世界核电站的发展历程

西屋公司基于开发的非能动先进压水堆AP600开发了AP1000。

2002年3月,核管理委员会已完成AP1000设计的认证前审查,AP600的相关试验和分析程序可用于AP1000的设计。2004年2月,美国核管理委员会批准了最终设计。

AP1000为单桩双回路机组,电功率1250MWe,设计寿命60年。主安全系统采用非能动设计,布置在安全壳内。安全壳为双层结构,外层为预应力混凝土,内层为钢板结构。AP1000的主要设计特点包括:

(1)主回路系统及设备设计采用成熟的电站设计。

AP1000堆芯采用西屋公司的扩展堆芯设计,该设计已在比利时Doel号机组和Tihange号机组得到应用。燃料组件采用高可靠性性能+;采用了一台放大的蒸汽发生器(型号D125),与运行中的西屋大型蒸汽发生器相似;调节器的体积增大了;主泵采用成熟的屏蔽电泵;简化主管道的设计,减少焊缝和支架;压力容器类似于西屋标准三回路压力容器,只是取消了堆芯区域的环焊缝,堆芯测量仪器布置在上封头上,可以在线测量。

(2)简化的被动设计提高了安全性和经济性。

AP1000的主要安全系统,如余热排出系统、安注系统和安全壳冷却系统,均采用非能动设计。该系统简单,不依赖交流电源,无需有源设备就能长时间保持核电站的安全。被动冷却显著提高了安全壳的可靠性。安全裕度大。严重事故设计可将受损堆芯保留在压力容器内,以避免放射性物质释放。

在AP1000的设计中,采用PRA分析,找出设计中的薄弱环节并加以改进,提高安全水平。AP1000考虑内部事件的堆芯熔化概率和放射性释放概率分别为5.1×10-7/反应堆年和5.9×10-8/反应堆年,远小于第二代1×10-5/反应堆年。

简化的被动设计大大减少了安全系统的设备和部件。与运行中的电站设备相比,阀门、泵、安全管道、电缆和抗震厂房的体积分别减少约50%、35%、80%、70%和45%。同时采用标准化设计,方便采购、操作和维护,提高经济性。西屋公司在AP600经济分析的基础上,对AP1000进行了经济分析,结果表明AP1000的发电成本低于3.6美分/千瓦时,具有与天然气发电竞争的能力。AP1000过夜价格低于1200美元/千瓦(含业主费和场地费)。

(3)重大事故的预防和缓解措施

AP1000的设计考虑了以下严重事故:

反应堆堆芯和混凝土相互反应;高压熔桩;氢气燃烧和爆炸;蒸汽爆炸;安全壳过压;安全壳旁路。

AP1000为了防止堆芯熔化物渗入压力容器并与混凝土底板发生反应,采用了将堆芯熔化物保持在压力容器内(IVR)的设计。堆芯熔化事故发生后,在压力容器的外壁和绝热层之间注入水,以可靠地冷却落到压力容器下封头的堆芯熔化物。在AP600的设计中,IVR已经过测试和分析,并通过了核管理委员会的审查。对于AP1000,这些试验和分析结果仍然适用,但需要进行一些额外的试验。由于采用了IVR技术,可以防止压力容器被熔穿,从而避免了堆芯熔体与混凝土底板之间的反应。

鉴于高压反应堆熔毁事故,AP1000的主回路设有四排可控自动泄压系统(ADS),其中三排泄压管道通向安全壳内的换料水储罐,1排泄压管道通向安全壳内的大气。通过冗余和多样的泄压措施,可以可靠地降低一回路压力,从而避免高压堆熔化事故。

鉴于氢气燃烧和爆炸的危险,AP1000的设计旨在保持反应堆冷却剂系统中氢气的逸出通道远离安全壳壁,以避免氢气火焰对安全壳壁的威胁。同时,在安全壳内部布置冗余多样的氢气点火器和非能动自动催化氢气复合器,以消除氢气,降低氢气燃烧爆炸对安全壳的危害。

针对蒸汽爆炸事故,AP1000配有冗余多样的自动泄压系统,避免了高压蒸汽爆炸的发生。但在低压下,由于IVR技术的应用,堆芯熔体没有直接与水接触,避免了低压蒸汽爆炸的发生。

对于因失去安全壳热量排放而导致的安全壳超压事故,AP1000非能动安全壳冷却系统的两条取水管道的排水阀在失去电源和控制时处于故障安全位置,并设置一条管道从消防水源取水,以确保冷却的可靠性。在事故后的长期内,光靠空气冷却就足以把安全壳内的热量带出来,有效防止安全壳超压。由于采用了IVR技术,堆芯熔体与混凝土楼板之间不会发生反应,避免了不凝性气体导致的安全壳超压事故。

针对安全壳旁路事故,AP1000通过改进安全壳隔离系统的设计,减少安全壳外LOCA的发生,从而减少事故的发生。

(4)仪表控制系统和主控制室的设计。

AP1000仪表控制系统采用成熟的数字技术设计,通过多样化的安全和非安全仪表控制系统以及信息提供和操作来避免共模故障。主控室采用紧凑型计算机工作站控制技术,人机界面设计充分考虑了运行电站的经验反馈。

(5)模块化施工技术在施工中广泛应用。

AP1000在施工中采用模块化施工技术。模块建造是电站详细设计的一部分。整个电站分为四个模块类型,包括结构模块122、管道模块154、机械设备模块55和电气设备模块11。模块化施工技术使施工活动处于易于控制的环境中,可以在生产车间进行检查,更容易反馈经验和吸取教训,保证施工质量。各模块并行施工,大大减少了现场人员和施工活动。

AP1000通过与前期工程并行进行的混凝土施工和设备安装的施工方法,工期大幅缩短至60个月,其中从第一罐混凝土到装车仅用了36个月。美国西屋电气公司在中国核电招标中中标,将向中国转让技术,建设4台核电机组。西屋公司总裁兼首席执行官史锐志先生在接受新华社记者采访时表示,西屋公司的AP1000核电技术是唯一获得美国核管理委员会最终设计批准的“第三代+”核电技术。“这是全球核电市场上最安全、最先进的商用核电技术。”

AP1000是一种先进的“非能动压水堆核电技术”。由铀制成的核燃料在“反应堆”的设备中裂变产生大量热能,然后热能在高压下被水取出,在蒸汽发生器中产生蒸汽,带动汽轮机随发电机转动,不断发电,通过电网向四面八方输送。采用这一原理的核电技术就是压水堆核电技术。

AP1000最大的特点是设计简洁,操作简便,充分利用了重力理论、自然循环、聚合反应等多种“非能动安全系统”,比传统的压水堆安全系统要简单有效得多。这不仅进一步提高了核电站的安全性,也显著降低了核电机组的建设和长期运行成本。

根据西屋公司提供的技术资料,在AP1000建造过程中,可以采用模块化技术实施多头建造,大大缩短了核电机组的建造周期。AP1000从开工建设到装载原料开始发电仅用36个月,在节约建设成本方面优势明显。西屋预测2013年中国将有4台核电机组完成发电。

中国在美国、法国、俄罗斯和其他投标人之间进行仔细比较后,选择了西屋公司的核电技术。在美国,计划建造的18核电机组中,至少有12已经决定选择AP1000技术作为设计基础。他说,“西屋很高兴中国这次选择了AP1000。西屋公司现在能够进入中国的核电市场,意义重大。我们致力于发展与中国核电市场的长期互利合作。”

西屋公司是压水堆核电技术的世界领导者,早在1957就研制出世界上第一座压水堆。目前,世界上运行的核电机组有40%以上是由西屋公司建造的,或者是西屋公司利用其设计基础批准建造的。

AP1000由西屋公司根据AP600技术开发。以“不主动”为特征的AP600的设计最早始于1991。西屋原本试图将核电站的技术从经济效益和安全水平两方面提升到一个新的高度,保持在核电领域的技术领先优势。AP600于1998获得美国核管理委员会的“最终设计批准”。然而,随着世界电力市场的不断变化,核电的新目标价格已降至每千瓦时3美分,AP600已无法满足这一要求。为此,西屋公司启动了AP1000的开发,目标是更便宜、更安全、更高效的核反应堆技术,以增强其在核电市场的竞争力。

由于AP1000脱胎于AP600,研发进程大大加快,通过设计改进增加了容量,在保持原系统安全性和简洁性的同时,显著提高了发电量。从AP600到AP1000,发展完善了15年。史锐志特别提到,在多年的研制工作中,也有很多中国的工程技术人员参与其中。

作为当今核电市场最具竞争力的技术,AP1000应用于中国核电机组建设,是“中美双方真正的双赢合作”。中国将依靠先进的核电技术来更好地满足日益增长的能源需求。而与中国的合作,一方面为美国创造大量就业岗位,同时也为美国产品、技术和服务的出口提供了很好的机会。

西屋电气AP1000具有以下特点:

1,世界市场上最安全、最先进、经过验证的核电站(PRA:堆芯损坏概率可忽略不计2.5x 10-7);;

2.美国核管理委员会(FDA)批准的唯一新三代+核电站;

3.基于标准的西屋压水堆(PWR)技术,该技术已成功运行超过2500个反应堆年;

4.1100 MWe的设计非常适合提供基本的发电负载能力;

5.模块化设计有利于标准化和提高施工质量;

6.更经济的操作(更少的混凝土和钢材,更少的零件和系统,这意味着更少的安装、测试和维护);

7.操作更简单(配备业内最先进的仪表和控制系统);

8.满足美国用户要求文件(URD)对新一代商用反应堆的要求。