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中國核能技術發展的主要方向和重點

一、中國核電發展現狀

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院及法國國家技術院給國際原子能機構的報告中所說：“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先。同時，中國在核電站建設方面正在取得重大突破，是未來的潛在領先國家之一。”

中國核電具有“后發優勢”

中國核電充分吸收了國際核電發展的經驗和教訓，采用當前最先進的技術，遵循最高的安全標準。中國始終堅持自主創新，不斷改進。技術先進、實力強大的裝備行業支撐中國核電建設，提供高質量先進的設備。

中國最早引入和開發三代核電技術

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、海陽建設首批4臺AP000先進壓水堆核電廠，同時又在臺山建設2臺EPR1700先進壓水堆核電廠。中國自主開發三代核電CAP1400和華龍一號。華龍一號在我國具有的成熟技術和規模化核電建設及運行基礎上，通過優化和改進，滿足先進壓水堆核電廠的標準規范，已在福建福清、廣西防城港和巴基斯坦卡拉奇開工建設。

華龍一號滿足國際核電最高安全標準，其主要特點有，采用標準三環路設計，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；采用雙層安全殼，具有抗擊大型商用飛機撞擊的能力；設置嚴重事故緩解設施，包括增設穩壓器卸壓排放系統，非能動氫氣復合裝置，以及堆腔淹沒系統，保持堆芯熔融物滯留在壓力容器內；設置濕式過濾排放系統，以防止安全殼超壓故障；設計基準地面水平加速度為0.3g；全數字化儀控系統。

二、持續提高核電的安全性

我國和國際上都在進行提高核電的安全性研究，主要有從設計上實際消除大規模放射性釋放，保持安全殼完整性，嚴重事故預防和緩解（包括：嚴重事故管理導則，極端自然災害預防管理導則），耐事故燃料（ATF）研究，以及先進的廢物處理和處置技術的開發和應用。

安全監管機構要求新建反應堆應滿足下列安全目標：1.必須實際消除會出現堆芯融化、導致早期或大量放射性泄露的事故；2.對可能發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；反應堆設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施；為操作員在事故下的干預策略留出足夠時間采取行動，并做到實際消除大規模放射性釋放；為防止安全殼超壓損傷，設置安全殼濕式卸壓過濾排放系統（下降2～3個量級），從而消除剩余風險；從而可以做到即使在發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，不存在長期環境及生態影響，符合安全監管機構的安全目標。

三、耐事故燃料研發

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

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。總體上這個方向和我們國內方向一致。ATF燃料元件的研發和投入具有另外一層意義。三代核電站主要在安全系統上采取了安全措施，提高了安全度。到現在為止，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，有很大的現實意義。國際上，美國和法國正在開展此類工作，并預計2019年可以開始應用。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造條件。

四、人工智能在核電的應用

2017年7月，國務院印發了《新一代人工智能發展規劃》，規劃提出，到2020年人工智能總體技術和應用與世界先進水平同步。核工業是高科技戰略產業，是國家安全的重要基石，人工智能的應用具有重要意義。

落實新一代人工智能在核能行業的發展規劃，需深入并廣泛應用以工業機器人、圖像識別、深度自學習系統、自適應控制、自主操縱、人機混合智能、虛擬現實智能建模等為代表的新型人工智能技術。

總體來講，核電領域人工智能發展分為三個階段。第一階段是基礎建設，智能化一定要立足在數字化的基礎上，從智能儀表智能控制器采用到核電站全數字儀控系統建立，國內除了早期的幾個核電站外，其他大部分核電站都已經數字化。第二階段是人工智能架構的建立，利用“互聯網+”建立大數據系統，開發數字核電站并開發應用虛擬現實（VR）技術，其中數字核電站包括兩類，一類是虛擬的三維數字化核電站，用于安裝維護檢修，一類是動態的，實時展示核電站的各種參數和狀態。第三階段是核電人工智能應用開發，包括操作指導，事故處理指導，核電站設備系統智能維護，高放射性區域不可達地區的應用機器人或者機器人系統維修。這三個階段不是相互割裂的，而是交叉發展的，使得我們的人工智能慢慢成熟發展起來，這是當前國際上的熱點，也是占領技術和科學制高點的一項關鍵工作。

核電領域人工智能應用的意義在于提高核電運行的安全性；加強核電關鍵系統和設備的自動運行監控，提高系統、設備的可靠性；提高核電站運行的可利用率，提高經濟性；對人不可達區域進行機器人維修，減少工作人員的受照劑量；為嚴重事故處理創造技術條件；為核電站退役創造技術條件。

五、小型堆的開發研究

從20世紀70年代開始，推進了創新的中小型反應堆（50~300 MWe）的研發，以支持多種應用：偏遠位置，并未入鄰近電網的中小型電網，舊燃煤機組更換，將廢熱用于供熱網絡的熱電聯產，海水淡化，海島開發等等。

顯而易見的是，盡管市場前景廣闊，也開展了一些設計研究，但這些小型模塊化反應堆還未能展示出大規模應用的實用性，這主要是由于開發的進展緩慢、經濟方面的原因，還有廠址準備和部署的延遲。

出于鞏固核能領導地位和能源領域、核技術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堆的興趣越來越強烈，小型模塊化反應堆是游戲改變者，能夠以高安全水平提供不同的核電聯產解決方案。

小型模塊化反應堆可成為清潔穩定的分布式能源，出于四大原因：1.減少化石燃料使用的需求；2.與分布式能源結構相匹配，包括可再生能源、智能電網、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；二是工廠內模塊化建造能力的形成；三是“即插即用”概念運用，發電站完全在工廠內建造，然后運到現場接入電網，包括浮動核電站。

國際發展方面，國際上有45種以上革新型中小型反應堆概念和設計，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堆取證和商業化，美國參議院新議案將小堆開發列入聯邦政府資助名單。法國建議阿海琺提供小型的、更廉價核反應堆。俄羅斯開發的小堆有VBER150、VBER300、KLT40。東芝公司宣稱其研發的10MWe小堆30年內不必更換燃料，可供日本3000個家庭用電。三菱重工研發350MWe小堆，已完成概念設計。日立和美國通用電氣合作研發400MWe至600MWe的中型核反應堆。韓國開發小型壓水堆SMART。

中國核工業集團公司開發了ACP100，出力125兆瓦小型模塊化反應堆，有下列技術優勢，：一體化反應堆、屏蔽式主泵、集成式堆頂結構、小型鋼安全殼、固有安全特性、非能動安全系統、地下部署、雙堆共享一個250兆瓦的汽輪發電機組。

要切實滿足市場需求，新的小型模塊化反應堆必須真正采用創新理念，絕對不能是目前的第三代反應堆的縮小版。創新的設計可明顯提升小型模塊化反應堆在經濟上的競爭力，相對于間歇性風電、太陽能發電、天然氣發電和用于特定應用的柴油發電機相比，小型模塊化反應堆是有競爭力的。如果類似于“即插即用”、設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、從而為能源轉型作出貢獻的最佳選擇。

要充分吸取核能特殊創新技術發展，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，從而能在發生事故時防止或限制氫的產生。二是改進的堆芯儀表，準確性更高，可減少設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，優化事故工況下燃料在壓力容器內滯留措施。四是實施最新模擬方法，實時耦合熱工水力和中子計算，可大大提高設計和運行能力。

吸取從其它行業轉讓而來的技術，例如核設施設計、采購、建設和項目管理的數字化；為低壓回路系統采用新型復合材料以取代鋼材；采用高機械性能和抗滲性能的先進混凝土等。

六、小型堆開發研究中的低溫核能供熱

受陜西省的邀請，中國科協和核學會組織院士及有關專家，對陜西省核能供熱代替燃煤的必要性進行了考察。由于偏重傳統能源與重化工業，快速發展的陜西關中地區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，年均霧霾天氣日數居高難下。據統計，以西安市為代表的關中城市2016年上半年優良天數同比減少42天，位居全國74個重點監測城市的后10位。PM10、PM2.5同比分別上升16.3%和16.1%，環境壓力持續加大。

去年冬天到今年春天，北京的優良天數很多，其中一個主要的原因是環保部取消燃煤供熱，這樣一來天氣改善了，所以燒煤是相當大的污染，將來應減少煤。總書記說過，宜氣則氣，宜電則電。用氣，北京的氣貴，資源也不足。我們在開發泳池式低溫供熱堆，上面有12米的水池，經過兩個熱交換隔離以后，送到熱網，相當安全，低溫供熱溫度就是100度左右，現在熱網上要求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，反應堆依賴固有負反饋特性可實現自動停堆，即使沒有任何干預，也可實現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備損壞而發生核事故；零排放（見下表）；污染物排放近零，放射性源項小，是常規核電站的1%。易退役，退役徹底，廠址可恢復綠色復用。

泳池式低溫供熱堆擴展應用，一是利用溴化鋰吸熱循環制冷，以便在夏季實現城市供冷，提高供熱堆的利用率；二是生產同位素；三是生產醫用短壽命同位素，如18Fe、99mTc、131l、89Sr、32P、125l等具有性能優良、半衰期合適、方便易得等特點，且供熱堆分布面廣，離城市大醫院近，便于短壽命同位素運輸，為推廣同位素診斷和治療創造有利條件；四是利用低溫真空閃蒸進行海水淡化。如果這些技術都用上，我們供熱堆的經濟性問題也可以解決，而且促進了發展。 

（作者為中國核能行業協會專家委員會主任）