中國核能技術(shù)發(fā)展的主要方向和重點

一、中國核電發(fā)展現(xiàn)狀

截至2017年底，中國核電在運機組37臺，總裝機容量3581萬千瓦；在建機組20臺，總裝機容量2287萬千瓦。到2020年我國在運核電機組預(yù)期將達到5800萬千瓦，居世界第二位。正如中國工程院和法國科學(xué)院及法國國家技術(shù)院給國際原子能機構(gòu)的報告中所說：“就所有民用核能活動而言，可以認為法國和俄羅斯在當下全球領(lǐng)先。同時，中國在核電站建設(shè)方面正在取得重大突破，是未來的潛在領(lǐng)先國家之一?！?/p>

中國核電具有“后發(fā)優(yōu)勢”

中國核電充分吸收了國際核電發(fā)展的經(jīng)驗和教訓(xùn)，采用當前最先進的技術(shù)，遵循最高的安全標準。中國始終堅持自主創(chuàng)新，不斷改進。技術(shù)先進、實力強大的裝備行業(yè)支撐中國核電建設(shè)，提供高質(zhì)量先進的設(shè)備。

中國最早引入和開發(fā)三代核電技術(shù)

中國采用當前國際最高安全標準，滿足美國“電力公司要求文件”（URD）和歐洲國家的“歐洲電力公司要求”（EUR）的要求。中國率先引進并在三門、海陽建設(shè)首批4臺AP000先進壓水堆核電廠，同時又在臺山建設(shè)2臺EPR1700先進壓水堆核電廠。中國自主開發(fā)三代核電CAP1400和華龍一號。華龍一號在我國具有的成熟技術(shù)和規(guī)模化核電建設(shè)及運行基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化和改進，滿足先進壓水堆核電廠的標準規(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)。

華龍一號滿足國際核電最高安全標準，其主要特點有，采用標準三環(huán)路設(shè)計，堆芯由177個燃料組件組成，降低堆芯比功率，滿足熱工安全余量大于15%的要求；采用能動加非能動的安全系統(tǒng)；采用雙層安全殼，具有抗擊大型商用飛機撞擊的能力；設(shè)置嚴重事故緩解設(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)計基準地面水平加速度為0.3g；全數(shù)字化儀控系統(tǒng)。

二、持續(xù)提高核電的安全性

我國和國際上都在進行提高核電的安全性研究，主要有從設(shè)計上實際消除大規(guī)模放射性釋放，保持安全殼完整性，嚴重事故預(yù)防和緩解（包括：嚴重事故管理導(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)管機構(gòu)要求新建反應(yīng)堆應(yīng)滿足下列安全目標：1.必須實際消除會出現(xiàn)堆芯融化、導(dǎo)致早期或大量放射性泄露的事故；2.對可能發(fā)生的堆芯融化嚴重事故，必須保證只需對公眾在一定地域/時期內(nèi)采取有限保護措施（無需永久遷居，無需緊急撤離，無需長期限制食品消費）；3.在外部事件方面，傾向于將大飛機蓄意撞擊考慮進去。

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)有在堆芯融毀時收集熔融物的堆芯捕集器，以及其他安全及嚴重事故緩解設(shè)施；為操作員在事故下的干預(yù)策略留出足夠時間采取行動，并做到實際消除大規(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個量級），從而消除剩余風(fēng)險；從而可以做到即使在發(fā)生極其嚴重的核事故時，核電站附近大范圍居民無需撤離，也無需擔心食物受到污染，只需短時間隱蔽，不存在長期環(huán)境及生態(tài)影響，符合安全監(jiān)管機構(gòu)的安全目標。

三、耐事故燃料研發(fā)

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

國際方面，美國西屋公司將于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。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。第二階段西屋計劃使用硅化鈾芯塊和碳化硅包殼?？傮w上這個方向和我們國內(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，全世界在運行的電站都是二代核電站，想在運行的二代核電站上改進其安全系統(tǒng)是不可能的，但可以更換燃料。如果我們在二代核電站里換了ATF燃料以后，大大提高了安全性，有很大的現(xiàn)實意義。國際上，美國和法國正在開展此類工作，并預(yù)計2019年可以開始應(yīng)用。在這一方面我們要大量加強工作，既為新建的核電站提供更好的燃料性能，安全性能，又為在運行的二代核電站安全運行創(chuàng)造條件。

四、人工智能在核電的應(yīng)用

2017年7月，國務(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)用與世界先進水平同步。核工業(yè)是高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國家安全的重要基石，人工智能的應(yīng)用具有重要意義。

落實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)機器人、圖像識別、深度自學(xué)習(xí)系統(tǒng)、自適應(yīng)控制、自主操縱、人機混合智能、虛擬現(xiàn)實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，國內(nèi)除了早期的幾個核電站外，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（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，用于安裝維護檢修，一類是動態(tài)的，實時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，高放射性區(qū)域不可達地區(qū)的應(yīng)用機器人或者機器人系統(tǒng)維修。這三個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，這是當前國際上的熱點，也是占領(lǐng)技術(shù)和科學(xué)制高點的一項關(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行的安全性；加強核電關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備的自動運行監(jiān)控，提高系統(tǒng)、設(shè)備的可靠性；提高核電站運行的可利用率，提高經(jīng)濟性；對人不可達區(qū)域進行機器人維修，減少工作人員的受照劑量；為嚴重事故處理創(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70年代開始，推進了創(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：偏遠位置，并未入鄰近電網(wǎng)的中小型電網(wǎng)，舊燃煤機組更換，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，盡管市場前景廣闊，也開展了一些設(shè)計研究，但這些小型模塊化反應(yīng)堆還未能展示出大規(guī)模應(yīng)用的實用性，這主要是由于開發(fā)的進展緩慢、經(jīng)濟方面的原因，還有廠址準備和部署的延遲。

出于鞏固核能領(lǐng)導(dǎo)地位和能源領(lǐng)域、核技術(shù)方面取得的主要進展，在美國能源部的倡議下，近年來，大家對小型模塊化反應(yīng)堆的興趣越來越強烈，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)、儲能等等；3.操作機動、靈活；4.長期投資項目融資的問題。

三大進展提升了小堆的競爭力和吸引力。一是運用非能動安全概念的可能性，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”概念運用，發(fā)電站完全在工廠內(nèi)建造，然后運到現(xiàn)場接入電網(wǎng)，包括浮動核電站。

國際發(fā)展方面，國際上有45種以上革新型中小型反應(yīng)堆概念和設(shè)計，部署目標介于2012年至2030年之間。美國能源部長朱棣文表示中小型反應(yīng)堆是美國接下來的核選擇，美國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。法國建議阿?，m提供小型的、更廉價核反應(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個家庭用電。三菱重工研發(fā)350MWe小堆，已完成概念設(shè)計。日立和美國通用電氣合作研發(fā)400MWe至600MWe的中型核反應(yīng)堆。韓國開發(fā)小型壓水堆SMART。

中國核工業(yè)集團公司開發(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，：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、非能動安全系統(tǒng)、地下部署、雙堆共享一個250兆瓦的汽輪發(fā)電機組。

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

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；事故容錯燃料，能承受高溫不熔化，從而能在發(fā)生事故時防止或限制氫的產(chǎn)生。二是改進的堆芯儀表，準確性更高，可減少設(shè)計分析和運行時的保守性。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。四是實施最新模擬方法，實時耦合熱工水力和中子計算，可大大提高設(shè)計和運行能力。

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、采購、建設(shè)和項目管理的數(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；采用高機械性能和抗?jié)B性能的先進混凝土等。

六、小型堆開發(fā)研究中的低溫核能供熱

受陜西省的邀請，中國科協(xié)和核學(xué)會組織院士及有關(guān)專家，對陜西省核能供熱代替燃煤的必要性進行了考察。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期高位運行，空氣中細顆粒物（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，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74個重點監(jiān)測城市的后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。我們在開發(fā)泳池式低溫供熱堆，上面有12米的水池，經(jīng)過兩個熱交換隔離以后，送到熱網(wǎng)，相當安全，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，在嚴重事故情況下，反應(yīng)堆依賴固有負反饋特性可實現(xiàn)自動停堆，即使沒有任何干預(yù)，也可實現(xiàn)26天堆芯冷卻不熔毀；抗外部事件能力強，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展應(yīng)用，一是利用溴化鋰吸熱循環(huán)制冷，以便在夏季實現(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，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行海水淡化。如果這些技術(shù)都用上，我們供熱堆的經(jīng)濟性問題也可以解決，而且促進了發(fā)展。 

（作者為中國核能行業(yè)協(xié)會專家委員會主任）