世界核电厂发展概况：历史现状与未来趋势

核能是由原子核发生反应而释放出来的巨大能量。与化学反应和一般的物理变化不同,在核能生成的过程中,原子核发生变化,由一种原子变成了其他原子。核能可分为两种：一种是核裂变能,另一种是核聚变能。

核裂变反应是由较重的原子核分裂成为较轻原子核的反应。例如,一个铀-235原子核在中子的轰击下可裂变成两个较轻的原子核。1kg铀-235裂变时可放出8.32×1013 J的能量,相当于2000t汽油或者2800t煤燃烧时释放出来的能量。

氢有三种同位素,氕(pie,),符号为H,质量数为1,是氢的主要成分；氘(dao,,又称为重氢),符号为D,质量数为2,可用于热核反应；氚(chuan,,又称为超重氢),符号为T,质量数为3,可用于热核反应。

核聚变反应是由较轻原子核聚合成为较重原子核的反应。例如,氘和氚的原子核结合在一起生成氦核,这个过程可以释放出核聚变能。

1kg氘聚变时放出的能量为3.5×1014 J,相当于4kg铀。如果能实现可控核聚变,则一桶水中含有的聚变燃料就相当于300桶汽油。不过,目前核聚变的利用技术还在开发过程中,预计到2050年前后才能实现大规模商业化应用。

1938年,德国的哈恩和斯特拉斯曼首先发现了铀的裂变反应,揭开了原子能技术发展的序幕。在费米教授的领导下,美国在1942年建成第一座原子反应堆,1945年制成第一颗原子弹；1951年12月20日,美国的一个反应堆开始发电,点亮了4盏灯泡；1954年,苏联建成世界上第一座核电厂,6月份发电,功率为5000kW。这一时期的核反应堆技术以军事应用为主,逐步向民用转化。进入20世纪50年代之后,核能的和平利用技术开始得到快速发展。

目前,国际上通常把核电技术的发展划分成四个阶段。第一个阶段是20世纪的五六十年代,是核电大规模商业化应用之前的实验验证阶段,其中比较典型的有美国的希平港(Shippingport)压水堆核电站,它是较早的商业运行核电厂,装机容量为60MW,1957年12月首次临界。1982年10月关闭。该反应堆最初是作为航母的动力装置设计的,后改为民用,且于1977年改为轻水增殖堆。还有英国发展的镁诺克斯合金(Magnox)核反应堆技术,采用二氧化碳作为冷却剂,石墨作为慢化剂,镁诺克斯合金作为包壳材料。该技术的首次应用是英国的卡德霍尔(Calder Hall)核电站,1956年3月并网发电,2003年3月关闭。该种核反应堆技术目前已被淘汰。这一阶段的核反应堆技术被称为第一代核能系统(generationⅠ)。从20世纪50年代末期到70年代末期是核电厂发展的高潮期。继苏联建成核电厂之后,美国研制了轻水反应堆(轻水压水堆和轻水沸水堆),英国和法国发展了气冷反应堆,加拿大发展了坎杜型(CANDU)重水反应堆。利用核裂变的核电厂已经达到了技术上走向成熟、经济上有竞争力、工业上大规模推广的阶段。特别是能源危机的影响,使很多经济发达国家把发展核电放在重要的位置。到1979年年底,已有22个国家和地区建成核电厂反应堆共228座,总容量1.3亿多kW,其发电量占全世界发电总量的8%。(www.xing528.com)

20世纪80年代,核电的发展比较缓慢,核电发展进入了低潮期,主要原因是：①工业国家发展趋于平稳,产业结构由高能耗向高技术、低能耗的方向调整,能源供给不足的局面得到缓解；②核电的安全性受到社会的进一步关注,特别是美国三里岛事故和苏联的切尔诺贝利事故,使核电的发展受到很大影响。

从20世纪80年代末到90年代,由于许多发展中国家、特别是亚洲很多国家经济的迅速发展,对能源的需求日益加大,同时人们对核电技术及其安全性也有了更充分的认识,促进了核电的快速发展。到1998年,世界上已有核电机组429台,装机容量达345407 MW,其中美国104台,英国35台,俄罗斯29台,韩国14台,日本52台,印度10台,法国58台,中国大陆3台,中国台湾6台。新建核电厂主要在发展中国家。

从20世纪60年代后期至2l世纪初世界上大批建造的、单机容量在600～1400MW的标准型核电厂反应堆称为第二代核能系统(generationⅡ),目前世界上在运行的核电机组基本上都是第二代核能系统。和第一代核能系统不同的是,第二代核能系统是基于几个主要的反应堆技术形式,每种堆型都有多个核电厂应用,是标准化和规模化的核能利用。第二代核能系统的堆型分布为：PWR(轻水压水堆)约为66%(290GW)；BWR或ABWR(沸水堆和先进沸水堆)约为22%(97GW)；PHWR(重水压水堆)约为6%(26GW)；其他堆型为6%。

第三代核能系统是20世纪80年代开始发展、90年代中期开始投放核电市场的先进轻水堆,主要包括GE公司的先进沸水堆(advanced boiling water reactor),法国法马通和德国西门子公司联合开发的欧洲压水堆(EPR),ABB-CE公司开发的系统80(system 80),以及西屋公司开发的AP600。第三代核能系统是在第二代核能系统的基础上进行的改进,均基于第二代核能系统的成熟技术,提高了安全性,降低了成本。第三代核能系统研发的市场定位是欧美等发达国家20世纪90年代末期和21世纪初期的电力市场。由于第二代核电厂的设计寿命一般为40年,20世纪60年代前后建设投运的一批核电厂将在20世纪末和21世纪初相继开始退役,核电会有一定的市场发展空间。不过,实际上,第三代核能系统的市场竞争力较弱,主要原因是：全球电力工业纷纷解除管制,进行电力工业的市场化改革,而核电系统的初投资太高、建设周期长,因此投资风险较大,在自由竞争的电力市场中吸引投资的能力较弱；同时,核电厂的退役费用较高,很多第二代核电厂倾向于采用延寿技术推迟退役时间。为此,第三代核能系统只能进一步改进,主要是降低成本和缩短建设周期,这种改进的第三代核能系统也称为第三代核能系统,典型的如西屋公司的AP1000。

21世纪初,在美国的倡导下,一些国家的核能部门开始着手联合开发第四代核能系统(generationⅣ)。按预期要求,第四代核能系统应在经济性、安全性、核废处理和防扩散等方面有重大变革和改进,到2030年实现实用化的目标。目前,第四代核能系统处于概念设计和关键技术研发阶段。