核电堆型技术的两种结构方向

核电堆型技术的两种结构方向

我国堆型核型技术的选择在世界环境变化、石化能源短缺的情况下，核能源被视为一种特殊的替代品。世界核电技术已从第一代演进至第三代,正在开发第四代。在进入“后福岛时代”的全球核电产业,许多核电大国一方面面临着大批老机组退役、建设新机组的问题,另一方面为了掌握对未来核电发展的更多主导权,纷纷加快先进核电技术研发。我国核电技术在过去的20余年里取得了长足进步,目前拥有世界在建规模最大的核电机组,围绕自主化、国产化的核电技术创新方兴未艾。但是,对核电堆型技术的选择是发展核电面对的一个首要的战略性问题,世界上许多核电大国都经历过这种选择,我国更是从起步至今一直争论不休。从技术轨道的视角探讨世界核电堆型技术演进的基本规律,对我国核电技术的进步和核电的安全高效发展具有重要意义。一、技术跟踪理论与技术轨迹结构模型1.技术轨道的内涵意大利经济学家多西(G.Dosi,1982)认为技术范式(technologyparadigm)是一种“基于自然科学所引申出来的选择理论以及材料选择技术的、解决选择技术问题的一种‘模型’或‘模式’”。郑雨认为技术范式是一个以技术样品为实物形态的技术体系,其重要性质是库恩(ThomasSamuelKuhn,1962)所说的“不可通约性”,即多西(1982)所谓“强烈的排他性”,使得技术范式的转换就成了技术的革命。技术范式就是依据科学理论、通过材料和方法的选择来解决技术问题的模式,按照这一思想的逻辑,技术研究的领域、问题、程序和任务由技术范式所决定,从而导致技术轨道(technologicaltrajectories)的产生。多西(1988)把技术轨道定义为“沿着由范式规定的经济和技术折衷的技术进步轨迹”,它是一组可能的技术方向,而它的外部边界则由技术范式本身决定。我国学者柳卸林更通俗地理解,技术轨道就是在某一产业技术发展上所可能有的方向,一组解决某一问题的相关联方法。一条技术发展的S曲线便对应着我们所说的技术轨道。总之,技术轨道本质上是解决技术范式问题、形成“技术样品”的技术方向选择与实践过程,这种过程中共同体现的模式就是技术范式,并以技术样品(产品)的结果形式表现为行业。不同材料、方法(体现为技术方向)的选择是同一技术范式下产生差异性技术轨道的关键性原因。2.技术轨道的结构许多学者注意到了技术轨道存在的结构。柳卸林指出,同一产品存在着多条替代性的技术轨道,一条技术轨道有一个从不成熟到成熟的不连续性过程,此时出现新技术进入的机会窗口,新旧技术轨道的更替和产业的兴衰由此开始,如打字机、灯、汽车和照排机等产品的在多个技术轨道间的呈时序性更替。杨德林和陈春宝(1997)认为技术轨道是可以并排行驶的“大马路”,“马路”中央部分就是技术轨道中心,“行驶”在中心的少数优势技术组成了技术轨道的主干,那些发展困难的技术则处于路况较差的“马路”的边缘(远离技术轨道中心)。实际上,主干轨道、边缘轨道等“多条技术轨道”并存是轨道间的一种结构,而形成的技术轨道“S曲线”的“一组解决某一问题的相关联方法”是轨道内的结构。有学者进一步研究了在技术轨道内存在的结构。杜跃平、王林雪、高雄等(2004)认为,企业在技术轨道中,在设计体系、市场观念、经营方向、核心能力等影响下会衍生出一系列技术子轨道,企业多元化由此形成。布超、林晓言(2007)则把主技术轨道称之为母轨道,其子轨道的发展使同一类型的产品有不同的功能和优势,形成产品的多元化。刘昌年、梅强(2006)区分自主创新为轨道内渐进性的顺轨式和轨道间根本性的跃轨式以及中间性的融轨式三种模式,其视角实际上就是技术轨道的结构。有学者敏锐地洞察到在技术轨道内,技术的自身发展也有一个限度的问题。技术轨道在路径依赖机制的作用下,以连续累积型技术创新表现为技术轨道的刚性。这种累积型创新存在“饱和限”特征,即某一特定技术因受其物理的或自然的制约而使其性能参数趋于饱和的上限。赵永旺、傅蕴德(2011)认为,技术轨道外部边界的技术范式决定性,意味着沿着某技术轨道的创新有某种极限,此后进一步创新的余地很小。3.技术轨道结构上述学者对技术轨道某方面的结构极具洞见性,但都没有明确提出技术轨道结构概念并系统地进行探讨。综合上述思想和观点,本文认为,技术轨道存在着两种结构:单一轨道的二维结构和多条轨道的并列结构。(1)技术轨道s曲线技术轨道是一条沿着技术范式决定的一组技术方向向前延伸直至技术样品的S曲线轨迹,其中每个技术方向可视为一个区段,它反映了技术轨道的完整性;同时,在每一个技术方向上,技术的连续累积型创新都存在一个饱和限,反映了技术水平的程度性,如图1-1所示。上图中,n个技术方向延伸就是一条完整的技术轨道S曲线。在每个技术方向上的技术改进,都会提升技术轨道的技术水平,从原技术轨道Ⅰ改进至Ⅱ、Ⅲ直至N,整个技术轨道的技术水平逐渐提升至接近饱和限。(2)技术轨道的并列结构对技术范式所要解决的问题而言,可能同时有多个技术方向可供选择,在选择其中任一个予以锁定后,该技术方向上又有多个技术子方向可选,如此层层递进,从初始技术方向的选择开始,至下一组方向中锁定其中一个,直至技术样品终点,每一个技术方向都形成一条技术轨道,这样就出现多条技术轨道的并列结构,如图1-2所示。为简洁起见,图1-2从技术方向Ⅰ开始,都只给出了其中被锁定的方向及其技术轨道。从技术范式决定的第一组技术方向开始,有技术轨道1、4至n条,每一条技术轨道均由若干技术方向发展而成。如技术轨道1,在技术方向Ⅰ层次又有若干可能的方向,若锁定其中一条发展则为技术轨道2;在技术方向Ⅱ层次,同样在一组可能的方向中锁定一个方向发展成为技术轨道3,直至技术方向N,每一条技术方向选择后锁定的技术轨道就形成了一组技术轨道的集合。所有可能的技术方向形成的技术轨道是一个非常可观的数目。4.技术进步结构理论的重要性技术轨道的多轨道并列结构和单轨道的二维结构对于技术创新具有重要意义。(1)第1类创新:猛轨式创新—它能较好地解释有关技术轨道的技术创新理论。沿着单一技术轨道累积型技术改进就是在技术饱和限内的顺轨式创新,多轨道间在某个技术方向上的革命性技术创新就是跃轨式创新,此时发生原技术轨道的“转辙”而进入新轨道。对轨道间另一种形式的融轨式创新也予以合理解释。在不同的技术轨道之间,处于相同层次的技术是不可通约的,但对下一区段却具有可通约性,即为共性技术,因而可以通过相互借鉴、互补或组合出现融轨。(2)技术创新结果在某技术范式下,技术轨道间的转换结果表现为行业产品的多元化;对单一技术轨道在技术方向上的改进,技术创新结果表现为产品质量的提升或产品的多样化。因此,不同技术轨道间的转换和技术方向上的改进,以产品(技术样品)之间的替代性体现出其竞争性。(3)技术创新方向的“坐标”通过将特定的技术创新置于技术轨道结构中,根据其所处技术轨道和技术方向的“坐标”,判断技术创新在该领域的类型和模式,进而判断其对范式所需要解决的问题的重要性,并能发现可资借鉴的其他轨道技术,从而为技术创新选择提供全局性的认识。二、电能发电技术核能发电技术(简称核电技术,本文专指核裂变能发电技术)是把核燃料发生核反应释放的热能转化为电能的发电技术,包括反应堆技术、设备制造技术、电站建造技术和运行技术。下文根据技术轨道结构理论,分析核电技术核心的反应堆堆型技术轨道。1.堆型技术是核技术的核心核电技术范式的特殊性就在于其原子能(或称核能)的根本性质,主要体现在三个方面:(1)能效性,1公斤易裂变物质能够产生的能量约等于2700公吨煤所能产生的能量;(2)可控性,易裂变核素要在适当的温度和压力环境下实现可控自持链式反应来释放核能;(3)放射性,核裂变反应产生放射性裂变产物、长寿命的次锕系元素和超铀元素。核电技术范式要解决的是如何把核能转化为电能的问题,这就必须解决可控性和放射性,具体而言就是既经济又安全地解决燃料利用、核反应可控和能量传输这三个根本性问题。质量、形态、浓度不同的燃料类型直接决定了核反应方式,并影响核燃料循环模式。实现可控的自持链式裂变反应,有利用慢化剂材料来控制中子能量的热堆方式和不用慢化剂的以快中子进行反应的快堆方式。把释放的核能传输出去再转化为电能则用流动循环的冷却剂材料做介质。至于利用蒸汽发电的汽轮机发电技术,对其他发电范式具有通约性,属于通用的常规性技术。这样,反应堆因承担了解决上述问题而成为核电技术范式的核心,并在解决的过程中因选择燃料类型、反应方式和慢化剂及冷却剂的差异性特征,出现了可能的多样化堆型技术轨道。因此,堆型是最直接和最集中体现核电技术范式性质的技术体系,既对设备制造技术、电站建造技术和运行技术产生决定性影响,也决定了与之相适应的原料供应、材料生产、燃料元件加工、后处理、设备制造等整个核电产业链体系。堆型选择由此成为核电发展的战略性关键。2.热堆堆型技术轨道围绕解决热能释放、转化和传输问题的基本过程表明,核电反应堆堆型因所使用的燃料、慢化剂、冷却剂不同而形成不同的堆型技术轨道。慢化效果最好的物质有轻水(普通水)、重水、铍及氧化铍(由于剧毒而不用)和碳(石墨)。冷却剂在反应堆中有三种物理形态:液态物(水等)、气体(氦、二氧化碳)和液态金属(钠、铅等),而且有些冷却剂可同时做慢化剂。由于燃料类型的差异隐含在是否使用慢化剂的反应方式中,因此,一种核电堆型的通常表达式为:慢化剂名称+冷却剂名称。快堆不使用慢化剂只用冷却剂,堆型相对少得多。以热堆为例,按照技术轨道结构模型,热堆堆型技术轨道的结构如图2-1所示。图2-1清晰地反映了单个堆型技术轨道的区段结构和多条堆型技术轨道并列的结构关系。横向结构上,从燃料反应方式到慢化剂、冷却剂及其组合方式到具体反应堆堆型,形成了一条特定的堆型技术轨道。纵向结构上,并列的多个技术方向形成可能的堆型技术轨道组成了堆型集合,相互之间具有可替代性。单个具体堆型技术轨道的二维结构可按照图1-1方式给出,在此不赘述。3.技术创新的类型和模式核电堆型技术创新的方向深受核电技术范式性质的影响。核电技术范式的高能效、可控性高难度和高放射性质使核电呈现“天使与魔鬼”的两面性。这使安全性和经济性成为技术创新的整体方向,一方面既要提高燃料利用效率,另一方面又要减少和有效防御放射性。这种性质也使可供选择的有效方法和材料具有特殊性和有限性,并增加了技术创新难度,从而使核电技术进步之路漫长而充满风险。在安全性和经济性方向下,核电堆型技术的创新根据堆型技术轨道结构表现为不同的类型和模式。在单个具体堆型技术轨道的二维结构中,技术创新为顺轨式累积型创新,主要在两个方面:一是系统性创新,着眼整个技术轨道,通过优化各技术方向的层次功能来增强反应堆整体系统功能,如AP1000的反应堆非能动设计和模块化设计与制造技术;二是局部性创新,改进各技术方向的技术水平,提升其性能,如改进燃料组件设计制造和延长换料周期的技术。顺轨式创新的结果是出现基于原堆型的系列机型品牌,当一种堆型的顺轨式创新接近“饱和限”时,技术虽然更趋成熟,但也意味着该堆型已处于生命周期的衰老期。在多轨道并列的结构中,技术创新主要表现为革命性的跃轨式或融轨式创新。当科技的根本进展、行业技术积累和产业重大技术的突破,解决了堆型某核心技术的瓶颈时,原堆型技术轨道就发生了改变,或者可应用该技术的新堆型的技术轨道就发生突破,成为原堆型及其它堆型的竞争堆型。如耐高温高压材料的研制,可能改变相关堆型的燃料组件、慢化剂或冷却剂等技术轨道,而对高温气冷堆而言制约其商用的瓶颈则得以突破。当多个堆型的可通约性共性技术具有互补性时,原堆型的技术轨道在移植共性技术的方向发生改变,或者可能集成形成新堆型,此为融轨式创新,如第四代的超临界水堆结合轻水堆技术和超临界燃煤电厂技术,使用超临界水做冷却剂。4.堆型发展演变核电堆型技术轨道依据结构变化的技术创新规律,为核电堆型技术的发展演变提供了一种新视角的认识。核电从上世纪50年代起步,历经高速发展、滞缓发展、复苏发展四个阶段。至2011年10月,世界上共30个国家的200余座核电站运行着438台机组,总装机容量3.73亿千瓦,为世界提供着14%的电力,累积运行经验已超过14600堆·年;在建63台,核准建设152台核电机组。在役核电机组中,共有压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆、石墨水冷堆、快堆等6种堆型,其中压水堆机组265台,占全部核电机组的60%;装机251.6GW,占核电总装机容量的65.1%。一种新堆型的技术轨道发展周期大致要经历概念设计、实验堆验证可行性、原型堆验证工程性(或增加示范堆验证经济性环节)、商业堆应用四个阶段,此后进入成熟化提升阶段。对于整个核电技术的发展演变,国际上普遍的一个提法是,核电以堆型为代表呈一代、二代、三代、四代的代际演进,技术不断进步,安全性和经济性不断提高。图2-2给出了各年代出现的核电堆型及其技术轨道发展演变情况。1950-60年代的第一代原型堆证明了利用核能发电的技术可行性,共出现过10余种核电堆型。1970-80年代的第二代改进型商业堆证明了核电的经济性,此间压水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆、石墨气冷堆均得到了发展,目前约350台在役核电机组就是在此期间建造运行的,特别是压水堆在经济性上的表现使其渐渐成为主流堆型。1990年代中后期,满足美国用户要求文件(URD)、欧洲用户要求文件(EUR)的第三代革新型反应堆,着重防范和缓解严重事故,在安全性提高的同时经济性也得到改善。2000年后,研发中的第四代革命型反应堆主要有6种,即气冷快堆、铅冷快堆、钠冷快堆、熔盐堆、超临界水冷堆和超高温气冷堆,重点解决燃料利用、减少废物和防止核扩散问题。6种堆型中,此前出现的钠冷快堆和高温气冷堆处于实验堆或原型堆阶段,一直未能突破经济性和安全性的商用技术难关。从图2-2看出,各堆型随着不断改进逐渐接近技术饱和限。压水堆经受住了1973年的美国三里岛熔堆的安全性严峻考验,并衍化出系列机型。1986年切尔诺贝利核电站严重事故则使前苏联的石墨沸水堆(属于石墨水冷堆)完全失去了发展的机会。而2011年的日本福岛核电站严重事故使沸水堆的发展面临严重危机。三、我国核电站压缩法的选择和创新能力1.重水堆型的选择核电堆型技是一个战略性的问题,世界许多核电大国历史上都有过堆型选择的问题。表3-1给出了世界上核电大国堆型技术选择与演变的情况。从表中可以发现,自始至终坚持本国自主研发路线的只有美国、俄罗斯和加拿大三国。美国是唯一对多种堆型进行过最广泛探索的国家,在20多种堆型中选择优先发展轻水堆,并输出到全球,而且在明确的核电技术发展路线图指引下始终坚持新堆型开发。其他国家都改变过堆型技术轨道,但改变后基本上就不再反复,特别是法国、日本、韩国成了当前世界核电强国。印度长期坚持自主开发,形成了适合本国丰富钍资源的重水堆自主技术,并计划领先全球。值得注意的是英国,首先选择气冷堆和快堆,1965年转向重水堆,1978年又回到改进型气冷堆,1981又改为引进压水堆,抉择的反复是导致至今没有自主品牌核电堆型的重要原因。总之,对核电堆型的选择,各国主要依据本国的铀钍资源禀赋、核工业基础与设备制造能力、政治经济等状况综合影响决定。这种抉择过程是一个堆型的淘汰与新生交替出现的过程,在很大程度上折射了世界核电堆型技术轨道的演变轨迹。2.我国堆型自主创新和引进吸收再创新技术在国外发展的总成功实践我国在1970年代国际技术封锁下,选择依靠成功研制核潜艇的核动力技术和核工业技术体系自主研发压水堆核电技术,启动“七二八工程”,但“文革”使其几乎停顿。1980年代改革开放后,采取“两条腿走路”,自主研发30万千万压水堆核电技术CP300(原CNP300)建设秦山一期原型堆核电站,引进法国当时先进的M310先进压水堆技术建设大亚湾百万千万级核电站。1990年代,开发了自主的CP600(原CNP600)技术建设秦山二期,并消化吸收M310技术再创新形成改进型CPR1000技术建设岭澳核电站。同时期还引进加拿大重水堆技术建设秦山三期,引进俄罗斯先进的VVER1000压水堆技术建设田湾核电站。进入2000年代,适应经济快速发展对电力的需求,国家积极发展核电,引进美国西屋公司的AP1000三代压水堆技术,计划通过消化吸收再创新形成自主品牌CAP1400、CAP1700来统一核电技术路线。不过同时又引进法国的EPR三代技术建设台山核电站。特别值得一提的是,我国自主研发的两种四代堆型的实验堆——2000年清华大学研制的高温气冷堆和2010年中核集团研制的钠冷快堆并网发电成功,并开始分别依托山东石岛湾和福建三明建设示范堆核电站。目前,我国运行核电机组14台,装机容量1192.8MWe,发电占全国的1.8%,运行机组的安全性和经济性处于世界先进水平;核准了12个核电项目共34台机组,总装机容量3692MWe,其中在建机组27台,装机容量近3000MWe;此外还有近20台机组获准开展前期工作。在全世界在建的64台核电机组中,我国已成为世界上在建核电规模最大的国家。2011年进入“后福岛时代”,国家提出安全高效发展核电的方针,有关方开始认真审视各堆型和机型的安全性和经济性。纵观我国核电发展历程,在坚持以我为主、中外合作的原则下,坚持自主创新和引进消化吸收再创新,取得了令人瞩目的成就。在核电堆型技术方面,自主研发了中小型压水堆、高温气冷堆、钠冷快堆三种技术,消化吸收再创新压水堆3种自主品牌机型,先后引进了法国、加拿大、俄罗斯和美国的压水堆4种机型、1种重水堆机型。目前有压水堆、重水堆、高温气冷堆(实验堆)、钠冷快堆(实验堆)4种堆型,12种机型,其中压水堆机型9种,是主流技术。3.我国用电热堆技术发展理念我国核电堆型及机型的种类较多,引起了对核电机组“万国牌”的抱怨和核电建设中堆型技术路线选择的争议。这也促进了对我国核电发展战略和堆型技术选择问题的思考。国家首个核电规划——《核电中长期发展规划(2005～2020年)》,明确了核电技术热堆-快堆-聚变堆“三步走”的战略路线,坚持发展百万千万先进压水堆核电技术路线,以引进消化吸收掌握三代技术来统一核电发展技术路线。技术轨道结构理论揭示的技术创新规律和核电技术的发展演变规律,给我们在核电堆型选择和研发战略与技术创新上一些重要启示。在决心发展核电、国际竞争日趋激烈、国内堆型机型复杂的形势下,当务之急是尽快制订基于“三步走”战略的以堆型为核心的核电技术发展路线图,统筹布局我国核电堆型发展与技术创新战略。代和三代间的联系不多,多同一技术范式的可通约性表明,相同堆型技术轨道的核电技术具有共享性和继承性。核电专家张禄庆认为“我国要统一的是堆型而非机型”,不能割裂二代和三代之间的联系。在压水堆技术统一路线下,要充分消化美、法、俄三国和我国现有压水堆技术,博采众长,平衡利益之争,持续以“顺轨式”创新提升机型性能,以“融轨式”创新集成新机型,最终形成我国自主的1400万千瓦以上的超大型压水堆、百万千瓦的大型压水堆和60万千瓦左右的中小型压水堆品牌系列,作为四代核电商用前后的主力堆型,实施路线如图3-1所示。“三步走”战略路线是现代核级电线的概念,现代技术的发展所体现的“三步走”技术轨道转换理论的科学性和基四代6种堆型在核燃料的充分利用上与压水堆、重水堆具有很好的互补性,技术上有很强的衔接性和连续性。“三步走”战略路线是技术轨道转换理论的科学体现。我国已走在世界前列的钠冷快堆和高温气冷堆,是中长期核电技术更新换代的重要堆型。推进这二种堆型的商用