第四代核电站

第四代核电站
来源：James KE,PhD (2000~2001年美国核能学会主席)
美国核能发电的预测，近年已非常明确。

美国核电站的经济性、运行成绩及安全性极其良好。

核能发电的安全性及经济性方面的管理规则已开始发生变化，这是改善未来核电站运行经济性的方向。

另外，核电站的运行执照已开始延长至60年，对清洁、无暖化气体释放的核能发电价值的认识有了更大提高。

由于这些情况的变化，奠定了美国核电站继续良好运行的基础，并产生了新建核电站的可能性。

为了实现核能发电美好的未来，我们必须面对以下5个课题的挑战：
要保持核能发电的经济竞争力；
一般公众要继续确信核电站和燃料循环的安全性；
确实有效地对放射性废物和乏燃料进行管理，政治解决放射性废物最终处置的路线；
将商业核燃料循环过程中核扩散的可能性控制在最低限度；
保证未来人才需求，继续保持核工业必需的基础构架。

在第四代反应堆开发计划中，希望国际核能团体集中力量向上述课题提出挑战。

１能源需求
提供丰富的电力是渴望经济发展的国家的重要基础。

能源，具体讲，电力是经济发展的燃料，是经济发展的牵引力。

但是，世界1/3以上（超过20亿人口）的人们，迄今仍生存在无电力的生活环境之中。

并且还有约20亿人口人平电力消费在100W以下。

与此相比，日本、法国等经济发达国家的人平电力消费在800W以上，美国的人平实际消费在1500W以上。

发展中国家的政府如果要发展经济，通过经济发展来提高人民的生活水平，必然要增大电力的使用量。

在预测未来电力供给量需求的报告中，未来20~2 5年的电力需求将是现在的2倍，到2050年将达到3倍。

其发电量的需求增加，主要是亚洲和拉丁美洲各国高速的经济发展。

实际增加还要加上美国及欧洲的老化发电设备（主要是化石燃料发电）的更新部分。

世界这种电力需求的巨大增加，摆在发达国家面前的问题就是用什么来补充新的电力。

发达国家不要说有道德上的责任，也存在有想帮助发展中国家维持经济发展和提高生活水平的基本愿望，另外，还必须维持各国的能源及经济安全。

现在，世界上有435座发电用反应堆，向世界提供着约16%的电力。

我们充分地认识到核能是经济的，是安全的，并且是一种没有暖化气体释放的电力源，但同时也深刻地认识到，
从公众的安全性来讲，存在着处置放射性废物的巨大课题。

有关这方面的问题将在以下的章节中加以论述。

在未来的世界能源需求中，核能应该发挥巨大的作用，也必须发挥巨大的作用，并且，作为不会排放暖化气体、能进行大规模开发的唯一的技术，其作用将不断发展，现在我们决心推进这一方案。

如果说应该向世界提供足够的、干净的电力是一种所谓的道德要求，在几种可选择的能源中，只有核能占有重要的位置，对我们而言，这就是道德的要求。

２核能发电的变化
我们现在正处于新千年伊始，面临着世界能源不可预测的需求增长和经济成长。

我们有必要回答这样的问题，核能处于怎样的状态，阻碍未来核能发展的原因是什么，另外，为了解决存在的问题，现在我们应该做些什么。

美国是进行核能开发和应用的先驱者，针对核能的现状，面对未来的挑战，必须提出非常重要的指标。

1999年，美国103座核电站提供了20%的电力（7300亿kWh）。

在美国，自70年代（译者注：可能为80年代）初期开始，尽管没有新的核电站订货，在过去的20年时间里，核电站发电量每年按8%的速度增加。

70年代订货的核电站达到40座，最后1座是在1996年开始投入运行的沃兹巴1号（Watts BarⅠ）核电站。

核电站的负荷因子不断提高，到1999年已达到了88%。

美国本土的核电站的总发电量，已从1980年的3000亿kWh增加到了现在的7300亿kWh。

美国总发电量的增加，其主要原因是由于美国核能发电良好的经济性。

在提高核电站经济性的同时，安全性也有的很大的提高。

世界核能发电事业协会(World Association of Nuclear Operators)公开发表的安全指标仍在不断得到刷新。

这些指标包括计划外自动停堆（美国2/3的电站都为零）、工业安全性（与全美工业平均值相比，美国核电站的事故率在1/10以下）在内，电站从业人员的累计辐照剂量，比1980年减少了80%。

作为世界的发展动向，因竞争机制的引入，正在放宽以降低消费者电价为目的的电力事业管理法规。

由于管理法规的放宽，在竞争机制发挥作用的美国市场，早期预计核能发电可能会因经济的原因而遭到淘汰，但现在却出现了截然不同的情况。

在美国的24个州推行的放宽管理法规的过程中，有关核电站剩余资本费回收问题上，已达成协议。

由于剩余资本费回收的终止，同美国其他电力供给相比，与运行、维护、燃料相关的发电成本已达到了极具竞争力的水平，所以，核能的经济魅力有了很大的活力。

1999年，核能发电平均非资本费用大致为2美分kWh。

在美国市场上，这是最低的价格，与煤电大致相同，与天然气发电相比，便宜许多。

天然气发电成本约为3.5美分kWh，由于天然气价格的上涨和燃气轮机投资费的增加，预计还会上升。

美国市场核能发电经济性环境的改善，引发了想获得核能资产及想取得反应堆所有权的热情，其结果是出现了更加强大有效的核能发电公司。

相同的集约化公司在世界的电力供给市场和核燃料市场也开始产生。

这种市场诱导式的集约和作为美国核能资产商业的巨大魅力表明了美国核能产业在经济方面的健全性。

美国核管会（The U.S.Nuclear Rgulatory Commission）正在修改核电站的运行规则。

新规则程序按照实效基础的风险优先管理规则标准。

一般认为，按照新程序，只要不损害安全性，就可能取消与经济负担相关的过分的管理规则。

核管会于2000年3月23日已批准了巴尔迪摩煤气电气公司（Baltimore Gas & Electric）公司的卡尔浮悬岩（Calvert Cliffs）核电站延长20年的运行执照申请，2000年5月，又批准了杜克奥康尼（Duke Oconee）核电站延长运行的执照申请。

这些运行执照的延长申请手续是在2年以内完成的，另外，还有8座核电站已提出了延长运行执照的申请，预计还有近30座的核电站将提出延长运行申请。

核能产业界和核管会预测美国最终会有80%的核电站将提出延长运行的申请，并会得到批准。

到目前为止，核能发电对环境是一种干净的能源的这一好处，还没有足够的认识，也未做出很好的评价。

随着化石燃料的燃烧所引起的微粒子及气体排放对健康的影响，尤其是暖化气体排放的增加对气候重大影响的科学证据的集累，各种能源对环境负担的讨论，将会引起国际上的关注。

在美国能源政策中，检测环境负担的品质已逐渐占居了重要地位。

并且，如果我们将经济发展的要求和对环境的责任统一考虑，现有的核电站继续运行、增加现有核电站的发电容量以及新建核电站，在美国未来能源政策中将举足轻重。

３核能面临的课题
近3年来，美国围绕核能的经济性环境、管理规则、运行、安全及环境负担的情况，已有了戏剧性的变化。

在世界范围内也可见到同样变化的兆头。

透过这些变化，我们认为，就核能的未来，不仅是现有核电站的继续运行，新建核电站的动工等已出现了比较光明的未来。

但是，其光明未来的前提条件是要解决以下5个课题。

必须继续保持核能发电的经济竞争力，在管理规则放宽的世界电力市场中，必须具有能继续改善其经济性的能力。

现有反应堆运行的经济性是极为良好的，但新建核电站的资本费（$1500~2000/kW）和较长的建造时间、审批时间、退役时间，与美国市场的燃气电站相比，是不能相比的。

针对公众对核电站和核燃料循环的安全顾虑，必须继续确保足够的可靠性。

现有轻水堆技术是极为安全的，但针对运行和维护的过分可靠，在某种意义上是更容易出问题，包括危险时刻在内。

尤其是在熟练技术支持基础差的国家或不同安全文化和工作文化的国家，要发展这种轻水堆技术可能存在问题。

必须对核燃料废物进行很好的管理，要解决燃料循环的后处理问题。

建设永久的处置场，还是建设中间贮存设施，美国正处于努力从政治上解决核燃料废物处置的时刻，我们具有政治上的意愿和指导力，当达成一致意见时，是可能解决的。

必须将商业性核燃料循环的核扩散可能性限定在最低限度。

今后，随着核能发电在世界范围内的发展，为了继续防止核扩散，所有核燃料供给国及反应堆运行国要承担起技术改进的义务。

为了保持核能技术发展的基础，在世界范围内要持续不断地培养出核能技术人才。

保证持续的人才供给，维持研究开发机构、国家研究所、大学、企业的技术基础，按最佳的状态发挥作用，为此，国际合作是非常必要的。

４第四代反应堆对课题的响应
核电站始于50年代到60年代开发的第一代轻水冷却反应堆。

在这些反应堆的基础上，开发出了现在世界上已建成的更加大型的压水堆和沸水堆（第二代）。

目前我们正在进行标准化和最佳化的设计，处于大力采用非能动安全性的第三代核能发电技术的前期。

一旦将来形成了核能发电更广宽的市场，希望组成世界性的联合体。

因而，对于我们上述提出的5个课题的前4个课题，有必要提出应该怎样解决技术问题的方案。

就我个人的看法，在非常复杂的情况下同意过度简化的危险性的基础上，阻碍未来核能发电的最大因素是建造成本问题。

第四代反应堆技术面临的课题有：①降低建造成本（尤其是资本费）；②改善安全性（尤其是公众的安全）；③为减少因废物处置政策的变更而出现的长期性经济脆弱性，实现废物量的最少化；④减少核物质扩散的可能性。

为了适合21世纪世界核电市场的需求，新的、革新型反应堆技术应该降低资本费用。

为此，在将核电站的建造费用降低到能与其他能源竞争的水平方面，所谓的“制造”新方法和加快核电站的发展，将起重要作用。

这种方法完全不同于过去通过大型化来降低成本的方法，它是一种适合于核电站建造的新方法，即从像机场的建设和设计那样的现场一座一座地建设，改变为像制造飞机一样，由世界范围内的厂商提供部件，在工厂进行组装的方式。

为了能满足新建核电站或电力需求的要求，在更加便于市场接受的小型反应堆（100Mwe）方面，这种工厂制造核电站的概念受到了人们的关注。

在小型反应堆领域，南美（译者注：可能为南非）卵石床模块反应堆和阿根延的CAREM反应堆就是根据这种概念而研究的。

美国能源部（DOE）的核能研究鼻祖（Nuclear Energy Research Initiative）正在对几种小型反应堆系统的概念设计进行评价。

2000年5月，美国能源部召开了美国国内及世界核能产业界、学会、国立研究所、国际机构及政府机构的近100专家参加的专题讨论会。

这次讨论会的目的是在于形成世界通用的第四代核能发电系统的第一个设计目标，以满足能适合于核能发达国家及发展中国家并具有竞争力的下一代核能系统的条件。

其专家讨论会的详细内容在网页上可看到。

这次讨论会的结论归纳如下：
第四代核能发电系统的基础电力成本无论是建在美国国内地区，还是建在其他国家，都必须具有与其他电力资源的价格竞争力。

在美国，天然气是其比较的对象，其成本在美国约为3美分/kWh。

第四代核能发电系统的投资风险必须最小。

希望核电站的投资费用只能在1000美元/kW，建造时间在3-4年。

第四代核电站必须具有更高的安全性系数，不仅要得到国家的安全法规官员的认可，还要得到一般公众的认可。

其中必须降低发生堆芯损伤的可能性是必需的条件。

但仅此要求还不够。

第四代反应堆的设计还要公开，通过具有透明度的综合反应堆试验，最可能发生事故的后果必须证明不会发生重大堆芯损伤。

这就是说，在事故时的温度方面，要使用不熔化的堆芯燃料和包
壳材料，要使用化学反应性小的冷却剂，并且，在最坏的事故条件下，利用非能动冷却导热系统，以实现将堆芯温度维持在可进行处理的范围。

要制定出紧急时防止给现场外的公众带来影响的事故方案。

第四代核能技术应该根据现有反应堆运行的相关知识和经验进行设计，在维持方面,必须保持对人为错误较高的冗余性。

从采矿到燃料制造、反应堆运行、废物处理的全部燃料循环、运输、反应堆解体及去污的所有过程，在第四代反应堆中，必须从最初就要有所考虑。

尤其是在所有废物的流程中，都应有彻底解决的方案。

并且，第四代反应堆的技术在设计上要做到将产生的废物量减少到最低限度，例如燃料要达到极高的燃耗深度等。

第四代先进反应堆系统和在其燃料循环方面，出自商用核燃料循环的物质必须保持对核扩散不利的状态。

换句话讲，就是利用反应堆系统本身特性，在商用核燃料循环中通过处理的材料，对于核扩散具有更高的防止性，将来自核燃料循环的回收物质应用于核武器的路完全堵死。

在美国能源部，为了评价核能的核不扩散性，针对第四代反应堆候补系统正在开发定量评价防止核扩散性的方法。

目前，美国对于第四代反应堆的技术路线或反应堆概念并没有特定倾向。

我们正在组织美国国内的及世界各国的研究所、大学、研究机构的技术开发团体各方面的人才，联合世界核能产业界人士，取得基本的共识，以满足21世纪世界核能发展所提出的性能要求，构筑确能支撑可持续的国际概念设计开发计划的技术基础。

现已组织起了唱导各种型号反应堆概念的专家。

第四代核能系统的各种反应堆应具有怎样的性能及适用性，世界范围内的研究小组已开始相应研究。

在这些反应堆概念中，包括球床或块型燃料的高温气冷堆、使用钠冷或铅合金冷却剂的常规液态金属冷却堆、具有超临界水冷却的先进水冷堆或作为废物燃烧堆的熔盐系统之类的特殊反应堆系统。

超长寿命堆芯采用燃料元件盒型堆芯的小型堆的可能性正在增大。

这种堆芯不需要再换料，在现场可进行组装，寿命结束后，可换成下一个系统。

不管是采用哪一种反应堆概念作为第四代核能系统，都存在有许多应解决的技术课题。

这些课题通过集中的研究开发解决技术上的问题，一般认为能满足其要求的性能。

例如，涂层燃料颗粒在高温中的稳定性和高燃耗性是高温气冷堆是否成立的基础条件。

在铅化合物冷却系统中，高温条件下的材料特性，尤其是耐蚀性是其是否成功的技术课题。

美国能源部准备在2001年制定出有关第四代核能系统反应堆纲领的技术路线。

这就是要使第四代核能候补系统成为未来市场选择的对象，美国研究开发计划要集中体现能解决的关键技术课题。

最后，从持续发展的观点来点，要寻求有关经济因素、环境的品质、社会责任新的平衡。

为了坚持未来核能发电为社会的持续发展作出贡献的这一目的，第四代先进反应堆系统必须对社会或公众所关心的或担心的问题作出回答，这些问题包括对安全性的关心、开放的或封闭的燃料循环、地层处置的废物保存中长寿命锕系统元素物质对环境的压力等。

５未来之路
未来的能源市场将成为世界性的能源市场，所以第四代核能技术也必须是世界范围内通用的技术。

美国能源部、核能科学技术局在William D.MagwoodⅣ的领导下，开展世界范围内有关下一代核能技术的要求和特性的对话。

由政府高官和技术专业人员组成的国际性组织——第四代
核能开发工作组已开始了共同目标、共同利益的讨论，另外，通过联合开发计划开展2国或多国间进行下一代核能技术开发的关系正在确立。

６美国核能学会的作用
美国核能学会（ANS）正在积极推行第四代核能开发战略，即美国核能学会已认识到了第四代核能开发的使命和实现其开发的重要性，美国核能学会是发展核能科学技术的领导者，在核能政策方面能发挥有效的作用。

美国核能学会的官员及会员是美国能源部第四代核能计划制定的国际性工作组织和讨论会的主要成员。

美国核学会是由专家组成的学会，有责任进行这方面的工作，能够组织政府、产业界、技术开发、教育团体以及国际性领导者的技术讨论会。

各成员通过这些讨论会，可就世界共同关心的核能问题进行讨论，发表各自的意见，为培育未来健全的技术形成共同的看法，并加以实现。

美国核能学会支持发表开发第四代核能科学技术研究的研究会、技术研讨会、专题研讨会的召开。

美国核能学会的官员定期地与华盛顿D.C高级官员进行交流，为制定健全的政策提供技术情报。

最后我想说的是，美国核能学会在1999年下半年已通过了主张在不久的将来进行有关第四代核电站的设计、建造、运行的决议。

７面向未来
在美国及世界范围内，有关核能发电的经济状况、运行成绩、安全性非常良好，这是我们继续描绘核能发电未来的可靠基础。

面对核能发电的经济性、安全性、放射性废物、防止核扩散的课题，我们有责任采取相应的措施，尽可能地承担核能基础建设的发展，其未来是光明的。

这些将是我们尽力面对的课题。

汪胜国译自《日本原子力学会志》Vol.43.No.5(2001)。