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展望第四代核能系統之一：超臨界水堆

——專訪彭士祿院士

                            本刊記者 李照煦 衛廣剛

Future outlook of the fourth-generation nuclear energy

systems：Supercritical water-cooled reactor

—Special interview with academician PENG Shilu

     編者按：近年來，世界各國提出了許多新核反應堆設計和核燃料循環方案。2001年，美國、法國、日本等10個國家組成了“第四代國際核能論壇”(簡稱GIF)，約定共同研發第四代核能系統，使其在安全性、經濟性、可持續發展、防核擴散等方面都有顯著的先進性和競爭力。20)年，GIF在法國巴黎舉行研討會，選定了6種堆型作為第四代核能系統優先研發對象，這其中就包括超臨界水冷堆。近日，本刊記者就相關問題專訪了彭士祿院士。

《中國核電》：GIF是一個什么樣的組織?

彭士祿：GIF是“第四代國際核能論壇”的簡稱，英文全稱是Generation IV Nuclear nergy InternationalForum。它是2001年1月，在美國能源部的倡議下，由美國、法國、日本、英國、加拿大、阿根廷、南非、巴西、韓國、瑞士等10個國家專家聯合組成的，目標是在2030年或更早一些時間創新性地開發出第四代核能系統，使其在安全性、經濟性、可持續發展、防擴散等方面都有顯著的先進性和競爭力，不僅要考慮研發用于發電等的核反應堆裝置，還把核燃料循環也包括在內，組定完整的核能利用系統。

《中國核電》：GIF目前選定了哪幾種堆型作為第四代核能系統優先研發對象？

彭士祿：2002年5月，GIF在法國巴黎舉行研討會，選定了6種堆型作為第四代核能系統的優先研發對象，其中3種是熱中子堆，另外3種是快中子堆。熱中子堆包括超臨界水冷堆(SCWR，Supercritical Water cooled ReactOr)、超高溫氣冷堆(VHTR，VerY—high—tem perature gas COoled eactor)、熔鹽堆(MSR，Molten SaltReactor)，快中子堆包括鈉冷快堆(sFR，SOdiUm—cOOled fastReactor)、鉛冷快堆(LFR，Lead—cooled fastReactor)、氣冷快堆(GFR，Gascooledfast Reactor)。

《中國核電》：GIF有沒有具體的實施計劃?

彭士祿：有。GIF已經提出了從概念設計到商用實施的“路線圖”，具體需要經過4個步驟：

      第一步：可存在性研究，即證明這些堆型原則上是可行的。

      第二步：性能研究，即工程規模的研究開發和優化，使其性能達到期望的水平。

      第三步：系統示范，即建造中等或較大規模的示范系統來檢驗設計。

      第四步：商用實施，即規模性的建造商用堆。

      目前，GIF只是對第一步和第二步做了安排和分工，尚未進行第三步和第四步。

《中國核電》：請您介紹一下超臨界水冷堆?

彭士祿：超臨界水冷堆是在水的熱力學臨界點(374℃，22．1 MPa)以上運行的高溫、高壓水冷反應堆。超臨界水冷卻的熱效率比目前輕水反應堆高出1／3，同時也簡化了核電廠配套系統和設施。

由于冷卻劑在反應堆中不發生相變，且直接與能源轉化設備耦合，所以也無“壓水堆”、“沸水堆”之分。堆芯核燃料為氧化鈾芯塊，包殼采用耐高溫的高強度鎳合金或不銹鋼。同時超臨界水冷堆也引入了非能動安全性。

《中國核電》：超臨界水冷堆有哪些優點?

彭士祿：超臨界水冷堆具有安全性、高效性、經濟性、可持續發展等多方面優點。

      首先，超臨界水冷堆具有固有安全性，無論發生什么故障都可以得到安全控制，它的幾個輔助安全系統完全可以利用我國引進的AP1000第三代核電站的非能動技術。

      其次，超臨界水冷堆采用水作為慢化劑和冷卻劑。水是易取得和便宜的物質，且其化學物理性質清楚，便于應用。超臨界水冷堆在250個大氣壓下工作，其出口溫度可達500℃以上，所以可將目前壓水堆核電站的凈熱效率從33％左右提高44％以上。由于熱效率提高了10％以上，可節省核燃料25％左右，即3個百萬千萬級壓水堆的核裝料可裝配4個百萬千萬級的超臨界水冷堆。

      第三，超臨界水冷堆具有靈活性，在一些技術上可以充分利用我國超臨界火電廠的技術，比如，將反應堆代替超臨界鍋爐即為超臨界核電廠。我國目前已經建成超臨界和超超臨界火電機組40多個，單機容量30萬、50萬、80萬、90萬、100萬千瓦的都有，這說明我國的超臨界技術已經很成熟了，完全可以用在超臨界水冷堆上。此外超臨界水冷堆的堆芯緊湊化布置，很容易轉

化為快中子堆，這也體現了它的靈活性。

      第四，超臨界水冷堆在節省材料方面也有優勢。它的一回路系統最為簡化，取消了壓水堆中的主蒸汽發生器、穩壓器、主循環泵等，由超臨界水經過減壓后直接向主汽輪機供氣，所以節省了大量堆結構材料。

《中國核電》：請您具體介紹一下超I臨界水冷堆的經濟性?

彭士祿：超臨界水冷堆在經濟性上具有很強的競爭力，這也是GIF優先研發它的主要原因之一。據GIF估計，一座百萬千萬級的超臨界水冷堆核電站造價約為900美元每千乩，電價約為2．9美分每千瓦時。目前我國在建的核電站：方家山壓水堆核電站比投資約為13000元每千瓦，三門AP10000核電站比投資約為16000元每千瓦，高溫氣冷堆比投資約為16000元每千瓦。由此可見，超臨界水冷堆在比投資上都比上述核電站便宜，3座百萬千瓦級的壓水堆核電站的造價可以建4座百萬千瓦級的超臨界水冷堆核電站。

《中國核電》：目前，超臨界水冷堆存在哪些亟待解決的問題?

彭士祿：超臨界水冷堆優點很多，但也有一些亟待解決的問題。如：反應堆壓力容器的制造，堆內構件絕熱材料的研制，設備密封材料的研制，穩定性分析和控制等，這些都是要解決的問題。

《中國核電》：請您介紹一下我國在第四代核能系統研制上的進展情況。

彭士祿：應該說我國一直非常重視第四代核能系統的研發工作。如，中國原子能科學研究院的中國實驗快堆，就屬于鈉冷快堆。我們先搞實驗快堆，再發展示范快堆，然后是大型增殖經濟驗證性快堆，繼而商用推廣；清華大學核研院已經建成10MW的模塊式高溫氣冷堆，也是為研制第四代核能系統打基礎；此外我國在熱核聚變方面的研究也取得了很大的進展，可以說，我國核能利用的發展前景越來越廣闊。

       彭士祿，核動力專家。1927年11月生于廣東海豐，1956年畢業于蘇聯莫斯科化工機械學院，1958年修畢于莫斯科動力學院核動力專業。曾任六機部副部長兼總工程師、水電部部長、大亞灣核電站總指揮、秦山二期核電站首任董事長，現任中國核工業集團公司科技顧問，兼任中國核學會名譽理事長、核動力學會理事長。1994年當選為中國工程院院士。曾獲國家科技進步特等獎、全國科技大會獎、國防科工委榮譽獎。1996年獲何梁何利技術科學獎。