堆(GCR),以及石墨水冷堆(LWGR)等。
 
技术路线上,美国西屋公司为代表的Model系列、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厂范畴。法国的CPY,P4,P4′也属于Model系列标准核电厂。日本、韩国也建造了一批Model412、BWR、System80等标准核电厂。
 
03 三代核电技术(20世纪90年代至今)
 
1979年三里岛、1986年切尔诺贝利核电厂事故爆发后,上世纪90年代,美国和欧洲先后出台《先进轻水堆用户要求文件》(URD文件)和《欧洲用户对轻水堆核电厂的要求》(EUR文件)。国际上通常把满足这两份文件之一的核电机组称为第三代核电机组。
 
相较二代核电技术,三代核电厂是具有更高安全性、更高功率的新一代先进核电厂。其堆芯熔化概率和大规模放射性物质释放概率分别为10-7和10-8量级。反应堆寿命约60年。
 
三代核电厂的主要堆型有先进沸水堆(ABWR)、非能动先进压水堆(AP1000)、欧洲压水堆(EPR)等。System80+已获美国NRC批准,但美国已经弃用。
 
中国自主产权的“华龙一号”、“国和一号”和“玲龙一号”属于三代核电技术中的杰出代表,已成为国际闻名的“中国名片”。当地时间2021年5月20日1时15分,“华龙一号”海外首堆工程——巴基斯坦卡拉奇2号机组正式投入商运。
 
04 第四代核电技术(20世纪末至今)
 
第四代核电技术概念由1999年6月美国克林顿政府的能源部首先提出,并得到中国、英国和日本等一些国家的支持。
 
第四代核电技术是指待开发的先进核电技术,主要特征是拥有更好的经济性,安全性高和废物产生量少,无需厂外应急,并具有防止核扩散能力。第四代核电堆型代表有钠冷快堆、极高温气冷堆、铅冷快堆、气冷快堆、熔盐堆和超临界水堆等。
 
微软创始人比尔·盖茨推动的行波堆技术,以及我国自主研发的高温气冷堆、快堆属于四代核电厂范畴。
 
在四代核技术研发和实践方面,中国走在了世界前列。
 
2006年12月25日,华能、核电、清华三方成立华能山东石岛湾核电厂20万千瓦级高温气冷堆核电示范工程。10MWe试验电站已建设成功。
 
2010年10月21日,由中核集团中国原子能科学研究院自主研发的中国第一座快中子反应堆——中国实验快堆(CEFR)达到首次临界。
 
这是我国核电领域的重大自主创新成果,意味着我国第四代先进核能系统技术实现了重大突破。由此,我国成为继美、英、法等国之后,世界上第八个拥有快堆技术的国家之一。
 
2012年12月9日,华能石岛湾核电厂重新开工建设。石岛湾核电厂的开建,标志我国在四代核电的技术研发上已处于世界领先地位。
 
 
2021年8月21日16时09分,我国自主产权的国家科技重大专项——华能石岛湾高温气冷堆核电厂示范工程首批核燃料成功装入1号反应堆,标志着世界首台球床模块式高温气冷堆正式进入“带核运行”状态,为今年并网发电奠定坚实基础。
 
石岛湾高温气冷堆核电厂示范工程
 
积极有序发展核电已上升为国家战略,成为我国推进“双碳”目标如期达成的重要路径。
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