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祖国一年10台机组获批,核电安危问题何解?

11月1日,大连瓦房店市红沿河镇及周边的(de)两万多居民,首次感受到当地核电站“送来的(de)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(de)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(de)核能,既可以发电,又可以供热。在“积极安全有序发展核电”的(de)方针下,今年以来,国家对(dui)新增核电项目的(de)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(jian)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(wo)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(de)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(de)核准开工节奏;到2035年,中国核电在总发电量中的(de)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(de)要起飞了吗?核电安全的(de)终极问题又该何解?

未来五年建(jian)设(she)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(xinwen)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(de)“刺激”来自近两年极端天气频(pin)发叠加俄乌冲突带来的(de)全球能源危机。

他(ta)解释,核电在整个电力系统中扮演着双重角色。一直以来,人(ren)们(men)一般更强调它(ta)的(de)清洁属性,因为核电发电过程产生的(de)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(dui)气候危机的(de)长期目标考虑,核电在与太阳能、风能等可再生能源的(de)竞争上不占优势(youshi)。“但如果从能源安全的(de)角度切入,核电的(de)意义就变得不同了。”赵成昆说。

赵成昆分析,作为一种公认的(de)“稳定电源”,核电的(de)优点是(shi)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(de)“表现也都非常好(hao)”。因此在全球能源危机背景下,核电的(de)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(de)角色。国际能源署8月发布的(de)报告《核能和能源安全转型》也提到“今天的(de)能源危机可能会导致核能复兴”。

一位接近国家能源局的(de)人(ren)士对(dui)《中国新闻(xinwen)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(dui)集中地核准了两批新的(de)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(shi)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(she)备的(de)国产率能达到90%左右”。因此每年开工6~8台机组,是(shi)根据中国当下核电能力做出的(de)“一个比较客观和审慎的(de)规划”。

国家电力投资集团有限公司(gongsi)(gongsi)核能总工程师、“国和一号”总设(she)计师郑明光提供了一个更乐观的(de)预测。他(ta)对(dui)《中国新闻(xinwen)周刊》说,随着工程进度的(de)有效、有序推进,中国核电的(de)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(jian)设(she)核电就是(shi)必经之路”。

事实上,从去年起,核电的(de)起飞就已见端倪。2021年3月的(de)《政府工作报告》提出要“在确保安全的(de)前提下积极有序发展核电”,这是(shi)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(shi)要尽可能避免大起大落。

自1985年,浙江秦山建(jian)设(she)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(de)不确定因素中,最核心的(de)仍然是(shi)安全。

实际上,中国迄今未发生任何一起2级及以上的(de)核事件。按国际原子能机构对(dui)核事件的(de)分级标准,4至7级为核事故, 等级越高,事件对(dui)人(ren)类社会的(de)危害越大。全球已发生的(de)三起重大核事故中,1979年的(de)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(shi)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(shi)以实验研究堆为主;第二代的(de)主要发展阶段是(shi)上世纪60年代初到1979年以前,目前发生过事故的(de)核电站技术均在二代以下;第三代是(shi)在充分认识、分析了重大核事故的(de)基础上逐渐发展而来,设(she)计上主要围绕核电运行安全进行了一系列改进。

中国是(shi)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(de)国家,代表性技术是(shi)“华龙一号”和“国和一号”。“华龙一号”是(shi)由中核和中广核自主研发的(de)百万千瓦级先进压水堆核电技术,首堆福建(jian)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(de)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(de)“国和一号”(CAP1400)发布,CAP1400是(shi)在吸收消化国际先进的(de)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(de)首个示范项目正在建(jian)设(she)中。另外,由华能主导开发的(de)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(ta)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(de)主要区别,关键是(shi)在安全性的(de)提升上。衡量核电站安全性的(de)一个关键指标是(shi),反应堆每堆年可能发生堆芯熔化的(de)概率。堆芯是(shi)核反应堆的(de)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(de)福岛核事故中,先是(shi)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(de)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(dui)堆芯熔化频(pin)率的(de)基本要求是(shi)小于等于1×10-5,即十万分之一遇,二代核电的(de)一般是(shi)1×10-4,而‘国和一号’机型CAP1400的(de)堆芯熔化频(pin)率可以做到小于4.02×10-7,安全性比国际上对(dui)第二代核电的(de)安全要求高100倍以上。”“国和一号”总设(she)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(shi)引入了“非能动安全系统”。传统的(de)二代核电一般采用能动安全系统,堆芯的(de)有效冷却是(shi)通过泵将冷却水注入反应堆中。这是(shi)一套以电力为支撑的(de)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(shi)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(gongsi)(gongsi)的(de)工程师们(men)研发出一套不依赖动力电源,而是(shi)依靠重力、温差、密度差等驱动的(de)非能动安全系统。郑明光说,“国和一号”的(de)安全设(she)计就是(shi)全面采用了高可靠的(de)“非能动”理念,一旦发生事故,被置于高处的(de)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(de)热量。

郑明光进一步解释,非能动系统利用的(de)是(shi)大自然的(de)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(dui)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(shi)被动触发,事故发生后72小时内都无须人(ren)工干预,给了操作人(ren)员足够“宽容时间(shijian)”去了解核电厂所处状态。同样吸取福岛教训,第三代核电的(de)安全系统都强化了对(dui)极端事件的(de)包容性,为应对(dui)9.0级地震这类“黑天鹅事件”做好(hao)准备。

赵成昆总结,各国从福岛事故中得到的(de)最重要经验,就是(shi)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(de)现场操作人(ren)员”。当严重事故发生后,只要这三方面能“控制保障得好(hao)”,就可以有效防止堆芯熔化,“后面的(de)安全环节就好(hao)办多了”。

在核安全领域,最重要一个概念就是(shi)“纵深防御”,对(dui)可能的(de)核事故层层设(she)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(hao)的(de)应对(dui)措施,运营者能做出更及时的(de)反应,最终可能不会导致如此大量的(de)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(de)双层安全壳,这是(shi)核反应堆的(de)最后一道屏障。“即使真的(de)不幸发生了堆芯熔毁,也可以让这些放射性的(de)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(she)置了完整严重事故与堆芯熔毁应对(dui)措施之后,中国的(de)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(de)场景或可能性”。

前述接近国家能源局的(de)人(ren)士强调,一个核电站的(de)安全运行,与多种因素有关,除了安全性设(she)计之外,还需要有质控良好(hao)的(de)制造能力和高效的(de)运维管理水平。

对(dui)核电厂的(de)严格监管也是(shi)确保事故不会发生的(de)重要前提。日本国会在福岛事故发生后的(de)最终调查报告中称,根本原因是(shi)日本监管当局和东京电力公司(gongsi)(gongsi)间的(de)关系错位,导致“监视(shi)、监督机制崩溃”,错失预防核泄漏的(de)最好(hao)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(ta)还意识到要对(dui)核电站结构加固,如果海啸达到超设(she)计基准,可能会发生堆芯熔毁和全面停电的(de)风险。

中国民用核电站的(de)监管由国家核安全局负责,随着“十四五”期间开工的(de)核电机组不断增多,覆盖的(de)机组类型(水冷、气冷)、技术路线也越来越多元。前述人(ren)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(de)复杂局面,当下亟须扩充监管队(dui)伍、提升监管水平,并对(dui)每一种机型、技术更具针对(dui)性的(de)监管,而非照搬国外标准。

影响终极核安全的(de)“游戏改变者”

将目光从东部沿海地区的(de)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(shi)中国北山地下实验室所在地,也是(shi)保障中国长期核安全的(de)“最后一站”。

这是(shi)一片大西北典型的(de)“无人(ren)区”,人(ren)烟稀少,常住人(ren)口只有一户牧民,王驹接受记者采访时,正是(shi)深秋十月,北山的(de)36棵胡杨树已经全部染成了金黄,这是(shi)当地季节流转的(de)唯一证据,这里连动物很少见到。但对(dui)王驹来说,这片荒芜之地是(shi)处置核废物的(de)“理想场所”。

王驹是(shi)北山地下实验室总设(she)计师、中核集团核工业北京地质研究院副院长,他(ta)对(dui)《中国新闻(xinwen)周刊》指出,核安全主要是(shi)解决两方面问题:一是(shi)防止核设(she)施发生事故,二是(shi)核废料的(de)永久安全处置。核电站产生的(de)放射性废物中,99%属于中、低水平放射性废物,经过一段时间(shijian),其放射性就会衰变至无害水平。只有剩下的(de)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(shijian)才能自然衰变到无害水平,如不能安全处置,将对(dui)人(ren)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(de)废料)和乏燃料后处理产生的(de)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(shi)一种资源,可以从中提取出有用的(de)铀和钚,重新作为燃料循环使用。剩下的(de)废液固化后装入特制废物罐中暂存,这只是(shi)一种暂时的(de)贮存方式。

专家指出,中国积累的(de)高放废物仍长期存放在地表,部分废物贮存时间(shijian)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(de)重要隐患。并且,作为在建(jian)规模世界第一的(de)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(dui)于高放废物的(de)永久安全处置,目前,国际上经过了几十年的(de)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(shi)目前最安全可靠且技术上可行的(de)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(de)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(dui)有害核素万年以上的(de)包容、隔离,防止有害核素对(dui)生物圈的(de)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(dui)应的(de)安全隔离期不得少于一万年。

中国从1985年起开始处置库的(de)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(de)首选预选区,就是(shi)甘肃北山。2021年6月,北山地下实验室正式开工,这是(shi)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(she)计建(jian)造。至此,中国在确保长期核安全的(de)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(de)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(de)竖井和倾斜的(de)螺旋坡道相连,从三维透视(shi)图看,就像一个缓慢盘旋下降的(de)螺圈。“螺旋坡道目前已经向下挖到460米深处,揭露出的(de)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(de)稳定性也非常好(hao)。”王驹说。

他(ta)解释,地下实验室并非最终处置库,不会埋入真的(de)高放废物,只是(shi)一个“彩排平台”,通过研究为最终处置库的(de)选址提供科学依据。目前的(de)工作与建(jian)成处置库的(de)工程目标相比,还相差较远,仍处于选址的(de)前期研究阶段。按照国家规划,将在2040年确定处置库的(de)最终场址,2050年左右建(jian)成并开始运行。“对(dui)于是(shi)否能遵循这个时间(shijian)表推进,我(wo)总体上比较乐观。”他(ta)说。

“邻避效应”何解?

王驹分析,为了更好(hao)隔离高放废物,最终选址的(de)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(de)地下水就会极其稀少。”他(ta)说。同时围岩主体是(shi)坚硬的(de)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(ren)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(de)接受程度。“北山仍是(shi)最有希望的(de)一个预选地,不过如果处置库最终决定建(jian)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(de)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(dui)其长期安全性的(de)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(de)时间(shijian)跨度至少在上万年以上,而且人(ren)类在这方面没有任何可借鉴的(de)经验。

“比如有很多科学和技术问题还有待解决:以现有的(de)地表实验室条件研究废物罐的(de)安全性,认为它(ta)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(de)演化之后,其抗腐蚀性是(shi)否仍能得到保证?在上万年的(de)时间(shijian)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(de)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(dui)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(de)是(shi),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(de)问题解决了,最终制约中国核电发展的(de)关键,仍要看是(shi)否能解决“不要建(jian)在我(wo)家后院”的(de)“邻避效应”。

中国工程院院士杜祥琬在2018年10月举办的(de)“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(de)窘境,主要原因是(shi)公众对(dui)核电的(de)认识有限,未能很好(hao)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(de)经验值得借鉴。芬兰于2021年开始建(jian)设(she)高放废物永久处置库。作为全世界第一个拥有处置库的(de)国家,其在选址阶段就向当地社区开放了办公区域,并对(dui)社区承诺,如果该地被选中,他(ta)们(men)将获得否决权。等到项目审批时,更是(shi)创造了处置库所在城市七成以上民众支持的(de)纪录。

处置库位于芬兰西部的(de)奥尔基洛托岛,这个岛上还有芬兰五座核电站中的(de)三座。这是(shi)一片平坦的(de)土地,被松树覆盖,三边与波罗的(de)海接壤。选址最终决定时,奥尔基洛托岛上的(de)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(de)陆上城镇劳马,人(ren)口约 34000人(ren),也对(dui)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(jian)设(she)地下实验室阶段,瑞典就把其作为与公众沟通的(de)窗口并对(dui)外开放,每年约有12000人(ren)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(jian)设(she)处置库,但由于内华达州当地民众强烈反对(dui),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(shi)一个信任问题,破解出路在于公开透明,“我(wo)们(men)目前专门有一个课题组研究如何促进与公众的(de)沟通,让他(ta)们(men)更了解处置库建(jian)设(she)的(de)安全性与必要性。想让公众理解我(wo)们(men),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(jian)议,公众不仅是(shi)科普对(dui)象,还是(shi)参与主体,一开始就应参与立项的(de)酝酿、沟通和论证,“参与进来不是(shi)开一个报告会,让他(ta)们(men)当听众这么简单,必须制度化、法制化、组织化,形成一种机制。”

《中国新闻(xinwen)周刊》2022年第42期

声明:刊用《中国新闻(xinwen)周刊》稿件务经书面授权 【编辑:于晓】

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处置库,非能动,沿河镇,1986年,地表水系

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