邢繼， 王輝,2， 吳宇翔， 諶登華， 王曉亮

(1.中國(guó)核電工程有限公司， 北京 100840； 2.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

近年來(lái)全球氣候變暖已威脅人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，為減少溫室氣體排放，增強(qiáng)應(yīng)對(duì)氣候變化能力，全球近200個(gè)國(guó)家共同締結(jié)“巴黎協(xié)定”，目標(biāo)是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)期上升幅度控制在2 ℃以內(nèi)。2021年我國(guó)兩會(huì)期間，“碳達(dá)峰”和“碳中和”首次出現(xiàn)在政府工作報(bào)告中，我國(guó)政府向全世界作出了2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，努力在2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的承諾。在此背景下，核電作為一種清潔、低碳、安全和高效的基礎(chǔ)性現(xiàn)代能源，具有廣闊的發(fā)展前景。

20世紀(jì)50年代末，美國(guó)率先將核潛艇壓水堆和常規(guī)蒸汽發(fā)電技術(shù)結(jié)合，建成了世界首座壓水堆核電廠，開(kāi)啟了人類利用核能的新時(shí)代。在眾多反應(yīng)堆技術(shù)中，壓水堆因其功率密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、安全易控、技術(shù)成熟、造價(jià)和發(fā)電成本較低等特點(diǎn)，成為目前國(guó)際上最廣泛采用的商用核電堆型[1]，截止2021年8月，全球在役商用反應(yīng)堆443臺(tái)，壓水堆為303臺(tái)，占比68%[2]。我國(guó)原國(guó)家計(jì)委和國(guó)家科委于1983年聯(lián)合組織的“核能發(fā)展技術(shù)政策論證會(huì)”確定了以百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆為主，走引進(jìn)技術(shù)并逐步國(guó)產(chǎn)化的道路[3]。截止目前，我國(guó)運(yùn)行核電機(jī)組共51臺(tái)(不含臺(tái)灣地區(qū))，其中壓水堆49臺(tái)，占比96%[4]。

我國(guó)核電建設(shè)起步于秦山一期30萬(wàn)千瓦機(jī)組，經(jīng)多年發(fā)展及技術(shù)的不斷改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了二代改進(jìn)型核電機(jī)組的批量建設(shè)。隨著燃料技術(shù)、熱效率、安全設(shè)計(jì)與分析評(píng)價(jià)方法、運(yùn)營(yíng)管理等各方面的進(jìn)步，針對(duì)先進(jìn)輕水堆核電技術(shù)，國(guó)際組織、各國(guó)核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)和研究機(jī)構(gòu)發(fā)布了設(shè)計(jì)要求及用戶要求文件[5-6]，尤其在后福島時(shí)代，對(duì)新建核電的設(shè)計(jì)提出了更嚴(yán)格的要求[7-8]。在此背景下，中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)和中國(guó)廣核集團(tuán)共同研發(fā)了具有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電技術(shù)，采用先進(jìn)的安全設(shè)計(jì)理念與技術(shù)，具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)特征，滿足最新的安全要求和國(guó)際上第3代核電的用戶要求[9]，示范電站福清核電5號(hào)機(jī)組已并網(wǎng)發(fā)電。在引進(jìn)消化吸收AP1000技術(shù)的基礎(chǔ)上，國(guó)家電力投資集團(tuán)突破擴(kuò)大功率導(dǎo)致的諸多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)和難點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CAP1400[10]，并于2019-07開(kāi)工建設(shè)。

然而在目前的能源結(jié)構(gòu)中，核電的發(fā)展面臨著一些問(wèn)題，如核電技術(shù)自身的安全性與經(jīng)濟(jì)性的平衡問(wèn)題、運(yùn)行靈活性問(wèn)題及環(huán)境友好性問(wèn)題等。同時(shí)，來(lái)自于外部的技術(shù)不斷成熟且價(jià)格不斷下降的可再生能源(如風(fēng)能和太陽(yáng)能等)也對(duì)核電的發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。因此，本文將對(duì)在核能電力供應(yīng)中占主導(dǎo)地位的壓水堆技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行探討，剖析當(dāng)前壓水堆技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，梳理壓水堆技術(shù)近期發(fā)展方向，并提出遠(yuǎn)期發(fā)展的思考。

1 壓水堆技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

壓水堆技術(shù)乃至更大范圍的核電技術(shù)的規(guī)模發(fā)展取決于2方面的因素，分別是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和公眾接受度。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力受電廠經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行靈活性的影響，公眾接受度受安全性和環(huán)境友好性的影響。

1.1 經(jīng)濟(jì)性

核電的低碳屬性得到了廣泛認(rèn)可，但在世界很多地區(qū)的擴(kuò)張前景黯淡，最根本的原因在于成本[11]。核電的成本包括了建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本、燃料成本及退役成本，其中建設(shè)成本在總成本中占比很高，可達(dá)2/3以上，也是總成本不確定性的主要來(lái)源[12]，運(yùn)營(yíng)成本次之。由于核電的涉核屬性，公眾及監(jiān)管當(dāng)局對(duì)核電的可靠性及安全性極為關(guān)注，在將新型反應(yīng)堆推向市場(chǎng)前，需要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的研發(fā)和嚴(yán)格的測(cè)試方能獲得許可證，交付周期很長(zhǎng)；大量用于預(yù)防和緩解事故以實(shí)現(xiàn)3項(xiàng)基本安全功能的安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也額外增加了核電廠的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本。隨著核安全要求的不斷提高，核電的成本也不斷攀升，以美國(guó)為例，三哩島事故后核電建設(shè)成本大幅增加[12]。

與核電相反，同樣具有低碳、清潔屬性的可再生能源的成本隨著技術(shù)的成熟而不斷下降[13]。表1給出了我國(guó)2018—2020年風(fēng)電與太陽(yáng)能的標(biāo)桿電價(jià)，其中不同資源區(qū)的風(fēng)電與太陽(yáng)能的電價(jià)有所不同。根據(jù)2013國(guó)家發(fā)展改革委印發(fā)的《關(guān)于完善核電上網(wǎng)電價(jià)機(jī)制有關(guān)問(wèn)題的通知》，全國(guó)核電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)為0.43 RMB/(kw·h)，可以看出，無(wú)論風(fēng)電還是太陽(yáng)能，標(biāo)桿電價(jià)指導(dǎo)價(jià)已接近甚至優(yōu)于核電，且價(jià)格趨勢(shì)變化相反。

表1 不同能源的標(biāo)桿電價(jià)Table 1 Benchmark price for different kinds of energy RMB/(kw·h)

1.2 運(yùn)行靈活性

核電運(yùn)行靈活性不足首先體現(xiàn)在電網(wǎng)調(diào)峰。在我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行中，出于對(duì)核電安全性和成本高昂等因素的考慮，核電機(jī)組承擔(dān)基荷運(yùn)行，僅在臺(tái)風(fēng)過(guò)境、供暖期和春節(jié)等特殊時(shí)段采用降功率甚至停運(yùn)方式。但隨著沿海地區(qū)負(fù)荷峰谷差的持續(xù)增大及陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電和核電項(xiàng)目的建設(shè)發(fā)展，將嚴(yán)重加劇沿海地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，因而對(duì)核電參與日調(diào)峰的需求愈發(fā)強(qiáng)烈?，F(xiàn)代核電機(jī)組均設(shè)計(jì)有日負(fù)荷跟蹤能力，在理論和實(shí)踐上均具備參與日調(diào)峰的可行性[14-15]，但目前核電機(jī)組下調(diào)功率有限，除歐洲先進(jìn)壓水堆(European pressurized water reactor, EPR)外，核電機(jī)組日負(fù)荷循環(huán)時(shí)功率不低于滿功率的50%，難以滿足負(fù)荷峰谷差持續(xù)增大的調(diào)峰壓力。

核電運(yùn)行靈活性不足還體現(xiàn)在用途單一局限，基本僅向大型電網(wǎng)供電，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，目前僅不到1%的核能用于供熱等非電應(yīng)用[16]。在我國(guó)電力需求增速放緩下，為進(jìn)一步發(fā)展核電，應(yīng)突破現(xiàn)有應(yīng)用模式，開(kāi)發(fā)多用途的壓水堆技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)與化石能源及可再生能源的協(xié)同發(fā)展。

此外，主流的壓水堆核電機(jī)組單堆功率較大，不適用于中小型能源網(wǎng)絡(luò)及非電市場(chǎng)，影響了核電的部署發(fā)展。

1.3 安全性

目前核電廠在設(shè)計(jì)和建造中所采用的主要安全理念和安全要求，是美國(guó)在其核電發(fā)展過(guò)程中建立并被國(guó)際社會(huì)廣泛接受和借鑒的。在核電發(fā)展實(shí)踐中，美國(guó)建立了確定論安全分析和概率論安全分析的方法體系，據(jù)此提出核電廠的安全要求和目標(biāo)。

確定論安全分析主要關(guān)注3項(xiàng)基本安全功能，分別是控制反應(yīng)性、導(dǎo)出衰變熱和包容放射性。圍繞3項(xiàng)基本安全功能，壓水堆設(shè)計(jì)了一系列安全系統(tǒng)和措施，如反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)、安注系統(tǒng)和安全殼系統(tǒng)等。概率論安全分析通常以堆芯損傷頻率(core damage frequency，CDF)和大量釋放頻率(large release frequency，LRF)2項(xiàng)指標(biāo)來(lái)衡量電廠的安全水平，并指導(dǎo)電廠的設(shè)計(jì)或改進(jìn)。隨著安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念及技術(shù)(如非能動(dòng)概念及技術(shù)的引入)的進(jìn)步，壓水堆核電機(jī)組的安全水平不斷提高，三代壓水堆的CDF和LRF較二代機(jī)組均降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

然而，壓水堆安全性的進(jìn)一步提升存在較大困難。其原因在于，3項(xiàng)基本安全功能的實(shí)現(xiàn)取決于反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的固有安全性及附加的安全系統(tǒng)。壓水堆屬于熱中子堆，采用高溫高壓輕水(>15 MPa，>300 ℃)作為冷卻劑和慢化劑，其燃料材料選擇、冷卻劑的物理化學(xué)性質(zhì)、工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)決定了通過(guò)提升固有安全特性來(lái)提升安全性存在較大困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)四代堆的固有安全特性；另一方面，主流大型壓水堆主工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本相同，在遵循相同核安全理論框架下，縱深防御每個(gè)層次可采用的技術(shù)手段趨同，在確保經(jīng)濟(jì)性的前提下，通過(guò)提升安全系統(tǒng)性能來(lái)提升安全性也存在較大困難。

1.4 環(huán)境友好性

環(huán)境友好是一種理念、關(guān)系和過(guò)程，需要企業(yè)采用有利于環(huán)保的生產(chǎn)方式、與周邊環(huán)境良性互動(dòng)與促進(jìn)、企業(yè)不斷改進(jìn)與創(chuàng)新以實(shí)現(xiàn)自然和社會(huì)的和諧。

經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)發(fā)展、經(jīng)驗(yàn)反饋和設(shè)計(jì)優(yōu)化，大型壓水堆核電廠的環(huán)保性能已經(jīng)得到了極大的提升，各項(xiàng)排放、生態(tài)和環(huán)境影響的指標(biāo)均能滿足國(guó)家的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的要求。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展更加先進(jìn)的大型壓水堆就需要按照環(huán)境友好的理念進(jìn)一步提升，不僅滿足當(dāng)前法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求，更要為未來(lái)我國(guó)生態(tài)文明體系的建設(shè)提供助力。

但環(huán)境友好并不意味著單純的單向減排、節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水等，這些減排、節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水等措施往往都會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性的下降，為此需要找到合適的平衡點(diǎn)。與之類似，環(huán)境友好性和安全性也需要尋求在當(dāng)前技術(shù)條件、經(jīng)濟(jì)條件、科學(xué)認(rèn)知條件下的最優(yōu)解，尋求兩者之間的平衡關(guān)系。

為研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)境友好型核電廠，需要對(duì)核電廠環(huán)境友好性概念、屬性、指標(biāo)開(kāi)展全面研究和分析，深入分析論證環(huán)境友好性與經(jīng)濟(jì)性、傳統(tǒng)核安全之間的內(nèi)在聯(lián)系與區(qū)別，識(shí)別核電廠在設(shè)計(jì)中需要落實(shí)的環(huán)境友好要素，構(gòu)建核電廠環(huán)境友好性評(píng)價(jià)體系。在設(shè)計(jì)中注意環(huán)境友好性各要素的量化指標(biāo)，在開(kāi)展與環(huán)境友好性直接相關(guān)的專項(xiàng)技術(shù)和工藝研發(fā)工作的同時(shí)，深入剖析影響環(huán)境友好性的其他設(shè)計(jì)因素，同步將需要落實(shí)的設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化反饋到具體的系統(tǒng)、工藝設(shè)計(jì)之中，從而實(shí)現(xiàn)核電機(jī)組在環(huán)境友好性上的系統(tǒng)性、全面性和先進(jìn)性。

2 壓水堆技術(shù)近期發(fā)展方向

為實(shí)現(xiàn)壓水堆核電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行靈活性、安全性和環(huán)境友好性提升的目標(biāo)，在新型反應(yīng)堆研發(fā)設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用系統(tǒng)工程思維，在確定總體技術(shù)方案與技術(shù)指標(biāo)基礎(chǔ)上，將經(jīng)濟(jì)指引、風(fēng)險(xiǎn)指引、環(huán)境友好性指引等設(shè)計(jì)方法貫徹于研發(fā)設(shè)計(jì)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各總體指標(biāo)的平衡。

在具體的技術(shù)改進(jìn)和發(fā)展方面，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量的研究，涵蓋了設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行維護(hù)等方面。

2.1 先進(jìn)燃料

福島核事故后事故容錯(cuò)燃料(accident tolerant fuels，ATF)的研究受到了主要核電國(guó)家的廣泛關(guān)注與深入支持，該類研究的目的是通過(guò)增強(qiáng)包容裂變產(chǎn)物和包殼材料抗氧化的能力來(lái)提高反應(yīng)堆和乏燃料水池在事故情況下的安全性，以確保在發(fā)生類似福島核事故的情況下不會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。目前ATF的主要設(shè)計(jì)改進(jìn)均著眼于革新的包殼(涂層、先進(jìn)的鋼、碳化硅等)[17]和新型燃料芯塊(高熱導(dǎo)率添加劑、U-Si-N，U3Si2等)[18-20]。根據(jù)包殼及燃料類型來(lái)劃分，ATF研發(fā)大致可分為3個(gè)方向：提高鋯合金包殼的高溫抗氧化能力及強(qiáng)度；具有高強(qiáng)度和抗氧化能力的非鋯合金包殼以及比UO2具有更好性能和裂變產(chǎn)物滯留能力的新型燃料。

環(huán)形燃料則是另外一種值得關(guān)注的燃料元件，與傳統(tǒng)棒狀燃料元件相比，該類燃料內(nèi)部也有冷卻劑通道，從而提高了傳熱面積-體積比，能大幅降低燃料峰值溫度，在保持充分安全裕度的條件下提升反應(yīng)堆功率密度，增強(qiáng)核電經(jīng)濟(jì)性[21-22]。目前韓國(guó)與美國(guó)已深入開(kāi)展了環(huán)形燃料的研究，國(guó)內(nèi)的中國(guó)原子能科學(xué)研究院研制的環(huán)形燃料元件已開(kāi)展了入堆考驗(yàn)的工作，運(yùn)行正常[23]。

2.2 不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤

核電負(fù)荷跟蹤控制模式有美國(guó)西屋公司提出的MODE A和MODE B，以及法國(guó)法瑪通公司提出的MODE G模式[24]。

我國(guó)絕大多數(shù)機(jī)組采用的是MODE G模式，該模式的特點(diǎn)是：1)功率補(bǔ)償棒N1、N2、G1、G2調(diào)節(jié)由功率變化而引起的反應(yīng)性變化；2)用R棒組調(diào)節(jié)小的反應(yīng)性變化和堆芯軸向功率分布；3)用可溶硼調(diào)節(jié)慢反應(yīng)性變化。在采用該模式運(yùn)行時(shí)，通過(guò)操作員手動(dòng)操作的方式來(lái)調(diào)整軸向功率分布形狀，同時(shí)調(diào)節(jié)堆內(nèi)可溶硼濃度補(bǔ)償由于氙濃度變化等引起的較慢的反應(yīng)性變化，在負(fù)荷運(yùn)行跟蹤過(guò)程中操作員負(fù)擔(dān)重、調(diào)硼次數(shù)多、廢水產(chǎn)生量大。

AP1000采用了MSHIM控制策略[25]，簡(jiǎn)化了與功率變化有關(guān)的硼濃度控制，使硼濃度變化僅用于啟動(dòng)、關(guān)閉和燃耗。在負(fù)荷跟蹤運(yùn)行期間，控制棒自動(dòng)移動(dòng)精準(zhǔn)控制堆芯參數(shù)，減輕了操作員負(fù)擔(dān)，控制了廢水產(chǎn)生量，并能實(shí)現(xiàn)硼相關(guān)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，從而降低核電成本。鑒于此，新型反應(yīng)堆的研發(fā)設(shè)計(jì)可以就不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤技術(shù)開(kāi)展研究，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性與運(yùn)行靈活性的提升。

2.3 優(yōu)化的能動(dòng)與非能動(dòng)安全系統(tǒng)

二代改進(jìn)型壓水堆機(jī)組普遍采用能動(dòng)安全系統(tǒng)應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(design basis accidents，DBA)，缺乏完善的設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況(design extension conditions，DEC)應(yīng)對(duì)措施。

為進(jìn)一步提高安全性能，EPR在安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上采用了“加法”的設(shè)計(jì)思路，增加安全系統(tǒng)的數(shù)量以及冗余度[26]；AP1000采用了“減法”的設(shè)計(jì)思路，引入非能動(dòng)理念，設(shè)計(jì)了可以應(yīng)對(duì)DBA和DEC的非能動(dòng)安全系統(tǒng)，整套系統(tǒng)利用物質(zhì)自然特性，減少了安全支持廠房、安全級(jí)設(shè)備和相關(guān)廠房，極大簡(jiǎn)化了電廠設(shè)計(jì)。

“華龍一號(hào)”采用了能動(dòng)與非能動(dòng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，其中成熟可靠的能動(dòng)安全系統(tǒng)用于應(yīng)對(duì)DBA，非能動(dòng)部分則用于應(yīng)對(duì)DEC[9]，該類設(shè)計(jì)安全措施多樣化，安全性高，但系統(tǒng)復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性稍差。

考慮到非能動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，在后續(xù)壓水堆研發(fā)設(shè)計(jì)中，可以進(jìn)一步發(fā)展能動(dòng)與非能動(dòng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，提升非能動(dòng)系統(tǒng)的地位和作用，而將能動(dòng)系統(tǒng)作為非能動(dòng)系統(tǒng)在縱深防御體系中的補(bǔ)充措施，從而更好地滿足新形勢(shì)下核電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和創(chuàng)新性要求，更充分的實(shí)現(xiàn)能動(dòng)系統(tǒng)與非能動(dòng)系統(tǒng)的互補(bǔ)，從而以較低代價(jià)實(shí)現(xiàn)整體安全目標(biāo)。

2.4 安全殼性能提升

安全殼是壓水堆核電廠包容放射性物質(zhì)的最后一道屏障，對(duì)保證電廠安全至關(guān)重要。福島核事故后，業(yè)界尤為關(guān)注嚴(yán)重事故下的安全殼系統(tǒng)性能。

從放射性物質(zhì)包容的角度出發(fā)，首先考慮的是嚴(yán)重事故下放射性氣溶膠的遷移與熱力學(xué)現(xiàn)象，業(yè)界已開(kāi)展了廣泛研究，包括了單項(xiàng)機(jī)理及依托不同規(guī)模臺(tái)架的綜合效應(yīng)研究[27-29]，但對(duì)于影響氣溶膠遷移凝并的重要現(xiàn)象(如吸濕增長(zhǎng)、衰變荷電等)的研究仍有不足，非能動(dòng)冷卻方式下的安全殼內(nèi)氣溶膠綜合行為有待深入研究。在包容能力方面，美國(guó)、法國(guó)等分別開(kāi)展了比例模型研究[30-31]，此外，美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory,ANL)和桑地亞實(shí)驗(yàn)室(Sandia National Laboratory, SNL)還對(duì)22家核電廠的貫穿件結(jié)構(gòu)可靠性開(kāi)展了廣泛研究。這些研究主要集中于壓力荷載下安全殼結(jié)構(gòu)承載能力和貫穿件密封性能方面，缺少嚴(yán)重事故熱、力耦合下安全殼結(jié)構(gòu)失效機(jī)理和承載能力研究、安全殼結(jié)構(gòu)和貫穿件密封性能試驗(yàn)及定量化的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。在安全殼釋熱減壓和過(guò)濾排放技術(shù)研發(fā)方面，有必要探索新一代安全殼熱量導(dǎo)出和過(guò)濾排放技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)電廠經(jīng)濟(jì)性和安全性的提升。

在國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“嚴(yán)重事故下安全殼系統(tǒng)性能研究”項(xiàng)目資助下，中國(guó)核電工程有限公司聯(lián)合業(yè)內(nèi)單位正在對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行攻關(guān)，以支撐新型壓水堆的研發(fā)設(shè)計(jì)。

2.5 模塊化設(shè)計(jì)與建造

三代壓水堆的建設(shè)實(shí)踐證明，模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)是減少現(xiàn)場(chǎng)施工量、降低安全隱患、縮短建造工期和降低工程造價(jià)的有效方式。

采用模塊化設(shè)計(jì)和建造理念，根據(jù)核電機(jī)組全廠各系統(tǒng)部件和物項(xiàng)的功能和布置特點(diǎn)，將其分割成若干模塊，在工廠中進(jìn)行預(yù)先加工制造，并運(yùn)送至項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝與安裝。模塊化的特點(diǎn)是將傳統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)完成的工作移至工廠，增加了基于工廠的制造和組裝工序。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)平行施工，引入了大量預(yù)制等平行作業(yè)，使土建、安裝、調(diào)試等作業(yè)深度交叉，能有效降低現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)力投入，縮短建造工期并提高了工程質(zhì)量和工程調(diào)度靈活性，是解決我國(guó)目前核電安全高效批量建設(shè)與資源短缺、質(zhì)量安全之間矛盾的有效措施。

在模塊化技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)在建和已運(yùn)行部分堆型核電站雖然有如反應(yīng)堆廠房穹頂、核取樣實(shí)驗(yàn)室等局部采用模塊化施工的案例，但是系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)核電工程的模塊化設(shè)計(jì)和建造技術(shù)及規(guī)模化應(yīng)用還處于空白階段。該研發(fā)領(lǐng)域的重點(diǎn)突破，將顯著提升新型反應(yīng)堆的建造經(jīng)濟(jì)性。

2.6 智能運(yùn)維技術(shù)

面對(duì)搶占新一輪科技革命和行業(yè)變革競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的新形勢(shì)和從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略任務(wù)，我國(guó)提出“以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向”的戰(zhàn)略方針。

目前國(guó)內(nèi)海爾等家電行業(yè)、三一重工等裝備制造行業(yè)、九江石化等石化行業(yè)都已開(kāi)始智能工廠試點(diǎn)建設(shè)[32-34]。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，“智能工廠”在降低運(yùn)營(yíng)成本、縮短產(chǎn)品研制周期、提高生產(chǎn)效率、降低產(chǎn)品不良品率、提高能源資源利用率等方面具有顯著成效。核電行業(yè)作為保障國(guó)家安全與促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)行業(yè)，也陸續(xù)開(kāi)展了數(shù)字核電、大數(shù)據(jù)平臺(tái)、智慧電廠等相關(guān)技術(shù)研究工作[35-37]，但與上述行業(yè)相比，核電及其上下游產(chǎn)業(yè)的智能化水平仍有巨大差距。

以提升核電機(jī)組安全性能、降低運(yùn)維成本為目的，建議進(jìn)一步提高核電智能化水平，使得新一代壓水堆機(jī)組能夠滿足“無(wú)人監(jiān)控、少人值守”的總體需求，在運(yùn)行高度自動(dòng)化、主設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)及全數(shù)字化運(yùn)維支持等方面實(shí)現(xiàn)重大突破。

2.7 多用途利用

多用途利用是提高核電靈活性的可行途徑之一，包括了制氫、海水淡化、供熱、儲(chǔ)能等方向。

目前核能制氫有電解水制氫和熱化學(xué)制氫2種方式，前者核反應(yīng)堆供電，后者核反應(yīng)堆供高溫?zé)嵩?。由于壓水堆一回路冷卻劑經(jīng)堆芯加熱后的溫度大約為330 ℃，無(wú)法滿足熱化學(xué)制氫工藝要求的750～1 000 ℃的要求，因此只能采用電解水制氫方案，但該方案效率低下，限制了壓水堆制氫的發(fā)展。

在海水淡化方面，規(guī)?；暮Ｋ枰罅康哪芰肯?，而核電廠可以環(huán)保且持續(xù)地提供所需能源，因而許多國(guó)家對(duì)核能海水淡化給予了很大關(guān)注。我國(guó)遼寧的紅沿河核電站海水淡化系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)核電首個(gè)海水淡化系統(tǒng)，開(kāi)辟了核電站利用海水淡化技術(shù)提供淡水資源的先河[38]。

核能供熱主要有2種方式：低溫核供熱和核熱電聯(lián)產(chǎn)，核熱電聯(lián)產(chǎn)的最大優(yōu)勢(shì)是節(jié)能，實(shí)現(xiàn)了能源資源的優(yōu)化配置[39]，對(duì)于主流壓水堆核電廠的用途拓展而言，該方式較易實(shí)現(xiàn)。海陽(yáng)核電站2019年實(shí)施的核能供熱一期工程在首個(gè)供熱季運(yùn)行良好，為壓水堆的核能供熱提供了有益的參考。

近年來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)的迅速發(fā)展也為核電參與電網(wǎng)調(diào)峰提供了新的技術(shù)方案。在負(fù)荷需求較小時(shí)，可將多余的電力儲(chǔ)存，在負(fù)荷較大時(shí)則予以釋放，從而盡可能的維持反應(yīng)堆的平穩(wěn)運(yùn)行，降低電網(wǎng)調(diào)峰對(duì)核電廠的影響。

除了以上方面，延長(zhǎng)操作員不干預(yù)時(shí)間和電廠自治時(shí)間、減少固體廢物、減少環(huán)境排放、降低職業(yè)照射劑量等也是壓水堆技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)方向。

在壓水堆技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，核心自主化軟件及先進(jìn)數(shù)值計(jì)算和模擬方法的開(kāi)發(fā)與先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展將有力支撐上述各技術(shù)方向的研究。例如，國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)核反應(yīng)堆熱工水力團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)的核動(dòng)力系統(tǒng)高精度熱工水力模型開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究，為先進(jìn)壓水堆的研發(fā)設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供了重要的理論支持[40]。

3 壓水堆技術(shù)遠(yuǎn)期發(fā)展的思考

作為成熟可靠的核能技術(shù)，壓水堆在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將是核能發(fā)電的主力堆型，但需要在安全性、環(huán)境友好性、經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行靈活性4個(gè)方面開(kāi)展進(jìn)一步探索研究。在提高安全性方面，可以將研發(fā)重點(diǎn)從目前的安全系統(tǒng)的優(yōu)化提升轉(zhuǎn)移到消除或降低事故發(fā)生的可能性上，通過(guò)先進(jìn)燃料的研發(fā)和先進(jìn)工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)予以實(shí)現(xiàn)；在設(shè)計(jì)建造方面，進(jìn)一步提高各模塊的規(guī)模和復(fù)雜程度，降低現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)難度與強(qiáng)度,縮短建造周期；在運(yùn)行維護(hù)方面，進(jìn)一步提升核電廠的智能水平，充分實(shí)現(xiàn)實(shí)體工廠的數(shù)字孿生，實(shí)體工廠的數(shù)據(jù)信息完全映射于數(shù)字孿生體，以數(shù)字孿生體的高精度仿真運(yùn)行支持電廠的運(yùn)行維護(hù)。

在這一探索過(guò)程中，需要業(yè)界打破僵化思維，大膽開(kāi)拓，開(kāi)展更多設(shè)計(jì)理論的研究及原創(chuàng)技術(shù)的研發(fā)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)“碳達(dá)峰”與“碳中和”的戰(zhàn)略背景下，核能作為低碳清潔能源，具有廣闊發(fā)展空間，而成熟可靠的壓水堆技術(shù)在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將是核能的主力堆型。從20世紀(jì)50年代末起步開(kāi)始，隨著社會(huì)對(duì)核安全的日益重視，壓水堆技術(shù)不斷進(jìn)步，但在可再生能源技術(shù)迅速發(fā)展的現(xiàn)在，壓水堆技術(shù)的發(fā)展仍然面臨著一些問(wèn)題，歸納起來(lái)有經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行靈活性、安全性和環(huán)境友好性等4個(gè)方面。為促進(jìn)壓水堆技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，業(yè)界已開(kāi)展了若干有益的工作，如先進(jìn)燃料、不調(diào)硼負(fù)荷跟蹤、安全殼系統(tǒng)性能提升、模塊化設(shè)計(jì)與建造等技術(shù)研究，這些研究成果的應(yīng)用將顯著提升新型壓水堆的經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行靈活性、安全性和環(huán)境友好性。對(duì)于壓水堆技術(shù)的遠(yuǎn)期發(fā)展，業(yè)界還沒(méi)有形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，理論創(chuàng)新和技術(shù)探索還有廣闊空間。