无人机最多能飞多久:第三代核电技术——AP1000与EPR

第三代核电技术——AP1000与EPR
AP1000
西屋公司在已开发的非能动先进压水堆AP600的基础上开发了AP1000。2002年3月，核管会已经完成AP1000设计的预认证审查，AP600有关的试验和分析程序可以用于AP1000设计。2004年12月获得了美国核管会授予的最终设计批准[5]。
AP1000为单堆布置两环路机组，电功率1250MWe，设计寿命60年，主要安全系统采用非能动设计，布置在安全壳内，安全壳为双层结构，外层为预应力混凝土，内层为钢板结构。AP1000主要的设计特点包括：
1．主回路系统和设备设计采用成熟电站设计[6]
AP1000堆芯采用西屋的加长型堆芯设计，这种堆芯设计已在比利时的Doel 4号机组、Tihange3号机组等得到应用；燃料组件采用可靠性高的Performance+；采用增大的蒸汽发生器（D125型），和正在运行的西屋大型蒸汽发生器相似；稳压器容积有所增大；主泵采用成熟的屏蔽式电动泵；主管道简化设计，减少焊缝和支撑；压力容器与西屋标准的三环路压力容器相似，取消了堆芯区的环焊缝，堆芯测量仪表布置在上封头，可在线测量。

2．简化的非能动设计提高安全性和经济性
AP1000主要安全系统，如余热排出系统、安注系统、安全壳冷却系统等，均采用非能动设计，系统简单，不依赖交流电源，无需能动设备即可长期保持核电站安全，非能动式冷却显著提高安全壳的可靠性。安全裕度大。针对严重事故的设计可将损坏的堆芯保持在压力容器内，避免放射性释放。
在AP1000设计中，运用PRA分析找出设计中的薄弱环节并加以改进，提高安全水平。AP1000考虑内部事件的堆芯熔化概率和放射性释放概率分别为5.1×10-7/堆年和5.9×10-8/堆年，远小于第二代的1×10-5/堆年和1×10- 6/堆年的水平。
简化非能动设计大幅度减少了安全系统的设备和部件，与正在运行的电站设备相比，阀门、泵、安全级管道、电缆、抗震厂房容积分别减少了约50%，35%，80%，70%和45%。同时采用标准化设计，便于采购、运行、维护，提高经济性。西屋公司以AP600的经济分析为基础，对AP1000作的经济分析表明，AP1000的发电成本小于3.6美分/kWh，具备和天然气发电竞争的能力。AP1000隔夜价低于1200美元/千瓦（包括业主费用和厂址费用）。
3．严重事故预防与缓解措施
AP1000设计中考虑了以下几类严重事故：
堆芯和混凝土相互反应；高压熔堆；氢气燃烧和爆炸；蒸汽爆炸；安全壳超压；安全壳旁路。
为防止堆芯熔融物熔穿压力容器和混凝土底板发生反应，AP1000采用了将堆芯熔融物保持在压力容器内设计（IVR）。在发生堆芯熔化事故后，将水注入到压力容器外璧和其保温层之间，可靠地冷却掉到压力容器下封头的堆芯熔融物。在AP600设计时已进行过IVR的试验和分析，并通过核管会的审查。对于AP1000，这些试验和分析结果仍然适用，但需作一些附加试验。由于采用了IVR技术，可以保证压力容器不被熔穿，从而避免了堆芯熔融物和混凝土底板发生反应。
针对高压熔堆事故，AP1000主回路设置了4列可控的自动卸压系统（ADS），其中3列卸压管线通向安全壳内换料水储存箱，1列卸压管线通向安全壳大气。通过冗余多样的卸压措施，能可靠地降低一回路压力，从而避免发生高压熔堆事故。
针对氢气燃烧和爆炸的危险，AP1000在设计中使氢气从反应堆冷却剂系统逸出的通道远离安全壳壁，避免氢气火焰对安全壳璧的威胁。同时在环安全壳内部布置冗余、多样的氢点火器和非能动自动催化氢复合器，消除氢气，降低氢气燃烧和爆炸对安全壳的危险。
对于蒸汽爆炸事故，由于AP1000设置冗余多样的自动卸压系统，避免了高压蒸汽爆炸发生。而在低压工况下，由于IVR技术的应用，堆芯熔融物没有和水直接接触，避免了低压蒸汽爆炸发生。
对于由于丧失安全壳热量排出引起的安全壳超压事故，AP1000非能动安全壳冷却系统的两路取水管线的排水阀在失去电源和控制时处于故障安全位置，同时设置一路管线从消防水源取水，确保冷却的可靠性。事故后长期阶段仅靠空气冷却就足以带出安全壳内的热量，有效防止安全壳超压。由于采用了IVR技术，不会发生堆芯熔融物和混凝土底板的反应，避免了产生非凝结气体引起的安全壳超压事故。
针对安全壳旁路事故，AP1000通过改进安全壳隔离系统设计、减少安全壳外LOCA发生等措施来减少事故的发生。
4．仪控系统和主控室设计
AP1000仪控系统采用成熟的数字化技术设计，通过多样化的安全级、非安全级仪控系统和信息提供、操作避免发生共模失效。主控室采用布置紧凑的计算机工作站控制技术，人机接口设计充分考虑了运行电站的经验反馈。
5．建造中大量采用模块化建造技术
AP1000在建造中大量采用模块化建造技术。模块建造是电站详细设计的一部分，整个电站共分4种模块类型，其中结构模块122个，管道模块154个，机械设备模块55个，电气设备模块11个。模块化建造技术使建造活动处于容易控制的环境中，在制作车间即可进行检查，经验反馈和吸取教训更加容易，保证建造质量。平行进行的各个模块建造大量减少了现场的人员和施工活动。
通过与前期工程平行开展的按模块进行混凝土施工、设备安装的建造方法，AP1000的建设周期大大缩短至60个月，其中从第一罐混凝土到装料只需36个月。


EPR
1993年5月，法国和德国的核安全当局提出在未来压水堆设计中采用共同的安全方法，通过降低堆芯熔化和严重事故概率和提高安全壳能力来提高安全性，从放射性保护、废物处理、维修改进、减少人为失误等方面根本改善运行条件[7]。1998年，完成了EPR基本设计。2000年3月，法国和德国的核安全当局的技术支持单位IPSN和GRS完成了EPR基本设计的评审工作，并于2000年11月颁发了一套适用于未来核电站设计建造的详细技术导则。

图1 EPR核电站三维图
EPR为单堆布置四环路机组，电功率1525MWe，设计寿命60年，双层安全壳设计，外层采用加强型的混凝土壳抵御外部灾害，内层为预应力混凝土。EPR主要的设计特点包括：
1．安全性高
EPR通过主要安全系统4列布置，分别位于安全厂房4个隔开的区域，简化系统设计，扩大主回路设备储水能力，改进人机接口，系统地考虑停堆工况，来提高纵深防御的设计安全水平。EPR满足法德两国核安全当局提出的“加强防范可能损坏堆芯的事件，缓解堆芯熔化的放射性影响”两方面的要求，具有更高的安全性。
（1）    安全壳具有非常高的密封性
EPR的密封水平是国际上唯一的，反应堆厂房非常牢固，混凝土底座厚达6米，安全壳为双层，内壳为预应力混凝土结构，外壳钢筋混凝土结构，厚度都是1.3米。2.6米厚的安全壳可抵御坠机等外部侵袭。
即使发生概率极低的熔堆事故，压力壳被熔穿，熔化的堆芯逸出压力壳，熔融物仍封隔在专门的区域内冷却。这一专门区域的内壁使用了耐特高温保护材料，能够保证混凝底板的密封性能。EPR的熔堆事故影响严格限制在反应堆安全壳内，核电站周边的居民、土壤和含水层都受到保护。
（2）    降低运行和检修人员的辐照剂量
EPR运行和检修人员的辐射防护工作将进一步加强：集体剂量目标确定为0.4人希弗特/堆年，与目前经济合作与发展组织国家核电站的平均剂量（1人希弗特/堆年）相比，将降低一倍以上。
目前法国核电站检修人员的人希弗特集体剂量水平约合人均剂量5毫希弗特/年（5mSv）。换言之，法国核电站工作人员的平均剂量等同于法国天然放射性当量。
EPR考虑内部事件的堆芯熔化概率6.3×10-7/堆年，在电站寿期内可用率平均达到90%，正常停堆换料和检修时间16天，运行维护成本比现在运行的电站低10%，经济性高。建造EPR的投资费用低于1300欧元/千瓦，发电成本低于3欧分/kWh。
2．经济性高
EPR的发电成本很低，比N4系列反应堆低10%[8]。主要优化措施是：
（1）    EPR的功率（约1600兆瓦）比近期建设的反应堆功率（约1450兆瓦）更高。
（2）    建设周期更短：从建造至商业运行计划用57个月。
（3）    能量效益提高到36%，这是轻水反应堆最好的指标。
（4）    EPR技术寿期将达到60年。
（5）    提高燃料的利用率。在发电量相同的条件下，EPR将减少使用15%的铀，废物产量因此降低。同样，也降低了核燃料循环（从铀浓缩到后处理等各个环节）的费用。
（6）    EPR降低了运行费：由于提高了人机接口的质量和主控室的功效，操作简化，通过运行支持系统，提升自动化水平；设备布局更合理，便于进入工作区，简化了检修，缩短了工期；可进行不停运的标准化保养维修；停堆换料期减至16天；反应堆寿期内可利用率可达到91%，法国在役反应堆的平均使用率为82%。
（7）    EPR的发电成本将降至30欧元/MWh[9]，比主要竞争对手-天然气低20%。发电成本包括各种外部费用：研发费、乏燃料后处理费、废物处置费、设施退役费。与之相比，化石能源发电成本不含外部费用。
3．仪控系统和主控室设计
EPR的仪控系统和主控室采用成熟的设计，充分吸取已运行电站数字化仪控系统、人机接口等经验反馈，吸取先进技术设备的优点。仪控采用4列布置，分别位于安全厂房的不同区域，避免发生共模失效。主控室与N4机组的高度计算机化控制室相同，专门设有用于维护和诊断工作的人机接口。
虽然核电被认为是是代替火电厂、减少温室气体以及减少废气污染的最有效手段。但目前全世界很多国家都有团体和专家反对建核电站，主要是对核电安全问题的担忧。实际上笔者认为成本问题才是核电发展会遇到的最大困难。
1．安全问题
一直以来，民众对于核辐射的恐惧心理是影响核电发展的最大障碍。1945年扔在日本广岛和长崎上空的原子弹已经成为了人们心中挥之不去的阴霾，上世纪七十年代的石油危机迫使很多国家开始大量兴建美国三里岛核电站和苏联切尔诺贝利核电站核泄漏又使人们对核电站多了一层真实的恐惧。实际上，就像飞机一样，由于人们的担忧加上研发人员不懈的努力，现在的核电站安全性已远高于其他类型的电站，一般核电站都有3-4层防护层，并且有严格规章，出现核泄漏的几率微乎其微，即使出现泄漏，3层防护也会将其锁定在核岛内，就连核电厂工作人员都受不到危害。
过去发生的较大的核事故有1979年3月28日发生的美国三里岛核电厂事故和1986年4月26日发生的苏联切尔诺贝核电站事故。美国三里岛事故－－反应堆的堆芯部分熔化，是迄今压水堆核电厂发生的最严重的事故。然而，事故对环境和居民没有造成任何危害，也没有造成工作人员伤亡，事实证明压水堆核电厂的各项安全措施是有效的和可靠的。苏联的切尔诺贝利事故是迄今世界核电史上最严重的一次事故－－堆芯烧毁，石墨砌体燃烧，由于化学爆炸造成大量放射性物质外泄，32名工作人员（包括抢救人员）死亡。这座反应堆是与压水堆结构完全不同的石墨水堆。核电站周围30公里范围内的13.5万人撤离。事故使邻近苏联的芬兰、瑞典、波兰等国空气的辐射水平比天然本底增高了4－10倍，但是这只相当于限值的百分之几。离该电站最近的大城市基辅，水源未被污染，居民生活正常[10]。
因此，我们可以相信核电站是绝对安全可靠的。
2．成本问题
虽然核电站是非常经济安全的一种发电形式，但是人们为了确保核电安全，无论是选址还是建设、设计、安装、使用都有严格、复杂的标准。因此核电站的初期投入非常大，这也成为很多发展中国家不敢建核电站的原因。另外，核电站的选址，除了必须符合环保要求外，必须是地震烈度低和地壳稳固的“安全岛”。比如我国的核电选址通常在核电建设开工前5年就开始调查，要经过反复论证，层层审批才能进入核电站址的候选名单，如果正式选址，还有在经过一系列的筛选。地球的地壳运动无处不在，我国有处于两大地震带的中心，可以选择的核电厂址非常有限，在核电发展到一定阶段后，无址可选会成为核电建设不能忽略的隐性成本。
核电之所以经济，是因为核裂变能量大，但是目前的核裂变的燃料铀-235不像煤炭、石油那么丰富，在未来的核电发展中，核电站越来越多，铀资源越来越少，那么铀价上涨也会直接影响到核电运行的经济性。最近中国广东核电集团参股法国阿海珐集团签署铀资源协议，阿海珐下属铀矿石公司每年将其35%的核燃料供应给中国的核电站（合同期约12年）。但是真到了铀资源紧张的时候，这些进口的铀供应是否有保证，运输过程是否安全保障这些都是潜在的问题。而且，生产出来的核废料处理也存在争议，在国内销毁耗资巨大，运到国外又可能产生很多的纠纷。