核裂变发电的选择

20世纪后二十年，人类在新材料、计算机自动控制、紧密加工等技术领域都取得了飞速发展。经济可持续发展要求和全球变暖的环境压力为核能的发展开辟了新的机遇。ABWAR、AP1000、EPR等新一代商用技术基本成熟；气冷快堆、钠冷快堆、铅冷快堆、超常高温气冷堆、超临界轻水堆、熔盐堆等性能指标更高的第四代新型核裂变堆的研发已经启动；核能制氨、海水淡化、供热等多种核能利用技术已获得高度关注，核能的第二春天正在来临。目前世界能源供应的模式不是可持续的，必须进行重大调整，同时也为中国核电迎来了快速发展的机会。中国的核电始于20世纪80年代，在世界核电国家中起步比较晚，其后发优势是起点高，可以借鉴国际上已有的经验，避免重复失败的研发投入，选择适合中国的可持续发展的技术路线。中国在一开始投建商业核电厂的同时，也进行了中长期核电技术的研发，制定了压水堆→快堆→聚变堆的核电发展路线和研发高温气冷堆的计划。

为迎接核能新纪元的到来，目前国际核电发展的主流是：近期部署已经基本完成或在2020年前能够完成商业研发的新一代核电反应堆，主要是第三代先进轻水堆、高温气冷堆，主要的堆型包括AP1000、EPR、ESBWR、SWR、GT-MHR和PBMR，以及目前已经在日本投入运行的ABWAR等；中远期部署是能够在2030年左右完成商业开发的第四代先进核能系统。

在预期近期可投入市场开发的各种先进反应堆中，除GT-MHR和PBMR外，都是基本达到可进行商业建造水平的技术成熟的革新型先进轻水堆。GT-MHR和PBMR是两种技术比较成熟的石墨慢化和氨气冷却的热中子谱高温气冷堆（图6-9、图6-10）。

图6-9　PBMR包覆颗粒燃料、燃料球和PBMR结构布置

图6-10　GT-MHR结构布置、包覆颗粒燃料、燃料块和燃料组件

Gt-MHR主要基于美国AG公司开发的柱状高温气冷堆技术（1974年关闭的40 MW的桃花谷和1989年关闭的30 MW的圣福伦堡堆），日本原子能研究院（JAERI）从1990年开始筹建热功率为30 MW的棱柱高温气冷实验堆HT-TR，并于1998年首次达到临界，2002年开始在850℃堆芯出口温度下进行满功率稳定运行，2004年堆芯出口温度在满功率的条件下完成从850℃升高到950℃的运行试验，是继德国46 MW热功率试验高温气冷堆AVR于1974年2月到达过950℃的堆芯出口温度之后，世界第2座高温气冷试验堆达到这样高的温度，也是目前世界上唯一能达到950℃的堆芯出口温度的先进反应堆。PBMR的技术主要基于德国早期开发的球床堆技术（在1988年关闭的约30 MW的示范高温气冷堆THTR和13 MW的试验高温气冷堆AVR），包覆颗粒燃料被弥散地封装在直径为60 mm的燃料球内，堆芯由几十万个这样的燃料球在一个压力容器内用石墨砌成的球床内堆成，在运行中可以实现反应堆的连续换料。PBMR堆芯出口温度设计运行在900℃，最新设计采用日本三菱公司研发的卧式氦汽轮机直接循环发电，设计净发电率可达到44%。中国建成的10 MW热功率高温期冷实验堆也以德国早期开发的球床堆技术为基础，是目前世界上仍在役的唯一的球床式高温气冷堆。显然，美国和德国留下来的宝贵技术遗产为今天重新进行高温气冷堆的商用开发提供了高起点的技术平台。

可持续发展成为人类进入21世纪之后所面临的首要问题。面对挑战，国际核能界正在进行多方面的研究和调整，其中一项举措就是对第四代核能系统（以下简称Gen-Ⅳ）的研发。按广泛被接受的观点，已有的核能系统分为三代：①20世纪50年代末至60年代初世界上建造的第一批原型核电站：②60年代至70年代世界上大批建造的单机容量在600～1400 MW标准型核电站，它们是目前世界上正在运行的444座核电站的主体：③在80年代开始发展、在90年代末开始投入市场的ALWR核电站。Gen-Ⅳ的概念最先在1999年6月召开的美国核学会年会上提出。随后在2000年组建了Gen-Ⅳ国际论坛，目标是在2030年左右，向市场上提供能很好解决核能经济性、安全性、废物处理和防止核扩散问题的第四代核能系统。