摘要：近年來，國(guó)際核能界的科學(xué)家根據(jù)核能發(fā)展的需要制定出了新一代的核能系統(tǒng)框架，稱之為“第四代核能系統(tǒng)”。第四代核能系統(tǒng)與現(xiàn)有核電市場(chǎng)的反應(yīng)堆系統(tǒng)相比較，其安全性和經(jīng)濟(jì)性大幅提高。其中，高溫氣冷堆技術(shù)和在此基礎(chǔ)上發(fā)展出的超高溫氣冷堆概念。
運(yùn)行業(yè)績(jī)總體良好
雖然距離日本核事故的發(fā)生已有一年多的時(shí)間，不過仍有不少人表示有些擔(dān)憂：核泄漏危機(jī)有可能在中國(guó)上演嗎？我國(guó)的核電發(fā)展安全嗎？
通過對(duì)我國(guó)核設(shè)施進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月的全面安全檢查，去年6月，環(huán)保部（國(guó)家核安全局）公布的全國(guó)民用核設(shè)施綜合安全檢查結(jié)果顯示，總體上，我國(guó)核設(shè)施安全是有保障的，發(fā)生類似福島核事故的可能性極低。對(duì)于新建核設(shè)施，《核安全規(guī)劃》提出了具體目標(biāo)，新建核電機(jī)組具備較完善的嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解措施，每堆年（相當(dāng)于核電站中的1個(gè)反應(yīng)堆運(yùn)行1年）發(fā)生嚴(yán)重堆芯損壞事件的概率低于十萬分之一；每堆年發(fā)生大量放射性物質(zhì)釋放事件的概率低于百萬分之一。
“從1991年秦山核電站開始運(yùn)行到現(xiàn)在，中國(guó)大陸15座核電站都有良好的安全運(yùn)行業(yè)績(jī)。而且國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)和世界核電運(yùn)營(yíng)者協(xié)會(huì)（WANO）對(duì)中國(guó)的每一座核電站都進(jìn)行過一次以上的安全評(píng)審，其結(jié)論都是肯定的、正面的。”原國(guó)防科工委系統(tǒng)二司副司長(zhǎng)、中國(guó)核學(xué)會(huì)顧問俞卓平分析說，我國(guó)的核電站是壓水堆核電站，運(yùn)行原理與日本福島核電站所用的沸水堆不同。此次福島核事故的發(fā)生跟地震、海嘯這兩個(gè)自然因素有關(guān)。地震后安全停堆，核反應(yīng)堆是安全的；但隨后的海嘯損壞了應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，只能改用蓄電池，而蓄電池的容量是有限的。最終導(dǎo)致反應(yīng)堆堆芯得不到充分冷卻，核燃料的剩余釋熱使核燃料的溫度不斷上升直至熔融，釋放出大量的放射性物質(zhì)。
從秦山核電站開始，我國(guó)便基本上沿用了國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的核安全標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)核電站的運(yùn)行人員和管理人員，完全按照國(guó)際核電界的管理要求，經(jīng)過嚴(yán)格的系統(tǒng)培訓(xùn)和考核合格后才能運(yùn)行和管理核電廠。此外，還有一套很完善的核電站運(yùn)行管理程序。我國(guó)還有獨(dú)立的、權(quán)威的核安全監(jiān)管部門——國(guó)家核安全局，對(duì)核電廠實(shí)施全面而嚴(yán)格的安全監(jiān)督。
“目前為止，沒有發(fā)生過一起輻射致死，以及輻射造成放射病的事例。核電站沒有發(fā)生過二級(jí)以上的事件，從我們的情況來看，記錄是良好的。”中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司科技委員會(huì)主任、中國(guó)核學(xué)會(huì)常務(wù)理事潘自強(qiáng)說。
核電技術(shù)不斷提升
“我國(guó)現(xiàn)在的核電技術(shù)比較先進(jìn)，日本發(fā)生事故的這幾個(gè)反應(yīng)堆都是型號(hào)比較老的沸水堆，1號(hào)機(jī)組從1971年3月份正式開始運(yùn)行，至今已有40年的時(shí)間了，我國(guó)沒有這樣的沸水堆。”俞卓平說，我國(guó)的核電站大多建于上世紀(jì)90年代后，比較新，從一開始就與國(guó)際接軌，安全方面是有保障的。以1985年我國(guó)開始建造的第一座核電站——秦山核電站為例，它的安全設(shè)計(jì)充分汲取和借鑒了美國(guó)三里島核事故和前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故的教訓(xùn)，并根據(jù)世界核電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，采用當(dāng)時(shí)的最新技術(shù)，大大提高了核電站的安全性。
據(jù)了解，我國(guó)的核電設(shè)計(jì)有三道屏障，第一道屏障為燃料芯塊和包殼。核裂變產(chǎn)生的放射性物質(zhì)98%以上滯留在二氧化鈾陶瓷芯塊中，不會(huì)釋放出來。鋯合金包殼將燃料芯塊密封在內(nèi)，防止燃料裂變產(chǎn)物和放射物質(zhì)進(jìn)入一回路水中，是完全密閉的，即使產(chǎn)生的氣體也密閉在這里，這里面留有一定的空間，而且鋯管的燃料棒可以承受一定壓力，最大數(shù)量的密閉氣體釋放也不足以使它開裂。第二道屏障為壓力容器和一回路壓力邊界。由核燃料構(gòu)成的堆芯封閉在鋼質(zhì)壓力容器內(nèi)，壓力容器和整個(gè)一回路都是耐高壓的，放射性物質(zhì)不會(huì)泄漏到反應(yīng)堆廠房中。第三道屏障為安全殼，就是混凝土的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在的安全殼約37米直徑，安全殼墻厚將近1米，而且用鋼索扎緊，在內(nèi)部產(chǎn)生一定壓力的時(shí)候，不會(huì)把安全殼破壞，可防止放射性物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境。
我國(guó)核電站采取縱深防御策略，正常運(yùn)行的時(shí)候有一套控制系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)事故，反應(yīng)堆會(huì)停止運(yùn)行，然后有其他安全系統(tǒng)來進(jìn)行保護(hù)。第一道防線假如失利了還有第二道、第三道防線保護(hù)它的安全。比如壓力容器沒有水了，用安全注入系統(tǒng)補(bǔ)充進(jìn)去；安全殼里壓力高了，產(chǎn)生大量蒸汽了，有安全噴淋系統(tǒng)噴進(jìn)冷水去把壓力降下來；蒸發(fā)器里沒有水了，燒干了，用輔助給水系統(tǒng)補(bǔ)充，使得即使產(chǎn)生某些故障的時(shí)候，也有其他的系統(tǒng)保障它的安全，這就是縱深防御的概念。
據(jù)葉奇蓁介紹，目前我國(guó)已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行的核電站多是二代改進(jìn)型核電站，屬于本世紀(jì)初的水平，也是全世界四百多座正在運(yùn)行的核電站中的絕大多數(shù)所采用的技術(shù)。而目前最先進(jìn)的第三代核電站，我國(guó)也正在引進(jìn)與建造中，技術(shù)水平與國(guó)際在建的第三代核電站是同步的。如果三代建成，經(jīng)過考驗(yàn)成功的話，今后可能會(huì)建更多的三代的機(jī)組。
未來發(fā)展注重安全
日本地震、海嘯引發(fā)的福島核電站事故，將核安全推到風(fēng)口浪尖，并在全球范圍內(nèi)掀起一股到底要不要發(fā)展核電的大討論。在此情形下，中國(guó)還應(yīng)不應(yīng)該發(fā)展核電？
核電是清潔能源，是安全的，核裂變能量是可控的，核電還是要發(fā)展的。有專家分析說，一公斤的鈾-235裂變釋放的能量相當(dāng)于2400噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的能量。一座百萬千瓦核電站每年只要補(bǔ)充30噸核燃料，同樣功率火電廠每年卻要燃燒330萬噸煤。這樣一來，核電就大量減少了溫室氣體和一些對(duì)環(huán)境有污染的二氧化氮、二氧化硫等氣體排放，也減少了煤渣，減少了運(yùn)輸，所以它還是很好的能源。
福島的教訓(xùn)應(yīng)該注意吸取，但不能為此因噎廢食。這是許多國(guó)家的共識(shí)。早在今年2月，在三里島核事故34年后，美國(guó)已經(jīng)批準(zhǔn)新建佐治亞州瓦格托核電站。與之相呼應(yīng)的是，5月8日韓國(guó)為其自主設(shè)計(jì)的新蔚珍核電站APR_1400壓水堆舉行了開工儀式。隨后不久，立陶宛、英國(guó)等許多國(guó)家也相繼加入核發(fā)展的隊(duì)伍。就在上月，隨著2座核電站的重啟，日本持續(xù)了2個(gè)月左右的“零核電”狀態(tài)也宣告結(jié)束。
在電力供應(yīng)十分短缺的時(shí)代，發(fā)展核電作為緩解當(dāng)前電力緊張的一個(gè)重要途徑，已成為許多國(guó)家的共識(shí)。根據(jù)世界核能協(xié)會(huì)2011年3月的數(shù)據(jù)，全球有443座核電站在運(yùn)行，有62座核電站在建設(shè)，有158座核電站在設(shè)計(jì)，有324座核電站在辦理申請(qǐng)手續(xù)。特別是近年來出于能源危機(jī)和環(huán)境壓力的雙重考慮，包括美國(guó)、英國(guó)等在內(nèi)的國(guó)家陸續(xù)將發(fā)展核電提升至重要的戰(zhàn)略地位。
以法國(guó)為例，作為僅次于美國(guó)的全球第二大民用核大國(guó)，它80%左右的電力都由核電供應(yīng)，美國(guó)的供電比例也達(dá)到了20%。相比之下，我國(guó)核電發(fā)電量卻僅占全國(guó)總發(fā)電量的1.9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平。
“任何工業(yè)設(shè)施都有風(fēng)險(xiǎn)、成本和代價(jià)的問題。而核電站作為大型、綜合、復(fù)雜的工業(yè)設(shè)施，要做到百分之百安全、絕對(duì)不出事故是不可能的。核電工業(yè)界只能根據(jù)當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)水平和技術(shù)水平將發(fā)生事故的幾率降到盡可能的低。我認(rèn)為我國(guó)還是需要發(fā)展核電，至于發(fā)展的規(guī)模和速度可視具體情況而定，但必須在保證安全的前提下發(fā)展核電。”俞卓平表示，作為一種安全、清潔、技術(shù)成熟、供應(yīng)能力強(qiáng)的能源，核電與水電、火電一起構(gòu)成了當(dāng)今世界電力的三大支柱，其前途是光明的。
第四代核能系統(tǒng)—高溫氣冷堆
我國(guó)核能事業(yè)在10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆成功推進(jìn)的基礎(chǔ)上，正在穩(wěn)步進(jìn)行兩項(xiàng)前瞻性的工作。一是進(jìn)行大型商用高溫氣冷堆電站的設(shè)計(jì)研究工作，稱之為高溫氣冷堆示范電站工程。二是將現(xiàn)有10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆進(jìn)行改造，用一回路中的氦氣直接推動(dòng)氦氣輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，以提高發(fā)電效率，稱之為高溫氣冷堆氦氣透平發(fā)電項(xiàng)目。目前，該項(xiàng)目核心裝備之一——“高溫氣冷堆氦氣透平壓氣機(jī)”已經(jīng)由哈爾濱中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所完成樣機(jī)研制，即將進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。這兩項(xiàng)工作對(duì)高溫氣冷堆技術(shù)的提升和產(chǎn)業(yè)化將起到積極的推動(dòng)作用。
近年來，國(guó)際核能界的科學(xué)家根據(jù)核能發(fā)展的需要制定出了新一代的核能系統(tǒng)框架，稱之為“第四代核能系統(tǒng)”。第四代核能系統(tǒng)與現(xiàn)有核電市場(chǎng)的反應(yīng)堆系統(tǒng)相比較，其安全性和經(jīng)濟(jì)性大幅提高。其中，高溫氣冷堆技術(shù)和在此基礎(chǔ)上發(fā)展出的超高溫氣冷堆概念，成為第四代核能系統(tǒng)有競(jìng)爭(zhēng)力的候選堆型，并且最有可能在不遠(yuǎn)的將來成功實(shí)現(xiàn)。
那么，究竟什么是高溫氣冷堆呢？簡(jiǎn)單地說，高溫氣冷堆采用全陶瓷型包覆顆粒燃料元件，以石墨為慢化劑和堆芯結(jié)構(gòu)材料，以氦氣為冷卻劑。其燃料顆粒直徑小于1毫米，中心為核燃料，外層為包覆材料，稱之為全陶瓷型包覆燃料顆粒。全陶瓷型包覆燃料顆粒在1600攝氏度范圍內(nèi)可以保持完整性，能夠在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，將絕大多數(shù)的核反應(yīng)裂變產(chǎn)物阻擋在包覆層內(nèi)，從而極大地提高了反應(yīng)堆的安全性，是高溫氣冷堆的核心技術(shù)。
與其他反應(yīng)堆相比，高溫氣冷堆的運(yùn)行溫度要高出許多，堆芯出口溫度可達(dá)950攝氏度甚至更高。因此，用高溫氣冷堆發(fā)電，可以大幅度地提高發(fā)電效率；用它作為熱源，則可以應(yīng)用到另一個(gè)新能源領(lǐng)域，即用高溫氣冷堆制氫來利用氫能。
先進(jìn)核技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，為我們展示了未來能源需求的美好藍(lán)圖。對(duì)于我國(guó)這樣的人口大國(guó)，這不僅僅是技術(shù)上的可喜進(jìn)步，更是關(guān)系到十幾億人民能源需求的大勢(shì)所趨。
