第三代及第四代核电技术的发展
能很大程度上提升安全性
降低核电事故的严重性
11月1日，大连瓦房店市红沿河镇及周边的两万多居民，首次感受到当地核电站“送来的温暖”。这一天，东北首个核能供暖项目在辽宁红沿河正式投运，以替代红沿河镇原有的12个燃煤锅炉房，据测算，项目投产后每年将减少标煤消耗5726吨，减排二氧化碳1.41万吨。
作为清洁能源的核能，既可以发电，又可以供热。在“积极安全有序发展核电”的方针下，今年以来，国家对新增核电项目的批准明显加速。9月13日，国务院常务会议核准了两个核电项目：福建漳州二期、广东廉江一期。此前4月20日，国常会核准了浙江三门二期、山东海阳二期和广东陆丰三个项目。迄今为止，中国今年已有5个核电项目、10台核电机组获得核准，为近14年最多。
根据《“十四五”规划和2035远景目标纲要》，到2025年，我国核电运行装机容量要达到7000万千瓦。中国核学会理事长王寿君在8月举办的国际核工程大会上表示，预计2022~2025年间，中国将保持每年6~8台核电机组的核准开工节奏；到2035年，中国核电在总发电量中的占比将达到10%，相比2021年翻倍。
中国核电行业在蛰伏多年后，这一次真的要起飞了吗？核电安全的终极问题又该何解？
8月23日，中国自主三代核电技术华龙一号批量化建设工程——中核集团漳州核电2号机组内穹顶成功吊装。图/中新
未来五年建设要避免“大起大落”
中国核能行业协会专家委员会常务副主任、国家核安全局原局长赵成昆告诉《中国新闻周刊》，今年中国核电产业加速，除了技术积累已经发展到一定程度以外，在外部环境上，主要的“刺激”来自近两年极端天气频发叠加俄乌冲突带来的全球能源危机。
他解释，核电在整个电力系统中扮演着双重角色。一直以来，人们一般更强调它的清洁属性，因为核电发电过程产生的碳排放量极少。
但也有一些国家坚持弃核，综合来看，如果仅从应对气候危机的长期目标考虑，核电在与太阳能、风能等可再生能源的竞争上不占优势。“但如果从能源安全的角度切入，核电的意义就变得不同了。”赵成昆说。
赵成昆分析，作为一种公认的“稳定电源”，核电的优点是发电稳定可靠，不像风光等新能源受外部气候环境影响较大。去年秋冬，当东北出现拉闸限电时，辽宁红沿河核电出力稳定，今年南方电力供应紧张时，核电厂的“表现也都非常好”。因此在全球能源危机背景下，核电的身份已经从清洁能源转为“保供能源”，在能源安全中扮演着非常重要的角色。国际能源署8月发布的报告《核能和能源安全转型》也提到“今天的能源危机可能会导致核能复兴”。
一位接近国家能源局的人士对《中国新闻周刊》透露，实际上，国家能源部门去年就在积极酝酿加速上马核电，但由于各种原因，去年“没办法一下批这么多”，今年综合考虑各种因素，再加上条件也成熟了，就相对集中地核准了两批新的核电项目。
各种因素综合下，中国核电今年重新起飞。赵成昆分析说，中国核电起步晚，早些年以引进国外技术为主，但现在，无论在自主三代核电技术，还是制造、安装、质量把控、工程管理等方面都居于全球前列，“整体技术力量很强，且大多数设备的国产率能达到90%左右”。因此每年开工6~8台机组，是根据中国当下核电能力做出的“一个比较客观和审慎的规划”。
国家电力投资集团有限公司核能总工程师、“国和一号”总设计师郑明光提供了一个更乐观的预测。他对《中国新闻周刊》说，随着工程进度的有效、有序推进，中国核电的总体制造能力大约可以“保证”每年同时开工12台机组，“未来，批量化建设核电就是必经之路”。
事实上，从去年起，核电的起飞就已见端倪。2021年3月的《政府工作报告》提出要“在确保安全的前提下积极有序发展核电”，这是近十年来中国官方首提“积极”发展核电。赵成昆指出，“有序发展”就是要尽可能避免大起大落。
自1985年，浙江秦山建设了中国第一座30万千瓦压水堆核电站后，中国整个核电发展脉络一直起伏不定。1990年代以“适度发展”为方针，十年内批准了8台核电机组。2005年之后，从“适度”转为“积极”，随后五年内新开工30台机组。但到了2011年，日本福岛发生核事故，中国核电审批一度暂停，2019年~2021年每年平均新增核准机组只有4~5台。赵成昆认为，影响中国核电“有序发展”的不确定因素中，最核心的仍然是安全。
实际上，中国迄今未发生任何一起2级及以上的核事件。按国际原子能机构对核事件的分级标准，4至7级为核事故，等级越高，事件对人类社会的危害越大。全球已发生的三起重大核事故中，1979年的美国三里岛核事故为5级，1986年切尔诺贝利和2011年日本福岛核事故都是最高等级7级。
目前，全球核电技术已经进化到第三代，第四代仍在研发试验阶段，多种技术路线并进。第一代核电技术是以实验研究堆为主；第二代的主要发展阶段是上世纪60年代初到1979年以前，目前发生过事故的核电站技术均在二代以下；第三代是在充分认识、分析了重大核事故的基础上逐渐发展而来，设计上主要围绕核电运行安全进行了一系列改进。
中国是继美国、法国、俄罗斯等国之后真正掌握自主三代核电技术的国家，代表性技术是“华龙一号”和“国和一号”。“华龙一号”是由中核和中广核自主研发的百万千瓦级先进压水堆核电技术，首堆福建福清5号机组已于2021年1月30日投入商业运行并顺利并网，标志着中国的三代核电技术已跻身世界前列。
2020年9月28日，由国电投开发的“国和一号”（CAP1400）发布，CAP1400是在吸收消化国际先进的非能动技术基础上、通过国家重大专项自主研发而来，目前该技术尚未进入商用，位于山东荣成市的首个示范项目正在建设中。另外，由华能主导开发的高温气冷堆已具备四代核电技术特征，首个示范工程已于2021年12月并网发电。国内其他四代技术路线仍在研究中。
三代技术能否让福岛事故不再发生？
专家指出，三代核电技术和二代的主要区别，关键是在安全性的提升上。衡量核电站安全性的一个关键指标是，反应堆每堆年可能发生堆芯熔化的概率。堆芯是核反应堆的核心结构，如果堆芯内余热无法及时有效导出，就会造成堆芯熔化。
2011年3月11日发生的福岛核事故中，先是日本东北太平洋地区发生里氏9.0级地震，继而引发浪高达14~15米的巨大海啸，这些极端自然灾害迅速造成核电厂失去动力电源，冷却系统随之失效，使堆芯内热量无法导出而发生熔毁，造成了大量放射性物质外泄。
“三代核电对堆芯熔化频率的基本要求是小于等于1×10-5，即十万分之一遇，二代核电的一般是1×10-4，而‘国和一号’机型CAP1400的堆芯熔化频率可以做到小于4.02×10-7，安全性比国际上对第二代核电的安全要求高100倍以上。”“国和一号”总设计师郑明光说。
三代与二代技术相比另一个重大技术进步是引入了“非能动安全系统”。传统的二代核电一般采用能动安全系统，堆芯的有效冷却是通过泵将冷却水注入反应堆中。这是一套以电力为支撑的机械装置，事故发生后可自动启动。如果一旦失去动力供应，堆芯冷却功能就会丧失。福岛核电事故中就是如此，由于只有能动安全系统，电力和备用电源都失效后，整个安全系统随之瘫痪。
为解决这个问题，美国西屋公司的工程师们研发出一套不依赖动力电源，而是依靠重力、温差、密度差等驱动的非能动安全系统。郑明光说，“国和一号”的安全设计就是全面采用了高可靠的“非能动”理念，一旦发生事故，被置于高处的应急水会在重力作用下流到堆芯或安全壳表面，自动冷却堆芯并导出安全壳内的热量。
郑明光进一步解释，非能动系统利用的是大自然的客观规律，比如水往低处流，水热之后要自然蒸发，热蒸汽遇冷会发生冷凝等。因此相对来说，非能动比能动系统在极限情况下更可靠。
并且，“非能动”系统是被动触发，事故发生后72小时内都无须人工干预，给了操作人员足够“宽容时间”去了解核电厂所处状态。同样吸取福岛教训，第三代核电的安全系统都强化了对极端事件的包容性，为应对9.0级地震这类“黑天鹅事件”做好准备。
赵成昆总结，各国从福岛事故中得到的最重要经验，就是必须通过防御措施保证一直有“可靠电源、可靠水源和可靠的现场操作人员”。当严重事故发生后，只要这三方面能“控制保障得好”，就可以有效防止堆芯熔化，“后面的安全环节就好办多了”。
在核安全领域，最重要一个概念就是“纵深防御”，对可能的核事故层层设防，前一层次失效时，后一层次将加以弥补或纠正，不同层次防御间要尽可能相互独立，以避免共同失效。福岛核事故堆芯熔毁后，如果有更好的应对措施，运营者能做出更及时的反应，最终可能不会导致如此大量的泄漏。
为了满足这一点，三代核电站进行了一系列改进，比如采用了大容量的双层安全壳，这是核反应堆的最后一道屏障。“即使真的不幸发生了堆芯熔毁，也可以让这些放射性的水封闭在安全壳内，不进入到环境中去。”赵成昆解释。
郑明光说，在设置了完整严重事故与堆芯熔毁应对措施之后，中国的先进三代核电技术已经“不再存在福岛核电堆芯融化后放射性释放的场景或可能性”。
前述接近国家能源局的人士强调，一个核电站的安全运行，与多种因素有关，除了安全性设计之外，还需要有质控良好的制造能力和高效的运维管理水平。
对核电厂的严格监管也是确保事故不会发生的重要前提。日本国会在福岛事故发生后的最终调查报告中称，根本原因是日本监管当局和东京电力公司间的关系错位，导致“监视、监督机制崩溃”，错失预防核泄漏的最好时机。事故发生前数年间，东京电力曾报告发现福岛第一核电站28次修改反应堆数据，同时，它还意识到要对核电站结构加固，如果海啸达到超设计基准，可能会发生堆芯熔毁和全面停电的风险。
中国民用核电站的监管由国家核安全局负责，随着“十四五”期间开工的核电机组不断增多，覆盖的机组类型（水冷、气冷）、技术路线也越来越多元。前述人士指出，未来核安全监管机构将面临“多堆型、多技术、多标准”的复杂局面，当下亟须扩充监管队伍、提升监管水平，并对每一种机型、技术更具针对性的监管，而非照搬国外标准。
影响终极核安全的“游戏改变者”
将目光从东部沿海地区的核电站移向西北地区：北山金庙沟村25号。在甘肃肃北县马鬃山境内，这里是中国北山地下实验室所在地，也是保障中国长期核安全的“最后一站”。
这是一片大西北典型的“无人区”，人烟稀少，常住人口只有一户牧民，王驹接受记者采访时，正是深秋十月，北山的36棵胡杨树已经全部染成了金黄，这是当地季节流转的唯一证据，这里连动物很少见到。但对王驹来说，这片荒芜之地是处置核废物的“理想场所”。
王驹是北山地下实验室总设计师、中核集团核工业北京地质研究院副院长，他对《中国新闻周刊》指出，核安全主要是解决两方面问题：一是防止核设施发生事故，二是核废料的永久安全处置。核电站产生的放射性废物中，99%属于中、低水平放射性废物，经过一段时间，其放射性就会衰变至无害水平。只有剩下的1%属于高水平放射性废物（下简称“高放废物”），含有钚、镅、锝等放射性核素，放射性强、毒性大、半衰期长，需要上万年甚至更长时间才能自然衰变到无害水平，如不能安全处置，将对人类生存环境产生巨大影响。
高放废物来源主要有两种：乏燃料（反应堆中核燃烧“燃烧”后产生的废料）和乏燃料后处理产生的高放废液及其固化体。王驹解释，美国、瑞典、芬兰等国出于处理成本等经济考量，将乏燃料直接埋入地下或长期封存。中国、英国和法国等认为乏燃料仍是一种资源，可以从中提取出有用的铀和钚，重新作为燃料循环使用。剩下的废液固化后装入特制废物罐中暂存，这只是一种暂时的贮存方式。
专家指出，中国积累的高放废物仍长期存放在地表，部分废物贮存时间过长，管理成本和安全风险逐渐增加，成为影响中国长期核安全的重要隐患。并且，作为在建规模世界第一的核电大国，随着“十四五”期间核电机组规模不断扩大，乏燃料和放射性废物也将持续增加。
对于高放废物的永久安全处置，目前，国际上经过了几十年的广泛讨论和验证，在提出“深岩层熔融处置”“深海沟处置”“太空处置”等多种方案后，最终形成共识：“深地质处置”是目前最安全可靠且技术上可行的方案。国际原子能机构总干事格罗西称其为“游戏规则改变者”。
这种方案中，把高放废物深埋于距离地表深度约500至1000米的处置库中。处置库须在各种未来演化情景及不确定因素影响下，实现对有害核素万年以上的包容、隔离，防止有害核素对生物圈的不利影响，确保长期核安全。各国目前都规定，高放废物地质处置库对应的安全隔离期不得少于一万年。
中国从1985年起开始处置库的选址工作。综合评估甘肃、内蒙古、华东、华南、西南和新疆6个预选区后，2011年，国防科工局和原环保部联合召开专家评审会，最终选定的首选预选区，就是甘肃北山。2021年6月，北山地下实验室正式开工，这是中国首个高放废物处置地下研究实验室，由核工业北京地质研究院总体设计建造。至此，中国在确保长期核安全的战略问题上，又向前迈进了一大步。
北山地下实验室有两个主要的试验平台，分别位于地下280米和 560米深处，主体结构由三个垂直向下的竖井和倾斜的螺旋坡道相连，从三维透视图看，就像一个缓慢盘旋下降的螺圈。“螺旋坡道目前已经向下挖到460米深处，揭露出的岩石极为完整，与预测结果完全一致，螺旋斜坡道地下硐室的稳定性也非常好。”王驹说。
他解释，地下实验室并非最终处置库，不会埋入真的高放废物，只是一个“彩排平台”，通过研究为最终处置库的选址提供科学依据。目前的工作与建成处置库的工程目标相比，还相差较远，仍处于选址的前期研究阶段。按照国家规划，将在2040年确定处置库的最终场址，2050年左右建成并开始运行。“对于是否能遵循这个时间表推进，我总体上比较乐观。”他说。
“邻避效应”何解？
王驹分析，为了更好隔离高放废物，最终选址的确定要考虑两类因素：自然条件和社会经济条件。以北山为例，当地海拔在1500~2500米，长年干燥，年降雨量只有70毫米，蒸发量却高达3000毫米，地表水系不发育、地下水贫乏。“这样，渗透侵蚀到处置库的地下水就会极其稀少。”他说。同时围岩主体是坚硬的花岗岩，岩体完整、厚度可达2000米以上、渗透性极低，且地壳稳定，地震活动很弱。
另一方面，当地人烟稀少，也没有矿产和动植物资源可待开发，土地无更重利用价值，社会经济发展潜力很低。未来，还需考虑公众的接受程度。“北山仍是最有希望的一个预选地，不过如果处置库最终决定建在这里，核电站大多分布在东部沿海地区，运输安全将非常重要，这就涉及利益和代价的权衡问题。”王驹说。
实际上，关于高放废物地质处置，虽然目前在工程技术上具备可行性，但对其长期安全性的评估仍存在一些不确定性因素。其中关键挑战，就在于需要处置的时间跨度至少在上万年以上，而且人类在这方面没有任何可借鉴的经验。
“比如有很多科学和技术问题还有待解决：以现有的地表实验室条件研究废物罐的安全性，认为它抗腐蚀能力很强，但在一个深部地质环境里，经过了上万年的演化之后，其抗腐蚀性是否仍能得到保证？在上万年的时间尺度下，放射性核素又会以什么方式在地下水中迁移？迁移到什么地方？”王驹说。
除了技术痛点以外，核工业标准化研究所专家在2021年发表的论文《高水平放射性废物深地质处置法规标准探讨》中还指出，中国还没有专门针对高放废物深地质处置制定相关法律法规，造成处置责任不明、体制机制不协调、顶层规划缺失、资金筹措与管理制度不完善等问题，放射性废物管理严重滞后于核能发展。
众所周知的是，核电安全问题涉及利益主体众多，公众敏感性强，即使技术、管理、制度、监管等层面的问题解决了，最终制约中国核电发展的关键，仍要看是否能解决“不要建在我家后院”的“邻避效应”。
中国工程院院士杜祥琬在2018年10月举办的“中国核能可持续发展论坛”上说，在一些地方，中国核能发展遇到了难以被公众接受的窘境，主要原因是公众对核电的认识有限，未能很好地、客观公正地认识核电，甚至出现被误导现象。
这方面，芬兰、瑞典、法国等欧洲国家的经验值得借鉴。芬兰于2021年开始建设高放废物永久处置库。作为全世界第一个拥有处置库的国家，其在选址阶段就向当地社区开放了办公区域，并对社区承诺，如果该地被选中，他们将获得否决权。等到项目审批时，更是创造了处置库所在城市七成以上民众支持的纪录。
处置库位于芬兰西部的奥尔基洛托岛，这个岛上还有芬兰五座核电站中的三座。这是一片平坦的土地，被松树覆盖，三边与波罗的海接壤。选址最终决定时，奥尔基洛托岛上的小型农业和渔业社区接受了该项目。与此同时，在距离该岛车程只有约20分钟的陆上城镇劳马，人口约 34000人，也对核安全表示了放心。
瑞典进度比芬兰稍慢一步，处置库于2020年获批。此前在建设地下实验室阶段，瑞典就把其作为与公众沟通的窗口并对外开放，每年约有12000人前去参观，其中包括瑞典女王。相反，美国早在1991年就确定在尤卡山建设处置库，但由于内华达州当地民众强烈反对，最终国会没有继续拨款，让项目搁置至今。
在王驹看来，“邻避效应”是一个信任问题，破解出路在于公开透明，“我们目前专门有一个课题组研究如何促进与公众的沟通，让他们更了解处置库建设的安全性与必要性。想让公众理解我们，首先就要做到两点：公开和透明，并且让公众参与决策。”
杜祥琬也建议，公众不仅是科普对象，还是参与主体，一开始就应参与立项的酝酿、沟通和论证，“参与进来不是开一个报告会，让他们当听众这么简单，必须制度化、法制化、组织化，形成一种机制。”
责任编辑：祝加贝
