中國(guó)核能技術(shù)發(fā)展的主要方向和重點(diǎn)

一、中國(guó)核電發(fā)展現(xiàn)狀

截至2017年底，中國(guó)核電在運(yùn)機(jī)組37臺(tái)，總裝機(jī)容量3581萬千瓦；在建機(jī)組20臺(tái)，總裝機(jī)容量2287萬千瓦。到2020年我國(guó)在運(yùn)核電機(jī)組預(yù)期將達(dá)到5800萬千瓦，居世界第二位。正如中國(guó)工程院和法國(guó)科學(xué)院及法國(guó)國(guó)家技術(shù)院給國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的報(bào)告中所說：“就所有民用核能活動(dòng)而言，可以認(rèn)為法國(guó)和俄羅斯在當(dāng)下全球領(lǐng)先。同時(shí)，中國(guó)在核電站建設(shè)方面正在取得重大突破，是未來的潛在領(lǐng)先國(guó)家之一。”

中國(guó)核電具有“后發(fā)優(yōu)勢(shì)”

中國(guó)核電充分吸收了國(guó)際核電發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，采用當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)，遵循最高的安全標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)始終堅(jiān)持自主創(chuàng)新，不斷改進(jìn)。技術(shù)先進(jìn)、實(shí)力強(qiáng)大的裝備行業(yè)支撐中國(guó)核電建設(shè)，提供高質(zhì)量先進(jìn)的設(shè)備。

中國(guó)最早引入和開發(fā)三代核電技術(shù)

中國(guó)采用當(dāng)前國(guó)際最高安全標(biāo)準(zhǔn)，滿足美國(guó)“電力公司要求文件”（URD）和歐洲國(guó)家的“歐洲電力公司要求”（EUR）的要求。中國(guó)率先引進(jìn)并在三門、海陽(yáng)建設(shè)首批4臺(tái)AP000先進(jìn)壓水堆核電廠，同時(shí)又在臺(tái)山建設(shè)2臺(tái)EPR1700先進(jìn)壓水堆核電廠。中國(guó)自主開發(fā)三代核電CAP1400和華龍一號(hào)。華龍一號(hào)在我國(guó)具有的成熟技術(shù)和規(guī)模化核電建設(shè)及運(yùn)行基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化和改進(jìn)，滿足先進(jìn)壓水堆核電廠的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，已在福建福清、廣西防城港和巴基斯坦卡拉奇開工建設(shè)。

華龍一號(hào)滿足國(guó)際核電最高安全標(biāo)準(zhǔn)，其主要特點(diǎn)有，采用標(biāo)準(zhǔn)三環(huán)路設(shè)計(jì)，堆芯由177個(gè)燃料組件組成，降低堆芯比功率，滿足熱工安全余量大于15%的要求；采用能動(dòng)加非能動(dòng)的安全系統(tǒng)；采用雙層安全殼，具有抗擊大型商用飛機(jī)撞擊的能力；設(shè)置嚴(yán)重事故緩解設(shè)施，包括增設(shè)穩(wěn)壓器卸壓排放系統(tǒng)，非能動(dòng)氫氣復(fù)合裝置，以及堆腔淹沒系統(tǒng)，保持堆芯熔融物滯留在壓力容器內(nèi)；設(shè)置濕式過濾排放系統(tǒng)，以防止安全殼超壓故障；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地面水平加速度為0.3g；全數(shù)字化儀控系統(tǒng)。

二、持續(xù)提高核電的安全性

我國(guó)和國(guó)際上都在進(jìn)行提高核電的安全性研究，主要有從設(shè)計(jì)上實(shí)際消除大規(guī)模放射性釋放，保持安全殼完整性，嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解（包括：嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則，極端自然災(zāi)害預(yù)防管理導(dǎo)則），耐事故燃料（ATF）研究，以及先進(jìn)的廢物處理和處置技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求新建反應(yīng)堆應(yīng)滿足下列安全目標(biāo)：1.必須實(shí)際消除會(huì)出現(xiàn)堆芯融化、導(dǎo)致早期或大量放射性泄露的事故；2.對(duì)可能發(fā)生的堆芯融化嚴(yán)重事故，必須保證只需對(duì)公眾在一定地域/時(shí)期內(nèi)采取有限保護(hù)措施（無需永久遷居，無需緊急撤離，無需長(zhǎng)期限制食品消費(fèi)）；3.在外部事件方面，傾向于將大飛機(jī)蓄意撞擊考慮進(jìn)去。

第三代核電具有足夠的安全性，第三代+核電站使高壓堆芯融毀的概率降低10倍以上；反應(yīng)堆設(shè)有在堆芯融毀時(shí)收集熔融物的堆芯捕集器，以及其他安全及嚴(yán)重事故緩解設(shè)施；為操作員在事故下的干預(yù)策略留出足夠時(shí)間采取行動(dòng)，并做到實(shí)際消除大規(guī)模放射性釋放；為防止安全殼超壓損傷，設(shè)置安全殼濕式卸壓過濾排放系統(tǒng)（下降2～3個(gè)量級(jí)），從而消除剩余風(fēng)險(xiǎn)；從而可以做到即使在發(fā)生極其嚴(yán)重的核事故時(shí)，核電站附近大范圍居民無需撤離，也無需擔(dān)心食物受到污染，只需短時(shí)間隱蔽，不存在長(zhǎng)期環(huán)境及生態(tài)影響，符合安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)的安全目標(biāo)。

三、耐事故燃料研發(fā)

耐事故燃料目標(biāo)，一是降低堆芯（燃料）熔化的風(fēng)險(xiǎn)，二是緩解或消除鋯水反應(yīng)導(dǎo)致的氫爆風(fēng)險(xiǎn)，三是提高事故條件下裂變產(chǎn)物的包容能力。

國(guó)際方面，美國(guó)西屋公司將于2019年春，將耐事故燃料的先導(dǎo)組件裝入愛克斯龍電力公司拜倫核電站隨堆考驗(yàn)。該組件采用硅化鈾芯塊和薄鉻鍍層的鋯包殼組成。硅化鈾芯塊能提供更高的鈾密度減少換料量。第二階段西屋計(jì)劃使用硅化鈾芯塊和碳化硅包殼?？傮w上這個(gè)方向和我們國(guó)內(nèi)方向一致。ATF燃料元件的研發(fā)和投入具有另外一層意義。三代核電站主要在安全系統(tǒng)上采取了安全措施，提高了安全度。到現(xiàn)在為止，全世界在運(yùn)行的電站都是二代核電站，想在運(yùn)行的二代核電站上改進(jìn)其安全系統(tǒng)是不可能的，但可以更換燃料。如果我們?cè)诙穗娬纠飺Q了ATF燃料以后，大大提高了安全性，有很大的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)際上，美國(guó)和法國(guó)正在開展此類工作，并預(yù)計(jì)2019年可以開始應(yīng)用。在這一方面我們要大量加強(qiáng)工作，既為新建的核電站提供更好的燃料性能，安全性能，又為在運(yùn)行的二代核電站安全運(yùn)行創(chuàng)造條件。

四、人工智能在核電的應(yīng)用

2017年7月，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃提出，到2020年人工智能總體技術(shù)和應(yīng)用與世界先進(jìn)水平同步。核工業(yè)是高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國(guó)家安全的重要基石，人工智能的應(yīng)用具有重要意義。

落實(shí)新一代人工智能在核能行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，需深入并廣泛應(yīng)用以工業(yè)機(jī)器人、圖像識(shí)別、深度自學(xué)習(xí)系統(tǒng)、自適應(yīng)控制、自主操縱、人機(jī)混合智能、虛擬現(xiàn)實(shí)智能建模等為代表的新型人工智能技術(shù)。

總體來講，核電領(lǐng)域人工智能發(fā)展分為三個(gè)階段。第一階段是基礎(chǔ)建設(shè)，智能化一定要立足在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，從智能儀表智能控制器采用到核電站全數(shù)字儀控系統(tǒng)建立，國(guó)內(nèi)除了早期的幾個(gè)核電站外，其他大部分核電站都已經(jīng)數(shù)字化。第二階段是人工智能架構(gòu)的建立，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”建立大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，開發(fā)數(shù)字核電站并開發(fā)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)，其中數(shù)字核電站包括兩類，一類是虛擬的三維數(shù)字化核電站，用于安裝維護(hù)檢修，一類是動(dòng)態(tài)的，實(shí)時(shí)展示核電站的各種參數(shù)和狀態(tài)。第三階段是核電人工智能應(yīng)用開發(fā)，包括操作指導(dǎo)，事故處理指導(dǎo)，核電站設(shè)備系統(tǒng)智能維護(hù)，高放射性區(qū)域不可達(dá)地區(qū)的應(yīng)用機(jī)器人或者機(jī)器人系統(tǒng)維修。這三個(gè)階段不是相互割裂的，而是交叉發(fā)展的，使得我們的人工智能慢慢成熟發(fā)展起來，這是當(dāng)前國(guó)際上的熱點(diǎn)，也是占領(lǐng)技術(shù)和科學(xué)制高點(diǎn)的一項(xiàng)關(guān)鍵工作。

核電領(lǐng)域人工智能應(yīng)用的意義在于提高核電運(yùn)行的安全性；加強(qiáng)核電關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)控，提高系統(tǒng)、設(shè)備的可靠性；提高核電站運(yùn)行的可利用率，提高經(jīng)濟(jì)性；對(duì)人不可達(dá)區(qū)域進(jìn)行機(jī)器人維修，減少工作人員的受照劑量；為嚴(yán)重事故處理創(chuàng)造技術(shù)條件；為核電站退役創(chuàng)造技術(shù)條件。

五、小型堆的開發(fā)研究

從20世紀(jì)70年代開始，推進(jìn)了創(chuàng)新的中小型反應(yīng)堆（50~300 MWe）的研發(fā)，以支持多種應(yīng)用：偏遠(yuǎn)位置，并未入鄰近電網(wǎng)的中小型電網(wǎng)，舊燃煤機(jī)組更換，將廢熱用于供熱網(wǎng)絡(luò)的熱電聯(lián)產(chǎn)，海水淡化，海島開發(fā)等等。

顯而易見的是，盡管市場(chǎng)前景廣闊，也開展了一些設(shè)計(jì)研究，但這些小型模塊化反應(yīng)堆還未能展示出大規(guī)模應(yīng)用的實(shí)用性，這主要是由于開發(fā)的進(jìn)展緩慢、經(jīng)濟(jì)方面的原因，還有廠址準(zhǔn)備和部署的延遲。

出于鞏固核能領(lǐng)導(dǎo)地位和能源領(lǐng)域、核技術(shù)方面取得的主要進(jìn)展，在美國(guó)能源部的倡議下，近年來，大家對(duì)小型模塊化反應(yīng)堆的興趣越來越強(qiáng)烈，小型模塊化反應(yīng)堆是游戲改變者，能夠以高安全水平提供不同的核電聯(lián)產(chǎn)解決方案。

小型模塊化反應(yīng)堆可成為清潔穩(wěn)定的分布式能源，出于四大原因：1.減少化石燃料使用的需求；2.與分布式能源結(jié)構(gòu)相匹配，包括可再生能源、智能電網(wǎng)、儲(chǔ)能等等；3.操作機(jī)動(dòng)、靈活；4.長(zhǎng)期投資項(xiàng)目融資的問題。

三大進(jìn)展提升了小堆的競(jìng)爭(zhēng)力和吸引力。一是運(yùn)用非能動(dòng)安全概念的可能性，就不需要太多裝備；二是工廠內(nèi)模塊化建造能力的形成；三是“即插即用”概念運(yùn)用，發(fā)電站完全在工廠內(nèi)建造，然后運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)接入電網(wǎng)，包括浮動(dòng)核電站。

國(guó)際發(fā)展方面，國(guó)際上有45種以上革新型中小型反應(yīng)堆概念和設(shè)計(jì)，部署目標(biāo)介于2012年至2030年之間。美國(guó)能源部長(zhǎng)朱棣文表示中小型反應(yīng)堆是美國(guó)接下來的核選擇，美國(guó)2011年撥款3890萬美元用于模塊式反應(yīng)堆取證和商業(yè)化，美國(guó)參議院新議案將小堆開發(fā)列入聯(lián)邦政府資助名單。法國(guó)建議阿?，m提供小型的、更廉價(jià)核反應(yīng)堆。俄羅斯開發(fā)的小堆有VBER150、VBER300、KLT40。東芝公司宣稱其研發(fā)的10MWe小堆30年內(nèi)不必更換燃料，可供日本3000個(gè)家庭用電。三菱重工研發(fā)350MWe小堆，已完成概念設(shè)計(jì)。日立和美國(guó)通用電氣合作研發(fā)400MWe至600MWe的中型核反應(yīng)堆。韓國(guó)開發(fā)小型壓水堆SMART。

中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司開發(fā)了ACP100，出力125兆瓦小型模塊化反應(yīng)堆，有下列技術(shù)優(yōu)勢(shì)，：一體化反應(yīng)堆、屏蔽式主泵、集成式堆頂結(jié)構(gòu)、小型鋼安全殼、固有安全特性、非能動(dòng)安全系統(tǒng)、地下部署、雙堆共享一個(gè)250兆瓦的汽輪發(fā)電機(jī)組。

要切實(shí)滿足市場(chǎng)需求，新的小型模塊化反應(yīng)堆必須真正采用創(chuàng)新理念，絕對(duì)不能是目前的第三代反應(yīng)堆的縮小版。創(chuàng)新的設(shè)計(jì)可明顯提升小型模塊化反應(yīng)堆在經(jīng)濟(jì)上的競(jìng)爭(zhēng)力，相對(duì)于間歇性風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、天然氣發(fā)電和用于特定應(yīng)用的柴油發(fā)電機(jī)相比，小型模塊化反應(yīng)堆是有競(jìng)爭(zhēng)力的。如果類似于“即插即用”、設(shè)計(jì)完全獨(dú)立于安裝地點(diǎn)的解決方案得到證實(shí)，它們可以成為滿足市場(chǎng)需求、從而為能源轉(zhuǎn)型作出貢獻(xiàn)的最佳選擇。

要充分吸取核能特殊創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展，一是在高性能燃料方面，燃耗增加，而膨脹和裂變氣體釋放量有限；事故容錯(cuò)燃料，能承受高溫不熔化，從而能在發(fā)生事故時(shí)防止或限制氫的產(chǎn)生。二是改進(jìn)的堆芯儀表，準(zhǔn)確性更高，可減少設(shè)計(jì)分析和運(yùn)行時(shí)的保守性。三是更加深刻理解堆芯熔融行為，優(yōu)化事故工況下燃料在壓力容器內(nèi)滯留措施。四是實(shí)施最新模擬方法，實(shí)時(shí)耦合熱工水力和中子計(jì)算，可大大提高設(shè)計(jì)和運(yùn)行能力。

吸取從其它行業(yè)轉(zhuǎn)讓而來的技術(shù)，例如核設(shè)施設(shè)計(jì)、采購(gòu)、建設(shè)和項(xiàng)目管理的數(shù)字化；為低壓回路系統(tǒng)采用新型復(fù)合材料以取代鋼材；采用高機(jī)械性能和抗?jié)B性能的先進(jìn)混凝土等。

六、小型堆開發(fā)研究中的低溫核能供熱

受陜西省的邀請(qǐng)，中國(guó)科協(xié)和核學(xué)會(huì)組織院士及有關(guān)專家，對(duì)陜西省核能供熱代替燃煤的必要性進(jìn)行了考察。由于偏重傳統(tǒng)能源與重化工業(yè)，快速發(fā)展的陜西關(guān)中地區(qū)大氣污染物排放總量長(zhǎng)期高位運(yùn)行，空氣中細(xì)顆粒物（PM2.5）濃度位居全省前列，年均霧霾天氣日數(shù)居高難下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，以西安市為代表的關(guān)中城市2016年上半年優(yōu)良天數(shù)同比減少42天，位居全國(guó)74個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)城市的后10位。PM10、PM2.5同比分別上升16.3%和16.1%，環(huán)境壓力持續(xù)加大。

去年冬天到今年春天，北京的優(yōu)良天數(shù)很多，其中一個(gè)主要的原因是環(huán)保部取消燃煤供熱，這樣一來天氣改善了，所以燒煤是相當(dāng)大的污染，將來應(yīng)減少煤?？倳浾f過，宜氣則氣，宜電則電。用氣，北京的氣貴，資源也不足。我們?cè)陂_發(fā)泳池式低溫供熱堆，上面有12米的水池，經(jīng)過兩個(gè)熱交換隔離以后，送到熱網(wǎng)，相當(dāng)安全，低溫供熱溫度就是100度左右，現(xiàn)在熱網(wǎng)上要求90-100度，足夠滿足需求。

泳池式低溫供熱堆的特性有：可以做到零堆熔，在嚴(yán)重事故情況下，反應(yīng)堆依賴固有負(fù)反饋特性可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停堆，即使沒有任何干預(yù)，也可實(shí)現(xiàn)26天堆芯冷卻不熔毀；抗外部事件能力強(qiáng)，水池全部埋入地下，避免因自然及人為原因造成重要設(shè)備損壞而發(fā)生核事故；零排放（見下表）；污染物排放近零，放射性源項(xiàng)小，是常規(guī)核電站的1%。易退役，退役徹底，廠址可恢復(fù)綠色復(fù)用。

泳池式低溫供熱堆擴(kuò)展應(yīng)用，一是利用溴化鋰吸熱循環(huán)制冷，以便在夏季實(shí)現(xiàn)城市供冷，提高供熱堆的利用率；二是生產(chǎn)同位素；三是生產(chǎn)醫(yī)用短壽命同位素，如18Fe、99mTc、131l、89Sr、32P、125l等具有性能優(yōu)良、半衰期合適、方便易得等特點(diǎn)，且供熱堆分布面廣，離城市大醫(yī)院近，便于短壽命同位素運(yùn)輸，為推廣同位素診斷和治療創(chuàng)造有利條件；四是利用低溫真空閃蒸進(jìn)行海水淡化。如果這些技術(shù)都用上，我們供熱堆的經(jīng)濟(jì)性問題也可以解決，而且促進(jìn)了發(fā)展。 

（作者為中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)專家委員會(huì)主任）