安全性能越来越高四代核电站的进化之旅

◎本刊主笔 季天也

自从1954年苏联建成了世界第一座核电站以来，人类和平利用核能已经长达61年了。在这半个多世纪的时间里，核电技术经历了3次飞跃，共形成了4代技术，每一代核电站在经济性、安全性和高效性方面都取得了更大的突破。那么，从第一代到第四代核电站在技术上都有哪些改进呢？

美国1957年建成的希平港核电站的反应堆容器，该核电站已于1982年退役。

中子敲开核电大门

核能利用的起源可以追溯到80多年前。1932年，英国物理学家詹姆斯·查德威克进行了一系列实验发现，原子核的组成部分除了有之前已知的带正电的质子和带负电的电子，还存在一种不带电的中子，使科学界更加全面地认识了原子核的构造和特性。原子弹和核电站所利用的核反应就是由中子触发的。查德威克的这一发现，如同一把开启原子核之门的钥匙，成为核能利用的开端，他也因此获得了1935年的诺贝尔物理学奖。

在这一基础上，后来的科学家进一步发现，用游离的中子撞击铀等重元素的原子核，会使该原子核一分为二，同时放出比同等水平的化学反应大几百万倍以上的恐怖能量，这就是原子弹和核电站的工作原理——核裂变反应。

第一代证明核能发电可行

尽管世界上第一颗原子弹1945年就在美国诞生了，但它这种瞬间释放全部能量的反应模式无异于“一锤子买卖”，只是为破坏而生的一介莽夫，用来造福生产生活还是有很大距离的。直到1954年6月27日，苏联终于建成了由石墨水冷反应堆构成、发电功率为5兆瓦（1兆瓦=1000千瓦=0.1万千瓦）的世界第一座核电站——奥布涅斯克实验性核电站。很快，英国在1956年建成了45兆瓦的卡德豪尔石墨气冷堆原型核电站；美国紧跟着于1957年建成60兆瓦的希平港压水堆原型核电站，1960年又建成德累斯顿沸水堆原型核电站；1962年加拿大又建成25兆瓦的重水堆核电站……虽然当时它们的发电功率仅仅相当于同期火力发电机组的零头，属于原型机组，但它们实现了温和而可持续的可控核裂变，验证了核能发电在技术上是可行的。

根据燃料形式、冷却剂种类等因素的不同，核电站反应堆的类型多种多样，作为一般读者，我们无需理解这些“高冷”名词背后的技术含义，只要知道这些实验性和原型核电站都属于第一代核电站就妥了。如今，第一代核电站由于技术落后、年代已久、发电量低、安全性和经济性差等先天不足，基本已经退出历史舞台。

奥地利裔瑞典科学家丽丝·迈特纳（Lise Meitner）（图左）于1939年4月提出核裂变概念

发生事故半个月后的美国三哩岛核电站

第二代成为商用主力

到了上世纪60年代中后期，核电技术的迅速进步，使得核电站走上系列化、标准化、商业化建设和运行的大道。上世纪70年代爆发的两次石油危机，更是让核电建设如雨后春笋般发展壮大。1966 ～1980年间，全球共有242台核电机组投入运行，最快的时候平均每17天就有一座核电站并网发电。在这段井喷式发展时期诞生的核电站，采用的都是第二代核电技术，其单一核电机组的发电能力大幅提升达到千兆瓦级，是原型机组的上百倍。可以说，第二代核电站在技术可行的基础上，又进一步证明了核能发电的商业可行性。

英国1956年10月建成的卡德豪尔石墨气冷堆原型核电站，是世界第一座投入商业化运行的核电站。

时至今日，在全球430多台现役核电机组中，绝大多数仍然来自第二代核电站，但它们中的大部分已经步入“中老年”阶段。我国主要的第二代核电站，有大亚湾核电站、秦山核电站和田湾核电站等。

第三代恶补安全性能

然而，时至今日，核电史上发生了3件令人担忧和恐惧的大事——1979年的美国三哩岛核事故、1986年的苏联切尔诺贝利核事故和2011年日本福岛核事故。这些灾难性环境事件，暴露出第二代核电站在安全设计上的薄弱之处，核电站的安全性受到强烈抨击和质疑，民间反核电呼声四起。

美国和欧洲总结前两次核事故的教训，于上世纪90年代分别制定和出台了《美国核电用户要求文件（URD）》和《欧洲核电用户要求文件（EUR）》，对新建核电站的安全性、经济性和先进性提出了明确要求：单机组发电功率进一步提升到1000 ～1500兆瓦；每个反应堆每年向环境释放大量放射性的概率不超过一百万分之一以下，堆芯（反应堆核芯的简称）熔化的概率不超过十万分之一，安全性比第二代核电机组提高了100倍；核燃料使用周期（即更换周期）长达18 ～24个月，减少了铀矿资源的消耗和高放射性废物的产生；设计寿命从40年延长到60年……总之，满足这一系列严苛要求的核电站，在发电效率、安全性、经济性和资源利用率等方面，都比第二代核电站先进得多，很多重要的结构设计也是第二代核电站不具备的，因此被称为第三代核电站。

核安全应急理念：不求人

第三代核电站反应堆类型的代表，有美国西屋电气公司的AP1000、法国阿海珐公司的EPR、俄罗斯原子能公司的AES2006等。其中AP1000的特点是，一旦遭遇紧急情况，它的“非能动安全体系”可不用依赖交流电源、应急发电机等外部能源，仅利用物质的重力、流体的自然对流、扩散、蒸发、冷凝等原理，即可在事故应急时冷却反应堆安全壳并带走堆芯余热。至少72小时内，不需要工作人员干预。反应堆安全壳的设计为紧急情况留有很大余地，即使是严重事故，也不需要场外应急措施。EPR则拥有一套简化的安全系统，至少有两条隔离的独立交流电源与电网相连；事故发生时至少30分钟不需要人工干预；在丧失全部冷却水的情况下，保证核燃料两小时内不损坏；停电状态下保证燃料8小时内不损坏。目前，这两种机型已经被我国引入并加以推广。

俄罗斯新西伯利亚化学浓缩工厂工作人员进行核反应堆燃料组装

核裂变反应原理示意图

不难看出，这一代核电站的安全理念是强调核电站设施的固有安全性，从而保证事故发生时，核电站有足够的自保能力，尽量不靠人工救助，既能让应急反应更快，又能避免人身伤害。

在新建更好更安全的第三代核电站的同时，自然也不能放任那么多现役的第二代核电站成为“不定时炸弹”。通过增设氢气控制系统、安全壳泄压装置等设备，第二代核电站的安全性能也大幅升级。这里的氢气来自反应堆过热，核燃料棒中的金属材料锆在高温下和外围的水发生化学反应而生成。福岛核事故的爆炸，正是由于氢气泄漏到空气中与氧气混合所引发。当然这种爆炸不同于核武器爆炸，只是氢气和氧气激烈地结合成水的过程，本身并没有放射性。

改进后的二代核电站，虽然整体上“前浪”难敌“后浪”，但基本满足了安全要求，不至于短期内被“后浪”拍死在沙滩上。未来一二十年，随着第二代核电站的老去，第三代核电站将取代它的主力地位。我国目前在建和规划待建的核电站，都将采用第三代核电技术。

我国2010年开工的海南昌江核电站采用二代改进型核电技术

第四代还在襁褓中

第三代核电站的热度还没过去，美国能源部（DOE）又在1996年提出了以核废物减量、节约铀矿资源、进一步强化固有安全性为目标的第四代核电站的概念。

苏联建成的世界第一座核电站——奥布涅斯克实验性核电站，已经退出历史舞台，并被改造成核能博物馆。

2001年7月，美国能源部牵头，由美国、英国、韩国、南非、日本、法国、加拿大、巴西、阿根廷9国，成立了第四代核能系统国际论坛（GIF），中国、瑞士和欧洲原子能共同体后来也加入其中。该论坛目前确立了6种有前途的第四代核反应堆作为重点研发对象，包括3种快中子堆——钠冷快堆（SFR）、铅冷快堆（LFR）和气冷快堆（GFR），以及3种热中子堆——超临界水冷堆（SCWR）、超高温气冷堆（VHTR）和熔盐堆（MSR）。这些设计的目的是要达到大幅减少核废料、更充分利用铀资源、降低核电站建造和运营成本、防止放射性物质外泄的目的。

2008年10月和2009年3月，我国分别加入了超高温气冷堆和钠冷快堆两个系统的研究。超高温气冷堆发电效率高，余热产量小，由于以气代水作为冷却剂，有利于在内陆设厂。在冷却系统发生事故后，核燃料温度上升速度比现役反应堆类型慢得多，进一步远离堆芯熔化这种有严重后果的事故。钠冷快堆的特点则实现了核燃料与反应产物之间的循环运转，而且核燃料的再生速度比消耗速度更快，相当于越用越多，大大提升了铀的利用率，还能减少高放射性废物的产量。不过，现在为这些高大上的科技拍手叫好还为时尚早，据GIF的估计，第四代核电站最快也要到2030年才能投入商业运行。

第三代核电技术EPR（欧洲先进压水堆）的安全特点示意图

更高目标：驯服核聚变

60多年来，核电站的实力可谓一代更比一代强，但它们无疑都是围绕铀、钍、钚这些重元素核裂变反应的原理做文章。如果和轻元素发生核聚变反应的原理相比，即便是当今最先进的第四代核电技术也要甘拜下风。

核聚变原料来自氢元素家族的氘和氚，在特定条件下发生碰撞，聚合成个头稍大的氦元素。这个过程比铀元素裂变产生的能量还要大得多，而产物只有无毒无放射性的氦气，没有棘手的高放射性废物需要处理，原料的丰富程度也是铀矿储量难以企及的。太阳就是利用这样的反应哺育了地球四五十亿年。很遗憾，我们现在的科技水平还远远驾驭不了这种能量。其实，在第一座核电站问世前两年，美国就已经率先利用核聚变原理，做成了比原子弹威力更强的武器——氢弹。但是，炸弹是没法用来烧水做饭的，半个多世纪后的今天，人们依然“Hold”不住核聚变的野性。然而，把核聚变从毁灭性武器“驯化”成随开随关、火力可调的和平“炉灶”，一直是核电发展的革命性目标。