世界三代核电机型示范验证与发展

2023-03-28 09:00  来源:中国核能行业协会    华龙一号  国和一号  EPR  VVER-1200  AP1000  台山核电站

上世纪末,1999年6月美国能源部科学和技术办公室,把按“URD”等电力用户要求文件研究开发的先进轻水堆核电机型,定名为第三代核电,至今已有二十多年。在本世纪初二十多年内,核电机型的研发进入示范验证阶段。通过了示范验证,就意味着具备推广建设条件,可进入核电市场,为世界核电发展做贡献了。


上世纪末,1999年6月美国能源部科学和技术办公室,把按“URD”等电力用户要求文件研究开发的先进轻水堆核电机型,定名为第三代核电,至今已有二十多年。在本世纪初二十多年内,核电机型的研发进入示范验证阶段。通过了示范验证,就意味着具备推广建设条件,可进入核电市场,为世界核电发展做贡献了。

能源危机加速了核电重启

在气候变化和能源危机推动下,世界各国政府正在向支持核电方向转变。俄罗斯-乌克兰冲突爆发,美西欧集团对俄罗斯的极限制裁及俄罗斯的反击,欧洲能源价格极度高涨,世界能源危机爆发,能源发展态势将发生逆转。原本依赖俄罗斯进口天然气,“全面废核”的德国,考虑要重新采用核能。法国总统宣布重振核电计划,恢复民用核电发展,计划新建6台新核电机组,要求首台于2035年投入运营,并研究后续建设8台机组的可行性。遭到严重打击的法国国家电力集团EDF,大批机组退出运行,陷入破产边缘,政府决定对EDF实施100%国有化,渡过难关。英国首相3月21日宣布将核电在总发电量中的占比,将由16%提高到25%。以德、英、法为代表的西欧,掀起复苏核电新浪潮。中东欧国家的波兰、捷克、匈牙利、保加利亚、乌克兰等,在国际局势推动下,也表示了要积极参与新核电建设的意向,世界核电发展由下行态势,开始向上行转变。俄乌军事冲突和美西方对俄罗斯的极端制裁,加剧了欧洲能源危机,也加速了核电的重启。

建设三代核电需通过示范验证

新研发的三代核电机型要批量推广建设,首先要通过示范验证,证明其工程技术可行性、安全可行性、经济上可承受性,环境的可接受性等。真正通过验证,被社会公众、市场认可后,投资者才会愿意投资建设。

通过示范验证的条件:

1. 示范验证工程应圆满建成。有让人们看得见摸得着在运行的核电机组。

2. 满足URD、EUR等用户要求文件的要求,通过核安全监督机构的评审通过。作为示范验证工程开工建设的条件,应予满足。

3. 安全可靠性、环境可接受性得到验证。可能存在安全隐患得到充分揭示,并确有可靠的解决方法,解决方案得到验证并经权威专家机构审议通过。

4. 经济可承受性得到验证。可承受的建设总投资和电价,能被投资者和用电户双方接受,有能力筹资、购买。

5. 有后续建设项目跟进,最好有国际贸易项目。可证明已得到社会、公众和国际的认可。

当然,要批量规模推广建设,还会有一些与政治、贸易、外交、军事相关问题的考虑。

参与示范验证的第三代核电的机型,主要有美国西屋的AP1000,美国通用电气的ABWR和ESABWR,法国的EPR,俄罗斯的VVER-1200,加拿大的重水堆ACR1000等,还有后起的韩国的APR-1400,中国的“华龙一号”,法国和日本联合开发的Atmea1等。随着世界核电的技术发展,同一机型还会演变出一些不同设计的版本,如俄罗斯的VVER-1200,有V392m和V491两种版本,美国的AP1000有15版设计和19版设计两个版本,中国“华龙一号”,有中核的、中广核的、融合的三个版本。先进沸水堆ABWR则有更多种版本。通过示范验证的情况,大体有已圆满通过、即将通过、受限制地通过、淘汰退出等几种情况,还有新提出的设计概念,正为示范验证做准备等。

美法机型在中国的示范

中国发展核电,以自主开发和引进消化再创新相结合的发展道路。在规模化自主建设二代改进机型和自主研发三代核电机型的同时,引进了美国西屋公司AP1000(15)技术和进口法国EPR设备建设两条道路。主观上是引进外国先进技术和设备,发展我国核电技术,在客观上又起到帮助外商提供试验场所,进行示范验证的作用。包括广东台山EPR和三门、海阳AP1000项目。

广东台山EPR项目

进口法国设备建设广东台山核电,为法国EPR作第三梯队的示范验证。台山核电由广核和法国EDF合资建设。2009年10月正式开工,2018年12月建成投运,总投资( 合同价 )80亿欧元( 包括2026年前的核燃料费 )。工程建设虽也发生了工程延迟和超支现象,但总的形象比法国主持的第一、第二梯队好得多。原因是法国吸取了前两梯队的经验教训,另外中国工程建设队伍的参与发挥了重要作用。所发生的延误和超支,主要是由于法国技术问题引起的,如法国FL3项目暴露的压力容器顶盖碳密度分布异常问题等。延误和超支对工期和投资的影响,也没有像第一第二梯队那么严重。

三门和海阳AP1000项目

中国引进美国西屋AP1000(15)技术,是作为成熟的先进技术引进的,希望通过建造4台机组实现国产化,作为国产化的依托项目建设。建设的是美国西屋转让给我们的,技术上尚未完全成熟的AP1000(15)技术。建设三门、海阳核电,客观上是为美国西屋公司作AP1000(15)做示范验证。确切地说,我国建造的4台机组是在西屋公司AP1000(15)设计基础上,加上符合中国条件的修改,与美国正宗的AP1000(19)有较大差别。因此,中国三门、海阳示范验证的结论,不能简单地搬用到AP1000(19)。

双双夺冠,中国核工业取得里程碑式的胜利

2018年6月29日、30日的24小时内,中国第一台EPR机组、第一台AP1000机组,并网发电,取得三代核电机型建设的两个世界第一,受到世界广泛赞扬。2018年7月1日《世界核工业状态报告网》对中国双双夺冠发表评论;“标志了中国核工业发展的里程碑,凸显了EPR和AP1000全球扩张和雄心的全面失败”。把示范验证的工作和结论,分开评论。就是说,现在中国建的EPR和AP1000,还不具备批量产业化的条件,全球扩张雄心的失败,并不认为EPR和AP1000示范验证的通过。

CAP1000的示范验证,得到中国政府机构认可

在三门、海阳4台机组成功建成后,标准规范化为CAP1000,满足三代要求,最近又有6台后续机组,经中国政府部门批准开工建设,说明其示范验证,已得到中国政府机构的认可。它是以美国西屋AP1000(15)版设计为基础补充、完善,加上符合中国条件的修改,和4台机组建设的实践,与美国的(19)版有较大差别,它不能作为美国AP1000(19)验证通过的依据。CAP1000要出口到外国,受到技术上和产权上的限制。因它作了很多适合中国条件的改进,仍受美国知识产权的限制,技术源头来自美国,要符合美国政府的政治外交战略利益,示范验证还要得到进口国,国际市场的认可。因此,CAP1000可认定为是受限制的通过。

技术水平和经济性结论

1. 示范验证通过情况。圆满通过机型:VVER1200(V-392m、V491),华龙一号HPR(cn),APR1400。即将通过机型:“华龙一号”HPR(cg、融合),VVER-Toi,“国和一号”。有限制通过的有已由中国政府机构认可的CAP1000或AP1000(15)。验证失利机型:EPR和APl000(19)。要生存发展,必须改进设计,降低成本,缩短工期。退出示范机型:美国GE的ESABWR,加拿大的ACR1000等。

2. 三代核电的经济性。参考国际市场上俄罗斯VVER-1200取得近40台机组定单看,取得定单项目的建造成本大多在6000美元/千瓦左右,大致可看成是经济上可承受的边界。只要建造成本控制在此边界之内,就是可承受的,有较强生存发展能力,能满足世界核电复兴发展的要求。验证证明,三种圆满通过机型的建造成本,都低于这个边界,在经济上符合世界核电复兴发展的要求。美法的AP1000(19)、EPR建造成本都超过了10000-12000美元/千瓦,经济上是不可接受了( 除非有特殊政治条件 )。

3. 三代核电的建设工期。中、俄、韩已通过示范机型,建设周期5-7年,而法国EPR、美国AP1000(19)建设周期长达12-17年,是中国“华龙一号”的2-3倍。与实现地球升温小于1.5度的目标,到2050年的不到30年时间内要核电生产能力增长4倍( 世界核协会预测 )相比,前者尚有可能,后者就无望了。

4. 中国核电技术水平国际地位的提高。中国已成为具备建设三代核电能力的中、俄、韩、法、美、日六强之一;站在国际市场竞争平台上竞争的中、俄、韩、法、美五强之一;中国的“华龙一号”是圆满完成示范验证的世界三种机型之一。

5. 中国核电发展进入世界前列。中国已建成运行54台机组,名列世界第三,仅比第二名的法国差2台;2021年全年累计核发电量4071.41亿千瓦时,超过法国,居世界第二;在建核电机组23台,约占世界在建的一半,多年来常居首位。

6. 中核“华龙一号”是世界核电机型中建造工期短,经济性好,建造成本是俄罗斯机组的一半,美法机组的l/4-1/5,是世界核工业突破昂贵、工期长屏障的希望所在。

核能发展未来展望

1. 核能在气候变化和能源危机双重推动下,政治军事危机的促进下,对发展的要求将愈加迫切。三代核电机型示范验证的通过,也将促进核电发展,将由下行态势向上行转变。

2. 核能的安全、可靠、可承受性,7×24全天候稳定、灵活可调性的验证,可与波动性可再生能源可优化匹配,它将在世界未来清洁能源系统中的基本负荷,发挥更加重要的作用。

3. 核能应用将向广泛的多种应用目标发展,多用途小型核反应堆有个较大的发展,但核能发电仍然是主攻方向。在多种核能发电应用中,大型核电仍会是主要方向。

4. 以EPR、AP1000为标志的,发达经济体国家示范验证失利而逐步衰落。美法引领世界核电的时代,正逐步向由中、俄引领的新时代转变。以中俄韩为代表的成功通过示范的三代核电,将蒸蒸日上。

我国核能发展建议

1. 坚持积极发展核电的方针,坚定适度平稳发展不动摇,不受国际核电下行的影响。我国有“华龙一号”HPR000、“国和一号”等先进机型,应抓住这个发展机遇,坚持发展核电不动摇,适度加快核电发展。

2. 从实际出发不跟风,要贯彻全面、综合、协调发展的技术政策。既要抓紧新核电的建设,又要抓好现有核电的高效利用。既要抓好大型核电反应堆的建设运营,又要发展小型反应堆的多目标应用。在抓紧传统反应堆发展的同时,抓好先进反应堆的研发。既努力把核能应用于电力生产,又要积极推进非发电应用。

3. 重点建设“华龙一号”。我国“华龙一号”核电,技术已经全面掌握,完全独立自主,安全,经济、可靠、实惠,应重点建设。对于通过引进消化吸收已掌握的“AP”类技术,要为我所用,适当发展。要警惕美国政府利用西屋公司作为对付我国的政治外交战略工具,利用其技术优势,长臂控制,对我制造事端。

(作者:温鸿钧 中核集团退休核能专家)

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