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邢继:建造安全标准最高的核电站

大江南北 2021-11-22 08:42:58


  “2020年11月27日,我国自主三代核电‘华龙一号’全球首堆——中核集团福清核电5号机组首次并网成功。这在核电站建设进程中是一个重大节点。”中核集团首席专家、“华龙一号”总设计师、中国核电工程有限公司总工程师邢继告诉记者。


  福清在福州的南翼,依山面海。福清核电站向海而建。采用“华龙一号”技术建造的福清5号、6号机组的主厂房高达72米,外壳直径为48米。远远望去,巍峨的穹顶或映着蓝天白云,或衬着大海落日,气势十分壮观。


  “华龙一号”的成功研制,将使我国成为继美、法、俄之后又一个具有独立自主知识产权的三代核电技术的国家。“‘华龙一号’将是世界上安全标准最高的核电站之一。”邢继说。

  福岛核电事故警醒全行业


  邢继对2011年3月11日这一天的记忆特别深刻。这是所有核电行业从业人员都忘不了的一天。这一天,改写了全世界关于核电安全的标准。


  那天下午,日本时间14时46分,日本遭遇了里氏9.0级大地震。地震发生时,日本福岛第一核电厂6台机组中的1、2、3号机组正运行发电,4、5、6号机组在停堆检修。地震导致核电厂所有的厂外供电丧失,3个正在运行的反应堆自动停堆。按设计要求,厂内应急柴油发电机自动启动,一切尚在可控状态。


  但地震发生46分钟后,令人恐怖的灾难发生了:地震引发的海啸卷起了超过14米的海浪,抵达日本东北海岸。海啸以不可抵挡之势淹没了福岛第一核电厂按照防护最大5.5米海浪建造的防御设施,涌入的海水侵袭了所有的核电机组。应急柴油发电机电源、直流供电系统均遭遇灭顶之灾,核电厂顷刻之间丧失了所有的交直流电源。


  “福岛第一核电厂被海啸袭击的当天,我正在北京参加引进美国西屋公司AP1000核电技术的签约仪式。正在签约时,得知日本发生大地震的消息。签约现场都是我们核电行业的人,立即就开始担心日本核电站的安危。”邢继回忆说。


  而福岛正无法抗拒地走向恐怖的深渊:由于电力完全丧失,外部救援无法实施,1、2、3、4号机组的堆芯迅速升温,锆金属包壳在高温下与水作用产生了大量氢气。次日下午3时36分,1号机组燃料厂房发生氢气爆炸;14日11时01分,3号机组燃料厂房又发生氢气爆炸;15日6时,4号机组燃料厂房发生氢气爆炸,大量放射性物质向周边泄漏。


  “福岛核事故从核电站断电断水导致堆芯熔毁,再到锆-水反应引发氢气爆炸,每一步的恶化都没有超出人们的认识和预计,再现和印证了人们对严重核事故后恶化现象的认知。”邢继说,“它也再次印证了墨菲定律,那些我们原先认为概率很低的事故,似乎不可能发生的事故,依然有可能发生。”


  福岛核事故举世震惊,全球原本高速发展的核电快车几乎同时被踩下了“刹车”。有的西方国家因此宣布从此不再发展核能。中国政府的反应是非常迅速的,3月16日,福岛核事故还没有消停,国务院就召开会议决定立即对我国核电站进行全面的安全检查,同时全面审查在建核电厂,暂停审批新上核电项目。国家核安全局在下达的《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求》中,提出了更高的安全标准。


  “当时,挫折感确实很大。为了CP1000核电项目,我们中核集团奋斗了十多年,已经通过了国家核安全局的严格审定,眼看具有三代特征的CP1000项目要正式开工,福清核电厂都已经准备给机组浇筑第一方混凝土了,突然项目被叫停。但即使在这样的非常时刻,我始终认为中国需要核电,国家发展核电的大方向不会改变,改变的只是政府对核安全的要求更高了。”邢继说,“我当时想的是如何尽快地把团队从迷茫失落的氛围中拉出来,按照国家提出的‘建造国际上安全标准最高的核电站’的要求,和同事们一起拿出安全标准更高的设计方案,这就是后来的‘华龙一号’。”


  “福岛核事故,确实让整个核电行业警醒了很多。正是历次核事故的惨痛教训,让行业不断摸索核电怎么能更加安全的理论和方法。”邢继说。
  在2012年3月的核安全峰会上,中国政府宣布“在确保安全的基础上高效发展核电”的核电发展战略。中国核电人有了明确方向:我国仍将大力发展核电,但必须是“更安全的核电”!

  打造独特的“纵深防御”


  “核电站设计师和火电站设计师最大的区别,就是我们设计时主要的关注点不是发电,而是如何确保核安全。因此,核电站作为投资密集型产业,它一半的投资是用在确保核安全上的。”邢继说,“我们核电站最重要的一个安全理论叫‘纵深防御’,就是对可能的核事故层层设防,确保核安全的可靠性,避免核事故发生。”


  “华龙一号”最大的特征是“能动和非能动相结合的安全系统”,正是这一系统使它成为国际上安全标准最高的核电站之一。邢继介绍说:“福岛核电站的安全设计只有能动安全系统,它必须依靠电力来实现和保障安全;一旦失去电力,整个安全系统就瘫痪了。所以我们设计核电站时,提出了‘冗余设计’,就是只有一套交流电源不够,还要有第二套交流电源,甚至2套直流电源备用;但如果备份电源离得很近,很可能同时被损坏,因此备份系统要保持足够的距离,这叫‘实体隔离’。可一旦‘实体隔离’还不够,所有能动型的交直流电源都丧失了,就必须有不依靠电力就能发挥安全作用的非能动安全措施,这叫‘多样化原则’。”


  何为“非能动系统”?就是不依赖电源,而是利用重力、温差、密度差这样的自然驱动力来实现流体的流动和传热等功能的设施。假如“华龙一号”机组遭遇停电事故,安全壳非能动热量导出系统将会启动,3个冷却水箱总共装有2700吨冷却水,将作为安全壳内释热的最后的冷却手段。当反应堆冷却剂系统压力降到一定数值时,水箱将自动向反应堆冷却剂系统注入含硼水以保证堆芯的冷却。


  “‘华龙一号’在最主要的三道安全屏障上,都设置了‘能动+非能动’的安全系统。”邢继说,“这三道安全屏障,从内到外,最里层的是核燃料芯块的包壳,铀235芯块被金属壳包裹,只要金属管不破损,放射性物质就不会被泄漏;第二道屏障是一回路承压边界,它必须能承受高温高压。一回路的主要构件有反应堆、蒸汽发生器、主管道、主泵、稳压器等等,通过蒸汽发生器把二回路的水加热成蒸汽,从而驱动汽轮机发电。整个反应堆的一回路构成一个封闭系统,其承压的边界就是包容放射性物质的第二道屏障。第三道屏障就是反应堆厂房的安全壳,它是一个预应力混凝土结构,可以承受前两道屏障失控引发的高温高压,包容从前两道安全屏障里泄漏的放射性物质。在安全壳的设计上,还考虑了应对各种自然灾害和极端事件,所以设计成大容量的双层安全壳。”


  正是这三道实体屏障与其他安全系统的共同作用,构成了“华龙一号”的“纵深防御”体系。

  自主创新是立足世界之本


  “作为总设计师,‘能动+非能动’的安全系统是不是您的创意?”记者问邢继。
  “这不是我个人的创意,是我国几代核电科研人员在学习和探索中逐渐形成的,是集体智慧的结晶。”邢继坦诚地说,“从1999年起,中核集团就启动了百万千瓦级压水堆核电厂的概念设计,最早提出了CNP1000,后来又发展为CP1000和ACP1000;同时,中广核也自主研发了采用157组燃料组件的三代核电品牌ACRP1000。2013年4月,国家能源局主持召开了自主创新三代核电技术合作协调会,中核集团和中广核同意将ACP1000和ACP1000+融合,联合开发‘华龙一号’。”


  2014年8月22日,国家能源局和国家核安全局联合专家评审通过了‘华龙一号’总体技术方案。2015年5月7日,中国自主三代核电技术“华龙一号”首堆示范工程——中核集团福清核电站5号机组正式开工建设。计划建设周期72个月,目前有望提前完成。


  针对记者“为什么我国必须发展核电产业”的提问,邢继说:“我国已向世界作出了2030年二氧化碳排放达到峰值,非化石能源比重达到20%的庄严承诺。截至‘十二五’末,我国能源消费结构中煤炭占比64%,非化石能源占比12%,其中核电仅为2%左右。能源结构的不合理导致环保问题日益突出,我国能源结构亟待调整。核电作为清洁能源和非化石能源的主力能源,在治理雾霾方面具有重要作用。一台百万千瓦核电机组与一般同等规模燃煤电厂相比,每年可减排二氧化碳约600万吨,环保效应非常明显。”


  他接着介绍:“核电产业是高科技战略产业,是一个国家核心竞争力的重要体现和标志。‘华龙一号’包含6万多台套设备,涉及设备供应商5300多家,对我国高端装备制造业的整体转型升级意义也十分重大。而且,核电‘走出去’已成为国家战略。有了‘华龙一号’,中国核电走出去将从‘借船出海’走向‘造船出海’,于国、于民、于能源发展,都意义重大。目前,中核集团已出口3台‘华龙一号’,有2台已开工建设。据测算,我们每出口1台核电机组相当于出口30万辆汽车,能拉动装备制造和设计超过数百亿元人民币,全寿命周期超过千亿元人民币。”


  在采访结束前,邢继强调:“‘华龙一号’获得了743件专利、120项软件著作权。真正的核心技术只能靠我们自己创造。尤其在当前百年一遇的世界大变局下,没有核心技术,就会受制于人。自主创新是立足世界之本,我们必须有这个底线思维。”

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