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中國一年10臺機組獲批,核電安全問題何解?

來源: 中國新國周刊 發布日期:2022-11-14

11月1日,大連瓦房店市紅沿河鎮及周邊的兩萬多居民,首次感受到當地核電站“送來的溫暖”。這一天,東北首個核能供暖項目在遼寧紅沿河正式投運,以替代紅沿河鎮原有的12個燃煤鍋爐房,據測算,項目投產后每年將減少標煤消耗5726噸,減排二氧化碳1.41萬噸。


作為清潔能源的核能,既可以發電,又可以供熱。在“積極安全有序發展核電”的方針下,今年以來,國家對新增核電項目的批準明顯加速。9月13日,國務院常務會議核準了兩個核電項目:福建漳州二期、廣東廉江一期。此前4月20日,國常會核準了浙江三門二期、山東海陽二期和廣東陸豐三個項目。迄今為止,中國今年已有5個核電項目、10臺核電機組獲得核準,為近14年最多。


根據《“十四五”規劃和2035遠景目標綱要》,到2025年,我國核電運行裝機容量要達到7000萬千瓦。中國核學會理事長王壽君在8月舉辦的國際核工程大會上表示,預計2022~2025年間,中國將保持每年6~8臺核電機組的核準開工節奏;到2035年,中國核電在總發電量中的占比將達到10%,相比2021年翻倍。


中國核電行業在蟄伏多年后,這一次真的要起飛了嗎?核電安全的終極問題又該何解?


未來五年建設要避免“大起大落”


中國核能行業協會專家委員會常務副主任、國家核安全局原局長趙成昆表示,今年中國核電產業加速,除了技術積累已經發展到一定程度以外,在外部環境上,主要的“刺激”來自近兩年極端天氣頻發疊加俄烏沖突帶來的全球能源危機。


他解釋,核電在整個電力系統中扮演著雙重角色。一直以來,人們一般更強調它的清潔屬性,因為核電發電過程產生的碳排放量極少。


但也有一些國家堅持棄核,綜合來看,如果僅從應對氣候危機的長期目標考慮,核電在與太陽能、風能等可再生能源的競爭上不占優勢?!暗绻麖哪茉窗踩慕嵌惹腥?,核電的意義就變得不同了?!壁w成昆說。


趙成昆分析,作為一種公認的“穩定電源”,核電的優點是發電穩定可靠,不像風光等新能源受外部氣候環境影響較大。去年秋冬,當東北出現拉閘限電時,遼寧紅沿河核電出力穩定,今年南方電力供應緊張時,核電廠的“表現也都非常好”。因此在全球能源危機背景下,核電的身份已經從清潔能源轉為“保供能源”,在能源安全中扮演著非常重要的角色。國際能源署8月發布的報告《核能和能源安全轉型》也提到“今天的能源危機可能會導致核能復興”。


實際上,國家能源部門去年就在積極醞釀加速上馬核電,但由于各種原因,去年“沒辦法一下批這么多”,今年綜合考慮各種因素,再加上條件也成熟了,就相對集中地核準了兩批新的核電項目。


各種因素綜合下,中國核電今年重新起飛。趙成昆分析說,中國核電起步晚,早些年以引進國外技術為主,但現在,無論在自主三代核電技術,還是制造、安裝、質量把控、工程管理等方面都居于全球前列,“整體技術力量很強,且大多數設備的國產率能達到90%左右”。因此每年開工6~8臺機組,是根據中國當下核電能力做出的“一個比較客觀和審慎的規劃”。


國家電力投資集團有限公司核能總工程師、“國和一號”總設計師鄭明光提供了一個更樂觀的預測。他表示:“隨著工程進度的有效、有序推進,中國核電的總體制造能力大約可以“保證”每年同時開工12臺機組,未來,批量化建設核電就是必經之路”。


事實上,從去年起,核電的起飛就已見端倪。2021年3月的《政府工作報告》提出要“在確保安全的前提下積極有序發展核電”,這是近十年來中國官方首提“積極”發展核電。趙成昆指出,“有序發展”就是要盡可能避免大起大落。


自1985年,浙江秦山建設了中國第一座30萬千瓦壓水堆核電站后,中國整個核電發展脈絡一直起伏不定。1990年代以“適度發展”為方針,十年內批準了8臺核電機組。2005年之后,從“適度”轉為“積極”,隨后五年內新開工30臺機組。但到了2011年,日本福島發生核事故,中國核電審批一度暫停,2019年~2021年每年平均新增核準機組只有4~5臺。趙成昆認為,影響中國核電“有序發展”的不確定因素中,最核心的仍然是安全。


實際上,中國迄今未發生任何一起2級及以上的核事件。按國際原子能機構對核事件的分級標準,4至7級為核事故, 等級越高,事件對人類社會的危害越大。全球已發生的三起重大核事故中,1979年的美國三里島核事故為5級,1986年切爾諾貝利和2011年日本福島核事故都是最高等級7級。


目前,全球核電技術已經進化到第三代,第四代仍在研發試驗階段,多種技術路線并進。第一代核電技術是以實驗研究堆為主;第二代的主要發展階段是上世紀60年代初到1979年以前,目前發生過事故的核電站技術均在二代以下;第三代是在充分認識、分析了重大核事故的基礎上逐漸發展而來,設計上主要圍繞核電運行安全進行了一系列改進。


中國是繼美國、法國、俄羅斯等國之后真正掌握自主三代核電技術的國家,代表性技術是“華龍一號”和“國和一號”?!叭A龍一號”是由中核和中廣核自主研發的百萬千瓦級先進壓水堆核電技術,首堆福建福清5號機組已于2021年1月30日投入商業運行并順利并網,標志著中國的三代核電技術已躋身世界前列。


2020年9月28日,由國電投開發的“國和一號”(CAP1400)發布,CAP1400是在吸收消化國際先進的非能動技術基礎上、通過國家重大專項自主研發而來,目前該技術尚未進入商用,位于山東榮成市的首個示范項目正在建設中。另外,由華能主導開發的高溫氣冷堆已具備四代核電技術特征,首個示范工程已于2021年12月并網發電。國內其他四代技術路線仍在研究中。


三代技術能否讓福島事故不再發生?


專家指出,三代核電技術和二代的主要區別,關鍵是在安全性的提升上。衡量核電站安全性的一個關鍵指標是,反應堆每堆年可能發生堆芯熔化的概率。堆芯是核反應堆的核心結構,如果堆芯內余熱無法及時有效導出,就會造成堆芯熔化。


2011年3月11日發生的福島核事故中,先是日本東北太平洋地區發生里氏9.0級地震,繼而引發浪高達14~15米的巨大海嘯,這些極端自然災害迅速造成核電廠失去動力電源,冷卻系統隨之失效,使堆芯內熱量無法導出而發生熔毀,造成了大量放射性物質外泄。


“三代核電對堆芯熔化頻率的基本要求是小于等于1×10-5,即十萬分之一遇,二代核電的一般是1×10-4,而‘國和一號’機型CAP1400的堆芯熔化頻率可以做到小于4.02×10-7,安全性比國際上對第二代核電的安全要求高100倍以上?!薄皣鸵惶枴笨傇O計師鄭明光說。


三代與二代技術相比另一個重大技術進步是引入了“非能動安全系統”。傳統的二代核電一般采用能動安全系統,堆芯的有效冷卻是通過泵將冷卻水注入反應堆中。這是一套以電力為支撐的機械裝置,事故發生后可自動啟動。如果一旦失去動力供應,堆芯冷卻功能就會喪失。福島核電事故中就是如此,由于只有能動安全系統,電力和備用電源都失效后,整個安全系統隨之癱瘓。


為解決這個問題,美國西屋公司的工程師們研發出一套不依賴動力電源,而是依靠重力、溫差、密度差等驅動的非能動安全系統。鄭明光說,“國和一號”的安全設計就是全面采用了高可靠的“非能動”理念,一旦發生事故,被置于高處的應急水會在重力作用下流到堆芯或安全殼表面,自動冷卻堆芯并導出安全殼內的熱量。


鄭明光進一步解釋,非能動系統利用的是大自然的客觀規律,比如水往低處流,水熱之后要自然蒸發,熱蒸汽遇冷會發生冷凝等。因此相對來說,非能動比能動系統在極限情況下更可靠。


并且,“非能動”系統是被動觸發,事故發生后72小時內都無須人工干預,給了操作人員足夠“寬容時間”去了解核電廠所處狀態。同樣吸取福島教訓,第三代核電的安全系統都強化了對極端事件的包容性,為應對9.0級地震這類“黑天鵝事件”做好準備。


趙成昆總結,各國從福島事故中得到的最重要經驗,就是必須通過防御措施保證一直有“可靠電源、可靠水源和可靠的現場操作人員”。當嚴重事故發生后,只要這三方面能“控制保障得好”,就可以有效防止堆芯熔化,“后面的安全環節就好辦多了”。


在核安全領域,最重要一個概念就是“縱深防御”,對可能的核事故層層設防,前一層次失效時,后一層次將加以彌補或糾正,不同層次防御間要盡可能相互獨立,以避免共同失效。福島核事故堆芯熔毀后,如果有更好的應對措施,運營者能做出更及時的反應,最終可能不會導致如此大量的泄漏。


為了滿足這一點,三代核電站進行了一系列改進,比如采用了大容量的雙層安全殼,這是核反應堆的最后一道屏障?!凹词拐娴牟恍野l生了堆芯熔毀,也可以讓這些放射性的水封閉在安全殼內,不進入到環境中去?!壁w成昆解釋。


鄭明光說,在設置了完整嚴重事故與堆芯熔毀應對措施之后,中國的先進三代核電技術已經“不再存在福島核電堆芯融化后放射性釋放的場景或可能性”。


前述接近國家能源局的人士強調,一個核電站的安全運行,與多種因素有關,除了安全性設計之外,還需要有質控良好的制造能力和高效的運維管理水平。


對核電廠的嚴格監管也是確保事故不會發生的重要前提。日本國會在福島事故發生后的最終調查報告中稱,根本原因是日本監管當局和東京電力公司間的關系錯位,導致“監視、監督機制崩潰”,錯失預防核泄漏的最好時機。事故發生前數年間,東京電力曾報告發現福島第一核電站28次修改反應堆數據,同時,它還意識到要對核電站結構加固,如果海嘯達到超設計基準,可能會發生堆芯熔毀和全面停電的風險。


中國民用核電站的監管由國家核安全局負責,隨著“十四五”期間開工的核電機組不斷增多,覆蓋的機組類型(水冷、氣冷)、技術路線也越來越多元。前述人士指出,未來核安全監管機構將面臨“多堆型、多技術、多標準”的復雜局面,當下亟須擴充監管隊伍、提升監管水平,并對每一種機型、技術更具針對性的監管,而非照搬國外標準。


影響終極核安全的“游戲改變者”


將目光從東部沿海地區的核電站移向西北地區:北山金廟溝村25號。在甘肅肅北縣馬鬃山境內,這里是中國北山地下實驗室所在地,也是保障中國長期核安全的“最后一站”。


這是一片大西北典型的“無人區”,人煙稀少,常住人口只有一戶牧民,王駒接受記者采訪時,正是深秋十月,北山的36棵胡楊樹已經全部染成了金黃,這是當地季節流轉的唯一證據,這里連動物很少見到。但對王駒來說,這片荒蕪之地是處置核廢物的“理想場所”。


王駒是北山地下實驗室總設計師、中核集團核工業北京地質研究院副院長,他指出,核安全主要是解決兩方面問題:一是防止核設施發生事故,二是核廢料的永久安全處置。核電站產生的放射性廢物中,99%屬于中、低水平放射性廢物,經過一段時間,其放射性就會衰變至無害水平。只有剩下的1%屬于高水平放射性廢物(下簡稱“高放廢物”),含有钚、镅、锝等放射性核素,放射性強、毒性大、半衰期長,需要上萬年甚至更長時間才能自然衰變到無害水平,如不能安全處置,將對人類生存環境產生巨大影響。


高放廢物來源主要有兩種:乏燃料(反應堆中核燃燒“燃燒”后產生的廢料)和乏燃料后處理產生的高放廢液及其固化體。王駒解釋,美國、瑞典、芬蘭等國出于處理成本等經濟考量,將乏燃料直接埋入地下或長期封存。中國、英國和法國等認為乏燃料仍是一種資源,可以從中提取出有用的鈾和钚,重新作為燃料循環使用。剩下的廢液固化后裝入特制廢物罐中暫存,這只是一種暫時的貯存方式。


專家指出,中國積累的高放廢物仍長期存放在地表,部分廢物貯存時間過長,管理成本和安全風險逐漸增加,成為影響中國長期核安全的重要隱患。并且,作為在建規模世界第一的核電大國,隨著“十四五”期間核電機組規模不斷擴大,乏燃料和放射性廢物也將持續增加。


對于高放廢物的永久安全處置,目前,國際上經過了幾十年的廣泛討論和驗證,在提出“深巖層熔融處置”“深海溝處置”“太空處置”等多種方案后,最終形成共識:“深地質處置”是目前最安全可靠且技術上可行的方案。國際原子能機構總干事格羅西稱其為“游戲規則改變者”。


這種方案中,把高放廢物深埋于距離地表深度約500至1000米的處置庫中。處置庫須在各種未來演化情景及不確定因素影響下,實現對有害核素萬年以上的包容、隔離,防止有害核素對生物圈的不利影響,確保長期核安全。各國目前都規定,高放廢物地質處置庫對應的安全隔離期不得少于一萬年。


中國從1985年起開始處置庫的選址工作。綜合評估甘肅、內蒙古、華東、華南、西南和新疆6個預選區后,2011年,國防科工局和原環保部聯合召開專家評審會,最終選定的首選預選區,就是甘肅北山。2021年6月,北山地下實驗室正式開工,這是中國首個高放廢物處置地下研究實驗室,由核工業北京地質研究院總體設計建造。至此,中國在確保長期核安全的戰略問題上,又向前邁進了一大步。


北山地下實驗室有兩個主要的試驗平臺,分別位于地下280 米和 560 米深處,主體結構由三個垂直向下的豎井和傾斜的螺旋坡道相連,從三維透視圖看,就像一個緩慢盤旋下降的螺圈?!奥菪碌滥壳耙呀浵蛳峦诘?60米深處,揭露出的巖石極為完整,與預測結果完全一致,螺旋斜坡道地下硐室的穩定性也非常好?!蓖躐x說。


他解釋,地下實驗室并非最終處置庫,不會埋入真的高放廢物,只是一個“彩排平臺”,通過研究為最終處置庫的選址提供科學依據。目前的工作與建成處置庫的工程目標相比,還相差較遠,仍處于選址的前期研究階段。按照國家規劃,將在2040年確定處置庫的最終場址,2050年左右建成并開始運行?!皩τ谑欠衲茏裱@個時間表推進,我總體上比較樂觀?!彼f。


“鄰避效應”何解?


王駒分析,為了更好隔離高放廢物,最終選址的確定要考慮兩類因素:自然條件和社會經濟條件。以北山為例,當地海拔在1500~2500米,長年干燥,年降雨量只有70毫米,蒸發量卻高達3000毫米,地表水系不發育、地下水貧乏?!斑@樣,滲透侵蝕到處置庫的地下水就會極其稀少?!彼f。同時圍巖主體是堅硬的花崗巖,巖體完整、厚度可達2000米以上、滲透性極低,且地殼穩定,地震活動很弱。


另一方面,當地人煙稀少,也沒有礦產和動植物資源可待開發,土地無更重利用價值,社會經濟發展潛力很低。未來,還需考慮公眾的接受程度?!氨鄙饺允亲钣邢M囊粋€預選地,不過如果處置庫最終決定建在這里,核電站大多分布在東部沿海地區,運輸安全將非常重要,這就涉及利益和代價的權衡問題?!蓖躐x說。


實際上,關于高放廢物地質處置,雖然目前在工程技術上具備可行性,但對其長期安全性的評估仍存在一些不確定性因素。其中關鍵挑戰,就在于需要處置的時間跨度至少在上萬年以上,而且人類在這方面沒有任何可借鑒的經驗。


“比如有很多科學和技術問題還有待解決:以現有的地表實驗室條件研究廢物罐的安全性,認為它抗腐蝕能力很強,但在一個深部地質環境里,經過了上萬年的演化之后,其抗腐蝕性是否仍能得到保證?在上萬年的時間尺度下,放射性核素又會以什么方式在地下水中遷移?遷移到什么地方?”王駒說。


除了技術痛點以外,核工業標準化研究所專家在2021年發表的論文《高水平放射性廢物深地質處置法規標準探討》中還指出,中國還沒有專門針對高放廢物深地質處置制定相關法律法規,造成處置責任不明、體制機制不協調、頂層規劃缺失、資金籌措與管理制度不完善等問題,放射性廢物管理嚴重滯后于核能發展。


眾所周知的是,核電安全問題涉及利益主體眾多,公眾敏感性強,即使技術、管理、制度、監管等層面的問題解決了,最終制約中國核電發展的關鍵,仍要看是否能解決“不要建在我家后院”的“鄰避效應”。


中國工程院院士杜祥琬在2018年10月舉辦的“中國核能可持續發展論壇”上說,在一些地方,中國核能發展遇到了難以被公眾接受的窘境,主要原因是公眾對核電的認識有限,未能很好地、客觀公正地認識核電,甚至出現被誤導現象。


這方面,芬蘭、瑞典、法國等歐洲國家的經驗值得借鑒。芬蘭于2021年開始建設高放廢物永久處置庫。作為全世界第一個擁有處置庫的國家,其在選址階段就向當地社區開放了辦公區域,并對社區承諾,如果該地被選中,他們將獲得否決權。等到項目審批時,更是創造了處置庫所在城市七成以上民眾支持的紀錄。


處置庫位于芬蘭西部的奧爾基洛托島,這個島上還有芬蘭五座核電站中的三座。這是一片平坦的土地,被松樹覆蓋,三邊與波羅的海接壤。選址最終決定時,奧爾基洛托島上的小型農業和漁業社區接受了該項目。與此同時,在距離該島車程只有約20分鐘的陸上城鎮勞馬,人口約 34000人,也對核安全表示了放心。


瑞典進度比芬蘭稍慢一步,處置庫于2020年獲批。此前在建設地下實驗室階段,瑞典就把其作為與公眾溝通的窗口并對外開放,每年約有12000人前去參觀,其中包括瑞典女王。相反,美國早在1991年就確定在尤卡山建設處置庫,但由于內華達州當地民眾強烈反對,最終國會沒有繼續撥款,讓項目擱置至今。


在王駒看來,“鄰避效應”是一個信任問題,破解出路在于公開透明,“我們目前專門有一個課題組研究如何促進與公眾的溝通,讓他們更了解處置庫建設的安全性與必要性。想讓公眾理解我們,首先就要做到兩點:公開和透明,并且讓公眾參與決策?!?/p>


杜祥琬也建議,公眾不僅是科普對象,還是參與主體,一開始就應參與立項的醞釀、溝通和論證,“參與進來不是開一個報告會,讓他們當聽眾這么簡單,必須制度化、法制化、組織化,形成一種機制?!?/p>


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