自從1954年蘇聯(lián)建成了世界第一座核電站以來，人類和平利用核能已經(jīng)長達(dá)61年了。在這半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里，核電技術(shù)經(jīng)歷了3次飛躍，共形成了4代技術(shù)，每一代核電站在經(jīng)濟(jì)性、安全性和高效性方面都取得了更大的突破。那么，從第一代到第四代核電站在技術(shù)上都有哪些改進(jìn)呢?
美國1957年建成的希平港核電站的反應(yīng)堆容器，該核電站已于1982年退役
中子敲開核電大門
核能利用的起源可以追溯到80多年前。1932年，英國物理學(xué)家詹姆斯˙查德威克進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原子核的組成部分除了有之前已知的帶正電的質(zhì)子和帶負(fù)電的電子，還存在一種不帶電的中子，使科學(xué)界更加全面地認(rèn)識(shí)了原子核的構(gòu)造和特性。原子彈和核電站所利用的核反應(yīng)就是由中子觸發(fā)的。查德威克的這一發(fā)現(xiàn)，如同一把開啟原子核之門的鑰匙，成為核能利用的開端，他也因此獲得了1935年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
奧地利裔瑞典科學(xué)家麗絲·邁特納(Lise Meitner)(圖左)于1939年4月提出核裂變概念
在這一基礎(chǔ)上，后來的科學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，用游離的中子撞擊鈾等重元素的原子核，會(huì)使該原子核一分為二，同時(shí)放出比同等水平的化學(xué)反應(yīng)大幾百萬倍以上的恐怖能量，這就是原子彈和核電站的工作原理——核裂變反應(yīng)。
發(fā)生事故半個(gè)月后的美國三哩島核電站
第一代證明核能發(fā)電可行
盡管世界上第一顆原子彈1945年就在美國誕生了，但它這種瞬間釋放全部能量的反應(yīng)模式無異于“一錘子買賣”，只是為破壞而生的一介莽夫，用來造福生產(chǎn)生活還是有很大距離的。直到1954年6月27日，蘇聯(lián)終于建成了由石墨水冷反應(yīng)堆構(gòu)成、發(fā)電功率為5兆瓦(1兆瓦=1000千瓦=0.1萬千瓦)的世界第一座核電站——奧布涅斯克實(shí)驗(yàn)性核電站。很快，英國在1956年建成了45兆瓦的卡德豪爾石墨氣冷堆原型核電站;美國緊跟著于1957年建成60兆瓦的希平港壓水堆原型核電站，1960年又建成德累斯頓沸水堆原型核電站;1962年加拿大又建成25兆瓦的重水堆核電站……雖然當(dāng)時(shí)它們的發(fā)電功率僅僅相當(dāng)于同期火力發(fā)電機(jī)組的零頭，屬于原型機(jī)組，但它們實(shí)現(xiàn)了溫和而可持續(xù)的可控核裂變，驗(yàn)證了核能發(fā)電在技術(shù)上是可行的。
根據(jù)燃料形式、冷卻劑種類等因素的不同，核電站反應(yīng)堆的類型多種多樣，作為一般讀者，我們無需理解這些“高冷”名詞背后的技術(shù)含義，只要知道這些實(shí)驗(yàn)性和原型核電站都屬于第一代核電站就妥了。如今，第一代核電站由于技術(shù)落后、年代已久、發(fā)電量低、安全性和經(jīng)濟(jì)性差等先天不足，基本已經(jīng)退出歷史舞臺(tái)。
英國1956年10月建成的卡德豪爾石墨氣冷堆原型核電站，是世界第一座投入商業(yè)化運(yùn)行的核電站
第二代成為商用主力
到了上世紀(jì)60年代中后期，核電技術(shù)的迅速進(jìn)步，使得核電站走上系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、商業(yè)化建設(shè)和運(yùn)行的大道。上世紀(jì)70年代爆發(fā)的兩次石油危機(jī)，更是讓核電建設(shè)如雨后春筍般發(fā)展壯大。1966～1980年間，全球共有242臺(tái)核電機(jī)組投入運(yùn)行，最快的時(shí)候平均每17天就有一座核電站并網(wǎng)發(fā)電。在這段井噴式發(fā)展時(shí)期誕生的核電站，采用的都是第二代核電技術(shù)，其單一核電機(jī)組的發(fā)電能力大幅提升達(dá)到千兆瓦級(jí)，是原型機(jī)組的上百倍�？梢哉f，第二代核電站在技術(shù)可行的基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步證明了核能發(fā)電的商業(yè)可行性。
時(shí)至今日，在全球430多臺(tái)現(xiàn)役核電機(jī)組中，絕大多數(shù)仍然來自第二代核電站，但它們中的大部分已經(jīng)步入“中老年”階段。我國主要的第二代核電站，有大亞灣核電站、秦山核電站和田灣核電站等。
俄羅斯新西伯利亞化學(xué)濃縮工廠工作人員進(jìn)行核反應(yīng)堆燃料組裝
第三代惡補(bǔ)安全性能
然而，時(shí)至今日，核電史上發(fā)生了3件令人擔(dān)憂和恐懼的大事——1979年的美國三哩島核事故、1986年的蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故和2011年日本福島核事故。這些災(zāi)難性環(huán)境事件，暴露出第二代核電站在安全設(shè)計(jì)上的薄弱之處，核電站的安全性受到強(qiáng)烈抨擊和質(zhì)疑，民間反核電呼聲四起。
美國和歐洲總結(jié)前兩次核事故的教訓(xùn)，于上世紀(jì)90年代分別制定和出臺(tái)了《美國核電用戶要求文件(URD)》和《歐洲核電用戶要求文件(EUR)》，對(duì)新建核電站的安全性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性提出了明確要求：?jiǎn)螜C(jī)組發(fā)電功率進(jìn)一步提升到1000～1500兆瓦;每個(gè)反應(yīng)堆每年向環(huán)境釋放大量放射性的概率不超過一百萬分之一以下，堆芯(反應(yīng)堆核芯的簡(jiǎn)稱)熔化的概率不超過十萬分之一，安全性比第二代核電機(jī)組提高了100倍;核燃料使用周期(即更換周期)長達(dá)18～24個(gè)月，減少了鈾礦資源的消耗和高放射性廢物的產(chǎn)生;設(shè)計(jì)壽命從40年延長到60年……總之，滿足這一系列嚴(yán)苛要求的核電站，在發(fā)電效率、安全性、經(jīng)濟(jì)性和資源利用率等方面，都比第二代核電站先進(jìn)得多，很多重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是第二代核電站不具備的，因此被稱為第三代核電站。
核裂變反應(yīng)原理示意圖。圖中灰色小球?yàn)橹凶�，較大的“復(fù)合”球?yàn)殁櫾雍�，較小的“復(fù)合”球?yàn)榉磻?yīng)生成的新原子核
核安全應(yīng)急理念：不求人
第三代核電站反應(yīng)堆類型的代表，有美國西屋電氣公司的AP1000、法國阿�，m公司的EPR、俄羅斯原子能公司的AES2006等。其中AP1000的特點(diǎn)是，一旦遭遇緊急情況，它的“非能動(dòng)安全體系”可不用依賴交流電源、應(yīng)急發(fā)電機(jī)等外部能源，僅利用物質(zhì)的重力、流體的自然對(duì)流、擴(kuò)散、蒸發(fā)、冷凝等原理，即可在事故應(yīng)急時(shí)冷卻反應(yīng)堆安全殼并帶走堆芯余熱。至少72小時(shí)內(nèi)，不需要工作人員干預(yù)。反應(yīng)堆安全殼的設(shè)計(jì)為緊急情況留有很大余地，即使是嚴(yán)重事故，也不需要場(chǎng)外應(yīng)急措施。EPR則擁有一套簡(jiǎn)化的安全系統(tǒng)，至少有兩條隔離的獨(dú)立交流電源與電網(wǎng)相連;事故發(fā)生時(shí)至少30分鐘不需要人工干預(yù);在喪失全部冷卻水的情況下，保證核燃料兩小時(shí)內(nèi)不損壞;停電狀態(tài)下保證燃料8小時(shí)內(nèi)不損壞。目前，這兩種機(jī)型已經(jīng)被我國引入并加以推廣。
我國2010年開工的海南昌江核電站采用二代改進(jìn)型核電技術(shù)
不難看出，這一代核電站的安全理念是強(qiáng)調(diào)核電站設(shè)施的固有安全性，從而保證事故發(fā)生時(shí)，核電站有足夠的自保能力，盡量不靠人工救助，既能讓應(yīng)急反應(yīng)更快，又能避免人身傷害。
在新建更好更安全的第三代核電站的同時(shí)，自然也不能放任那么多現(xiàn)役的第二代核電站成為“不定時(shí)炸彈”。通過增設(shè)氫氣控制系統(tǒng)、安全殼泄壓裝置等設(shè)備，第二代核電站的安全性能也大幅升級(jí)。這里的氫氣來自反應(yīng)堆過熱，核燃料棒中的金屬材料鋯在高溫下和外圍的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成。福島核事故的爆炸，正是由于氫氣泄漏到空氣中與氧氣混合所引發(fā)。當(dāng)然這種爆炸不同于核武器爆炸，只是氫氣和氧氣激烈地結(jié)合成水的過程，本身并沒有放射性。
改進(jìn)后的二代核電站，雖然整體上“前浪”難敵“后浪”，但基本滿足了安全要求，不至于短期內(nèi)被“后浪”拍死在沙灘上。未來一二十年，隨著第二代核電站的老去，第三代核電站將取代它的主力地位。我國目前在建和規(guī)劃待建的核電站，都將采用第三代核電技術(shù)。
蘇聯(lián)建成的世界第一座核電站——奧布涅斯克實(shí)驗(yàn)性核電站，已經(jīng)退出歷史舞臺(tái)，并被改造成核能博物館
第四代還在襁褓中
第三代核電站的熱度還沒過去，美國能源部(DOE)又在1996年提出了以核廢物減量、節(jié)約鈾礦資源、進(jìn)一步強(qiáng)化固有安全性為目標(biāo)的第四代核電站的概念。
2001年7月，美國能源部牽頭，由美國、英國、韓國、南非、日本、法國、加拿大、巴西、阿根廷9國，成立了第四代核能系統(tǒng)國際論壇(GIF)，中國、瑞士和歐洲原子能共同體后來也加入其中。該論壇目前確立了6種有前途的第四代核反應(yīng)堆作為重點(diǎn)研發(fā)對(duì)象，包括3種快中子堆——鈉冷快堆(SFR)、鉛冷快堆(LFR)和氣冷快堆(GFR)，以及3種熱中子堆——超臨界水冷堆(SCWR)、超高溫氣冷堆(VHTR)和熔鹽堆(MSR)。這些設(shè)計(jì)的目的是要達(dá)到大幅減少核廢料、更充分利用鈾資源、降低核電站建造和運(yùn)營成本、防止放射性物質(zhì)外泄的目的。
2008年10月和2009年3月，我國分別加入了超高溫氣冷堆和鈉冷快堆兩個(gè)系統(tǒng)的研究。超高溫氣冷堆發(fā)電效率高，余熱產(chǎn)量小，由于以氣代水作為冷卻劑，有利于在內(nèi)陸設(shè)廠。在冷卻系統(tǒng)發(fā)生事故后，核燃料溫度上升速度比現(xiàn)役反應(yīng)堆類型慢得多，進(jìn)一步遠(yuǎn)離堆芯熔化這種有嚴(yán)重后果的事故。鈉冷快堆的特點(diǎn)則實(shí)現(xiàn)了核燃料與反應(yīng)產(chǎn)物之間的循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，而且核燃料的再生速度比消耗速度更快，相當(dāng)于越用越多，大大提升了鈾的利用率，還能減少高放射性廢物的產(chǎn)量。不過，現(xiàn)在為這些高大上的科技拍手叫好還為時(shí)尚早，據(jù)GIF的估計(jì)，第四代核電站最快也要到2030年才能投入商業(yè)運(yùn)行。
更高目標(biāo)：馴服核聚變
60多年來，核電站的實(shí)力可謂一代更比一代強(qiáng)，但它們無疑都是圍繞鈾、釷、钚這些重元素核裂變反應(yīng)的原理做文章。如果和輕元素發(fā)生核聚變反應(yīng)的原理相比，即便是當(dāng)今最先進(jìn)的第四代核電技術(shù)也要甘拜下風(fēng)。
核聚變?cè)蟻碜詺湓丶易宓碾碗�，在特定條件下發(fā)生碰撞，聚合成個(gè)頭稍大的氦元素。這個(gè)過程比鈾元素裂變產(chǎn)生的能量還要大得多，而產(chǎn)物只有無毒無放射性的氦氣，沒有棘手的高放射性廢物需要處理，原料的豐富程度也是鈾礦儲(chǔ)量難以企及的。太陽就是利用這樣的反應(yīng)哺育了地球四五十億年。很遺憾，我們現(xiàn)在的科技水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)駕馭不了這種能量。其實(shí)，在第一座核電站問世前兩年，美國就已經(jīng)率先利用核聚變?cè)�，做成了比原子彈威力更�?qiáng)的武器——?dú)鋸�。但是，炸彈是沒法用來燒水做飯的，半個(gè)多世紀(jì)后的今天，人們依然“Hold”不住核聚變的野性。然而，把核聚變從毀滅性武器“馴化”成隨開隨關(guān)、火力可調(diào)的和平“爐灶”，一直是核電發(fā)展的革命性目標(biāo)。
采用第三代核電技術(shù)EPR(歐洲先進(jìn)壓水堆)的芬蘭奧基洛托核電站
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