第一代到第四代反應堆

孤寂如雲

【法國原子能委員會網站報道】 自從20世紀50年代民用核反應堆誕生以來，世界上的核電反應堆經歷了很大的發展和變化。

　　第一代反應堆集中了世界上（主要是美國、俄羅斯、法國、英國）建造的首批原型堆。

　　目前正在運行的是第二代反應堆。主要有美國、歐洲、日本的壓水堆（PWR）和沸水堆（BWR）；俄羅斯設計的輕水堆（VVER）；東歐國家的壓力管式沸水堆（RBMK），以及加拿大和印度的坎杜重水堆（CANDU）。

　　第三代反應堆已做好建造的準備。實際上，日本已經建造了2臺機組（柏崎·刈羽6號和7號）。根據需要和各國的情況，2010∼2015年期間，第三代反應堆將替代正在運行的第二代。

　　第四代反應堆還處於研發階段，目前已有多種研發規劃，預計將於2030年達到技術成熟，2035∼2040年開始建造首批機組。
　　
　　第一代反應堆

　　第一代反應堆是20世紀50∼70年代建造的首批原型堆：美國1957年臨界的首座用於發電的60MW壓水堆（希平港）；法國1956年臨界的天然鈾石墨氣冷堆（UNGG）和英國的石墨氣冷堆（MAGNOX）。

　　這一代反應堆受到燃料循環的限制，尤其是在20世紀50∼60年代，一方面沒有工業濃縮鈾技術，另一方面某些希望擁有核威懾工具的國家需要生產裂變材料。在此種背景下，反應堆只能使用天然鈾作燃料，用石墨或重水作慢化劑。

　　法國建造和運行了3座產鈈堆（G1、G2和G3），和6座發電堆。

　　盡管更大規模的反應堆具有令人感興趣的特點（熱效率高、可使燃料得到更充分的利用），但是，由於受到技術限制，投資費用高，提高安全性困難，因此第一代反應堆的功率通常較低。
　　
　　第二代反應堆

　　第二代反應堆是20世紀70年代到2000年投入運行的商業反應堆，有PWR、BWR、VVER和CANDU幾種堆型。在這個階段，PWR和BWR向著更簡單、可靠和經濟的方向發展。這兩種反應堆目前占世界核電反應堆總數的85%。

　　在法國和世界的工業經驗反饋中，第二代反應堆從經濟和環境方面驗證了核電的性能，核電的價格與化石燃料相比非常有競爭力，廢物排放大大低於允許限值。世界上的反應堆累計運行超過1萬堆年，表明這些工業技術是成熟的。

　　目前，世界上運行中的反應堆為441座。平均壽期為20年，有50座已超過30年，8座超過40年。

　　世界上運行中的PWR和BWR核電機組的平均壽命(略)

　　第三代反應堆

　　必須向第三代反應堆發展的要求始於1979年美國三裏島核事故。主要目標是要提高現有反應堆的安全性，雖然這些反應堆實際上已被證明具有很高的安全性。

　　第三代反應堆派生於目前運行中的反應堆。設計基於同樣的原理，並在技術上汲取了這些反應堆幾十年的運行經驗。

　　1993年，法國和德國的核安全機構批準了未來壓水堆安全的發展方向，並確定了新的安全參考標準。新的安全發展方向規定，假如發生嚴重事故，放射性及其效應不得影響到電廠以外。

　　因此，在自1992年開始的歐洲壓水堆（EPR）的研究和設計工作中，安全被作為首要參考因素。加強安全主要表現在，為了進一步降低事故發生概率，增加了安全裝置的冗余度，而且非能動安全設計可確保機組在發生事故時仍能正常運行。

　　EPR的設計和改進是法德15年的研發成果。該反應堆有以下明顯優點：
　　·安全性大幅提高，
　　·造價降低，
　　·長壽命廢物量降低，
　　·競爭力提高。

　　在核領域，第二代與第三代之間的過渡已開始多年。例如，日本1997年投入運行的柏崎·刈羽核電站兩臺機組，法國分別於1996和1999年投入運行的舒茲和希沃N4系列都屬於這一類。韓國已計劃2010年建造第三代反應堆。美國也計劃2010年建造水冷或氣冷堆。中國也有同樣的計劃。

　　第四代反應堆

　　第四代反應堆是未來的系統，無論是從反應堆還是從燃料循環方面都將有重大的革新和發展。作為2000年美國能源部（DOE）發起倡議的繼續，2001年成立了第四代反應堆國際論壇（GIF），參加方有：阿根廷、巴西、即拿大、法國、日本、韓國、南非、瑞士、英國和美國。

　　成員國承認，在可持續發展和防止溫室效應方面，核能能夠發揮很大的作用。國際合作圍繞著以下幾方面進行：
　　·持久性：該目標包括兩個方面：從長遠看有利於節省自然資源（鈾）；廢物量最少化；
　　·經濟競爭性：目標是降低投資費用與運行費用；
　　·安全和可靠性：目標是（如果可能）排除疏散核電廠外部人員的必要性；
　　·加強防擴散和實體保護能力。

　　此外，考慮到長期需求的變化，未來的核設施不應該只局限於發電，應能滿足其他需要，如產氫或海水淡化等聯合生產。

　　同已實現的關鍵技術方案一樣，未來反應堆的研發需要在國際範圍內進行密切合作，尤其是在GIF範圍內的合作。2002年對最有希望的未來反應堆概念進行了選擇，選擇了在能源可持續性、經濟競爭性、安全和可靠性以及防擴散和外部侵犯能力方面最具前景的6種核系統。

　　選定的6種系統中有2種高溫氣冷堆，2種液態金屬（鈉和鉛合金）冷卻堆，1種超臨界水冷堆和1種熔鹽反應堆。6種系統中有4種是快中子堆，5種采取的是閉合燃料循環，並對乏燃料中所含全部錒系元素進行整體再循環。

　　第四代反應堆概念與前幾代完全不同，必須以大量的技術進步為前提。對這些系統的研究才剛剛開始。概念可行性研究結束後，對第四代系統的研究將進入技術和經濟性論證階段。目標是獲得工業上成熟的第四代核系統，根據市場情況，2035年可能開始實現首批工業應用。

　　結論

　　在未來50年內，核工業界將以工業規模發展第三代反應堆，並為第四代做準備。第四代反應堆的壽命為40∼60年不等。因此，第二代、第三代和第四代反應堆將在21世紀共存。

　　第三代反應堆可能會使用相當長時間（2000∼2040年）。實際上，日本已開始第三代的工業應用，並將持續下去，直到2035∼2040年由工業規模的第四代反應堆替代。

　　如果考慮到美國、中國、亞洲或印度等國公布的能源需求預測，以及建造和更新設施的需要，第三代反應堆將在世界上得到廣泛應用。

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