導(dǎo)讀：第三代核反應(yīng)堆是對(duì)第二代的進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，強(qiáng)調(diào)安全性和事故應(yīng)急響應(yīng)能力。目前國(guó)外第三代反應(yīng)堆供應(yīng)國(guó)包括美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)和日本。典型堆型如美國(guó)AP1000、法國(guó)EPR、俄羅斯VVER-1200及VVER TOI。下面主要介紹市場(chǎng)上國(guó)外主流或典型第三代(+)核反應(yīng)堆技術(shù)的發(fā)展情況。

從21世紀(jì)開始，美國(guó)西屋電氣（簡(jiǎn)稱西屋（Westinghouse））公司繼續(xù)押注于壓水堆設(shè)計(jì)，開發(fā)了第三代設(shè)計(jì)AP1000、2回路1150MWe壓水堆，利用自然力和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)來增強(qiáng)電廠安全和運(yùn)營(yíng)，降低建設(shè)成本。AP1000的設(shè)計(jì)繼續(xù)使用經(jīng)過驗(yàn)證的組件，以及AP600設(shè)計(jì)固有的安全性和簡(jiǎn)單性。AP600設(shè)計(jì)是西屋電氣最初啟動(dòng)的第三代壓水堆設(shè)計(jì)，但對(duì)該設(shè)計(jì)缺乏競(jìng)爭(zhēng)力的預(yù)測(cè)促使該公司開發(fā)了AP1000。

AP1000設(shè)計(jì)具有先進(jìn)的非能動(dòng)安全特性，其主要安全系統(tǒng)，如余熱排出系統(tǒng)、安注系統(tǒng)、安全殼冷卻系統(tǒng)等，均采用非能動(dòng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不依賴交流電源，顯著提高安全殼的可靠性，安全裕度大。AP1000在建造中大量采用模塊化建造技術(shù)。整個(gè)電廠共分4種模塊類型，包括結(jié)構(gòu)模塊122個(gè)、管道模塊154個(gè)、機(jī)械設(shè)備模塊55個(gè)和電氣設(shè)備模塊11個(gè)。

AP1000核反應(yīng)堆技術(shù)特點(diǎn)

AP1000采用的模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

目前有五臺(tái)AP1000機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，其中兩臺(tái)位于中國(guó)浙江三門，兩臺(tái)位于中國(guó)山東海陽，一臺(tái)位于美國(guó)佐治亞州沃格特勒(Vogtle)核電站。

AP1000核反應(yīng)堆是第三代+(GenIII+)核能技術(shù)，具有完全的非能動(dòng)安全系統(tǒng)、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等突出特點(diǎn)，并且是市場(chǎng)上每兆瓦(MWe)占地面積最小的反應(yīng)堆。在美國(guó)Vogtle核電站建造了兩臺(tái)機(jī)組(3號(hào)和4號(hào)機(jī)組)，3號(hào)AP1000機(jī)組已開始為電網(wǎng)發(fā)電，而4號(hào)機(jī)組則正在準(zhǔn)備初始燃料裝載，預(yù)計(jì)將在2023年第四季度或2024年初進(jìn)行商業(yè)運(yùn)營(yíng)。目前，在中國(guó)已投運(yùn)的四臺(tái)AP1000機(jī)組正在創(chuàng)造運(yùn)行性能記錄，另外六座反應(yīng)堆正在建設(shè)中。波蘭為其首個(gè)核能計(jì)劃選擇了AP1000技術(shù)建設(shè)三臺(tái)機(jī)組，而烏克蘭則致力于開發(fā)九臺(tái)機(jī)組。保加利亞正計(jì)劃建造一臺(tái)機(jī)組，同時(shí)，中歐、東歐、英國(guó)和美國(guó)的多個(gè)廠址也正在考慮采用西屋AP1000技術(shù)。

山東海陽核電站

Vogtle 3號(hào)機(jī)組(美國(guó)30多年來第一個(gè)新的核電建設(shè)項(xiàng)目)

法國(guó)法馬通EPR

EPR是第三代+壓水堆設(shè)計(jì)核反應(yīng)堆，已經(jīng)獲得法國(guó)、英國(guó)、芬蘭和中國(guó)四個(gè)國(guó)家公認(rèn)的核能機(jī)構(gòu)的許可，主要由法國(guó)的法馬通(Framatome)(2001年至2017年隸屬于法國(guó)阿海琺(Areva)，現(xiàn)隸屬于EDF)和法國(guó)電力集團(tuán)(EDF)以及德國(guó)的西門子設(shè)計(jì)和開發(fā)。在歐洲，這種反應(yīng)堆設(shè)計(jì)被稱為“歐洲加壓反應(yīng)堆”(European Pressurised Reactor，EPR)，國(guó)際化名稱為“進(jìn)化動(dòng)力反應(yīng)堆”(Evolutionary Power Reactor)，但現(xiàn)在簡(jiǎn)稱為“EPR”。

EPR為單堆布置四環(huán)路機(jī)組，電功率1650MWe，雙層安全殼設(shè)計(jì)，外層采用加強(qiáng)型的混凝土殼抵御外部災(zāi)害，內(nèi)層為預(yù)應(yīng)力混凝土。EPR的燃料費(fèi)用將以高平均燃耗(60GWD/T)方法來降低，采用5%濃縮鈾燃料。后期改進(jìn)堆型還考慮了钚的利用(即MOX燃料，氧化鈾與钚的混合燃料，可達(dá)堆芯的50%)。EPR設(shè)計(jì)壽命為60年，換料停堆時(shí)間為17天。

EPR主要安全特征

目前有3臺(tái)EPR的機(jī)組建造中、3臺(tái)開始商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)。

第一個(gè)投入運(yùn)營(yíng)的EPR單元是中國(guó)廣東臺(tái)山1號(hào)機(jī)組，于2018年12月開始商業(yè)運(yùn)營(yíng)。臺(tái)山2號(hào)于2019年9月開始商業(yè)運(yùn)營(yíng)。迄今為止，歐洲工廠一直受到長(zhǎng)期施工延誤和成本大幅超支的困擾。第一臺(tái)開工建設(shè)的EPR機(jī)組位于芬蘭奧爾基洛托(Olkiluoto)，原定于2009年投入運(yùn)行，但直到2023年4月16日Olkiluoto 3號(hào)機(jī)組才開始正式商業(yè)運(yùn)營(yíng)，推遲了14年。第二臺(tái)在法國(guó)弗拉芒維爾(Flamanville)開工建設(shè)的EPR(Flamanville 3號(hào))機(jī)組也面臨著長(zhǎng)達(dá)十年的調(diào)試延遲(從2013年到2024年)。英國(guó)欣克利角C(Hinkley Point C)的兩臺(tái)機(jī)組于2016年9月獲得最終批準(zhǔn);第一臺(tái)機(jī)組預(yù)計(jì)將于2027年開始運(yùn)營(yíng)。

EDF已經(jīng)承認(rèn)在建設(shè)EPR設(shè)計(jì)方面存在嚴(yán)重困難。2015年9月，EDF表示正在研究“新模型”EPR(后來命名為EPR2)的設(shè)計(jì)，并且建造起來會(huì)更容易、更便宜。2022年2月，法國(guó)政府宣布重啟核電計(jì)劃，計(jì)劃到2050年新建六座第三代壓水反應(yīng)堆(EPR2)，并對(duì)再建八座核反應(yīng)堆進(jìn)行可行性研究。另外，EDF正在開發(fā)EPR2的較小型號(hào)，使用三個(gè)而不是四個(gè)冷卻劑回路，產(chǎn)生1200MWe凈功率，即EPR1200，旨在用于出口。EPR1200完全基于經(jīng)過充分驗(yàn)證的EPR設(shè)計(jì)，受益于EPR在1200MWe(而不是1650MWe)功率輸出下的穩(wěn)健性，具有最高的安全標(biāo)準(zhǔn)以及優(yōu)化的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境性能。EPR1200是完全歐洲制造的III+代核反應(yīng)堆。它經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，以滿足各種監(jiān)管、電廠和電網(wǎng)條件，同時(shí)將其價(jià)值鏈重點(diǎn)集中在歐洲。

EDF預(yù)測(cè)，到2050年全球可能會(huì)有超過30座EPR反應(yīng)堆。

法國(guó)政府計(jì)劃2050年前建造新核動(dòng)力電站

俄羅斯國(guó)家原子能公司VVER系列

俄羅斯國(guó)家原子能公司(Rosatom)主要有兩種第三代+壓水堆設(shè)計(jì)，即VVER-1200(又稱AES 2006)和VVER-1300(又稱VVER TOI)。

VVER-1200是俄羅斯國(guó)家原子能公司在擁有多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的VVER-1000設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上研發(fā)的一種1200MWe壓水堆設(shè)計(jì)，建造周期約54個(gè)月，使用壽命預(yù)計(jì)60年。這種設(shè)計(jì)的主要特色包括設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，擁有4條回路，并采用了非能動(dòng)安全系統(tǒng)等。

VVER-1200設(shè)計(jì)是VVER設(shè)備系列中的最新發(fā)展。它滿足第三代+核電站的所有國(guó)際安全要求。VVER-1200由俄羅斯國(guó)家原子能公司下屬的工程公司——莫斯科研究所和圣彼得堡原子能設(shè)計(jì)院(Atomenergoproekt)——建設(shè)，并由位于波多利斯克(Podolsk)的俄羅斯水壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)局(Gidropress)設(shè)計(jì)。

前四臺(tái)機(jī)組已在俄羅斯列寧格勒二期核電站和新沃羅涅日二期核電站(各兩臺(tái))建成并投運(yùn)。更多采用VVER-1200/491型的反應(yīng)堆(如列寧格勒二期設(shè)計(jì))已計(jì)劃并正在建設(shè)中(如加里寧格勒和下諾夫哥羅德核電站)。安裝在新沃羅涅日二期核電站的VVER-1200/392M型也被選用于謝韋爾斯克(Seversk)、中央(Zentral)和南烏拉爾(South-Urals)核電站。俄還計(jì)劃在庫爾斯克核電站建造兩臺(tái)VVER-1200機(jī)組。

2012年7月，俄羅斯與白俄羅斯達(dá)成協(xié)議，在奧斯特羅韋茨核電站建造兩臺(tái)VVER-1200/V-491型機(jī)組。2020年11月，白俄羅斯的第一座VVER-1200核反應(yīng)堆并網(wǎng)。這兩臺(tái)V-491機(jī)組是在俄羅斯以外建造的第一批VVER-1200。第二座反應(yīng)堆的燃料裝載于2021年12月開始，并于2023年5月開始并網(wǎng)發(fā)電。

2015-2017年，埃及與俄羅斯達(dá)成協(xié)議，在其埃爾達(dá)巴核電站建設(shè)四臺(tái)VVER-1200/529型號(hào)機(jī)組。2022年7月埃及澆筑了1號(hào)機(jī)組與安全相關(guān)的混凝土。2022年10月，埃及核與輻射管理局(ENRRA)批準(zhǔn)了2號(hào)機(jī)組的建設(shè)，同年11月19日開始建設(shè)。2023年5月3日，3號(hào)機(jī)組正式開工建設(shè)。

此外，兩臺(tái)由俄羅斯設(shè)計(jì)的VVER-1200/V-392M機(jī)組正在孟加拉盧普爾(Rooppur)建造。1號(hào)機(jī)組于2017年11月開工建設(shè)，2號(hào)機(jī)組隨后于2018年7月開工建設(shè)。這兩個(gè)機(jī)組預(yù)計(jì)將在2023年和2024年并入國(guó)家電網(wǎng)。

2019年3月7日，中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司與Atomstroyexport簽署了建造四臺(tái)VVER-1200/V-491的詳細(xì)合同，包括田灣7、8號(hào)機(jī)組及徐大堡3、4號(hào)機(jī)組。建設(shè)于2021年5月開始，所有機(jī)組預(yù)計(jì)在2026年至2028年期間投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

土耳其阿庫尤核電站正在建造四臺(tái)基于新沃羅涅日核電站VVER-1200/V-392M設(shè)計(jì)的VVER-1200/509型機(jī)組。印度庫丹庫拉姆核電3～6號(hào)機(jī)組采用VVER-1200機(jī)組機(jī)型，其中3、4號(hào)機(jī)組于2017年開工，計(jì)劃于2023年完工，5、6號(hào)機(jī)組于2021年開工，計(jì)劃于2027年完工。

圖表：土耳其正在建造的用于阿庫尤核電站的VVER-1200反應(yīng)堆

資料來源：世界核協(xié)會(huì)(WNS)

VVER-1300(VVER TOI)是在對(duì)VVER-1200設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要特征如下：

裝機(jī)容量略有增加，達(dá)到1225-1300MWe(名義容量為1300MWe),改進(jìn)的非能動(dòng)安全系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

造價(jià)更低(降低約20%)，建造期更短(除首臺(tái)機(jī)組外，建造期為40個(gè)月)。

VVER-TOI設(shè)計(jì)旨在提高俄羅斯VVER技術(shù)在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。它將使用VVER-1300/510壓水反應(yīng)堆的建造滿足現(xiàn)代核安全和輻射安全的要求。

相對(duì)于VVER-1200，VVER-TOI主要變化是反應(yīng)堆壓力容器的制造工藝改進(jìn)，由VVER-1200的6道焊縫改為4道焊縫。壓力容器的鋼材也改用沒有輻照脆化限制的新型鋼材。這些變化是反應(yīng)堆壽命延長(zhǎng)到60年，堆芯燃耗深度可達(dá)70GWD/T，實(shí)現(xiàn)24月?lián)Q料的保證。熱功率3300MWt，堆芯裝載163個(gè)優(yōu)化燃料組件。蒸汽發(fā)生器更大，而且增加改進(jìn)型非能動(dòng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)停堆后72小時(shí)無需操縱員干預(yù)。

VVER-TOI的非能動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

建造周期可以縮短到40個(gè)月，從而極大降低建設(shè)成本和運(yùn)行成本。2009年開始設(shè)計(jì)，2012年底完成，2013年申請(qǐng)俄羅斯設(shè)計(jì)許可。俄羅斯打算在歐洲和美國(guó)也申請(qǐng)VVER-TOI的許可，從而進(jìn)軍歐美市場(chǎng)。

庫爾斯克Ⅱ期1號(hào)和2號(hào)機(jī)組分別于2018年4月和2019年4月澆筑第一罐混凝土，是首批啟動(dòng)建設(shè)的VVER-TOI機(jī)組，用于取代庫爾斯克的四臺(tái)在運(yùn)RBMK機(jī)組。

小結(jié)

先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)通常被稱為“第四代”核反應(yīng)堆，現(xiàn)有的商業(yè)反應(yīng)堆被稱為“第三代”或者“第三代+”。北美、日本、歐洲、俄羅斯、中國(guó)等反應(yīng)堆供應(yīng)商在規(guī)劃或在建的有十幾種滿足(URD、EUR)的三代核反應(yīng)堆，它們?cè)跐M足用戶要求文件(URD、EUR)的基礎(chǔ)上，每種堆型采用不同的設(shè)計(jì)理念：如AP1000采用安全系統(tǒng)“非能動(dòng)化”和簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念;EPR采用安全系統(tǒng)增加冗余度的設(shè)計(jì)理念。這些堆型都是百萬千瓦級(jí)別、單堆布置、雙層安全殼、采用內(nèi)置換料水箱設(shè)計(jì)。除了APR1400之外其它幾種堆型在中國(guó)都有建設(shè)，而且除了VVER-1200，其它幾種堆型之間還著很深的技術(shù)淵源。