三次嚴重事故對中國壓水堆核電發展的啟示

高健偉，薛 娜，邱 林，陳巧艷，王 輝，賀 楷，王曉霞，魏其銘，毛亞蔚

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

2022年以來，國際形勢風云變幻，俄烏沖突引發了全球能源價格上漲，加之綠色低碳能源轉型、應對氣候變化等已在國際社會形成共識，發達國家正在積極調整能源政策，核電又重新受到重視。比如法國在2022年2月宣布將不再關停核電廠，并大力發展創新型核反應堆。核安全是公眾關心的焦點，近期兩則涉核事件再度引發了公眾對核電安全的擔憂。一則是福島第一核電廠事故后的核污染水排海計劃得到了正式批準；二則是俄烏沖突威脅歐洲最大核電廠扎波羅熱核電廠的安全。

安全是核電發展的“生命線”。 歷史上曾經發生過三次核電嚴重事故，即美國三哩島核電站事故(1979年)、蘇聯切爾諾貝利核電廠事故(1986年)和日本福島第一核電廠事故(2011年)。事故后核工業界專家學者總結了大量經驗教訓，對核電安全的發展產生了重大影響。盡管這三次事故已經過去多年，但是隨著科技的進步和人們對事故的認知水平的提升，其經驗教訓依然能夠對未來核電的安全和發展有所啟示。

目前，世界上大多數核電廠采用的是技術最為成熟的壓水堆技術，我國也是采用的壓水堆為主的核電發展技術路線[1]。壓水堆的功率密度高，安全性較高，建造和運行成本較低[2]。截至2022年11月，全球在役的商用反應堆423臺，其中304臺為壓水堆，占71.9%[3]，我國運行核電機組54臺(不含臺灣地區)，其中壓水堆51臺，占94.4%[4]。

通過回顧三次核電嚴重事故的影響，在分析事故原因異同點的基礎上，立足中國核電發展的現實情況，探討從三次嚴重事故中應獲得的啟示，提出未來我國壓水堆安全方面的提升和研發方向，指出發展核電是中國實現“雙碳”目標和能源安全的客觀需要與現實選擇。

1 三次核電嚴重事故

1.1 三次核電嚴重事故的比較

對比三次核電嚴重事故不難發現許多不同之處，詳見表1。

表1 三次核電嚴重事故比較表

表面上看，發生在不同時間、地點的三次核電站嚴重事故的直接原因、現象、后果都各不相同，但是，透過完全不同的表象依然能夠發現在導致事故發生的隱形原因中存在諸多共同點。

(1)對核安全的認識不夠深入

發生事故的三座核電站采用的技術均成形于20世紀60～70年代，當時國際核工業界對于核安全的認識還不夠深入，尚未形成安全目標。所謂核安全并非絕對安全，而是要有度的，達到一個合理的可接受的水平就可認為是安全的?！逗穗姲踩幕驹瓌t》(IAEA)指出：“無論怎樣努力，都不可能實現絕對安全。某種意義來說，生活中處處有危險”[8]。核安全是一種動態的、相對的安全。核安全的目標是維持核設施的正常運行，預防事故發生和在事故下緩解其結果，從而保護從業人員、公眾和環境不至于受到輻射帶來的危害。1979年美國三哩島核電廠事故發生之后，核電廠安全目標成為討論的焦點之一。

(2)采用的都是早期的第二代核電廠技術

從今天的角度來看，發生事故的三座核電廠采用的設計中存在很多缺陷，其中最重要的是缺乏可靠的嚴重事故應對措施。前兩次事故直接催生了新一代核電(即第三代核電)技術的誕生，而完善的嚴重事故預防和緩解措施被認為是第三代核電技術最重要的安全特征[9]。

在概率安全分析中，衡量核電廠安全性的兩個重要指標是堆芯損壞概率和大量放射性釋放概率[10]。第二代核電技術這兩個安全指標的平均值分別為10-4(堆年)-1和10-5(堆年)-1，而第三代核電技術的要求為10-5(堆年)-1和10-6(堆年)-1，部分第三代核電技術(例如“華龍一號”)甚至能達到10-6(堆年)-1和10-7(堆年)-1。從這個指標來看，第三代核電技術發生堆芯損壞事故和大量放射性釋放事故的頻率，要比第二代核電技術降低1～2個數量級。

(3)核電廠核安全管理和核安全文化存在缺陷

三次嚴重核電事故都存在大量核安全意識淡薄和應對突發事故能力欠缺的問題。三哩島核電廠設備和系統長期在降級狀況下運行，缺乏必要的維修；切爾諾貝利核電廠運行人員對電廠運行規程和試驗規程缺乏應有的尊重和遵守，隨意違反操作規程；福島第一核電廠技術支持過于依賴承包商和分包商，缺乏熟悉電廠情況的技術支持和維修力量，以至于只能臨時招募搶險人員。

(4)核能公眾溝通機制不健全

三次嚴重核電事故發生后，都引發了反對核電的輿情。個體的認知水平不同，不同群體代表的利益不同，因此對核電有各種不同的看法實屬正常。然而，三次嚴重核電事故的發生增加了部分公眾對核電的焦慮感，在少數媒體夸大宣傳的情況下公眾對于核電安全的信任有所降低。盡管核電廠安全水平在不斷提升，但是公眾溝通能力不足，核電信息透明度不夠，公眾溝通機制不健全，從而影響了核能公眾接受性。

1.2 三次核電嚴重事故的影響

美國三哩島、蘇聯切爾諾貝利和日本福島這三次核電廠嚴重事故都深刻影響了世界核電的發展走向。

三哩島核電站事故是核電發展歷史上第一次核反應堆堆芯熔化事故，由于反應堆安全殼有效地包容了放射性物質向環境釋放，所以次事故對環境和公眾造成的放射性后果并不嚴重。三哩島核電廠事故給美國整個核電行業和監管部門敲響了警鐘，之前未予重視的小破口失水事故居然會釀成如此嚴重的后果，事故中反映出的管理(例如操作人員培訓、應急程序、組織、管理)與技術(例如設備設計、建造、設備鑒定和安全分析)方面問題同樣重要。事故發生后，美國NRC將工作重心從原來審批新核電廠執照轉移到監管運行核電廠，在事故后修改審查及監督活動中投入了大量的人力；再次完善已有的現場監督制度，便于監督員把更多精力放在對核電廠運行和安全的深入了解上。事故發生后，美國成立了核電運行研究所(Institute of Nuclear Power Operations，INPO)，通過制定核電廠績效目標、準則和導則來促進核電廠安全運行；通過系統地收集、分析與分享運行安全有關信息來提高核電廠之間的經驗反饋和信息交流。WASH-1400報告指出：審管部門在審查反應堆時大破口失水事故作為設計基準事故分析，而小破口失水事故的發生頻率更高，因此風險貢獻更大。三哩島核電廠事故證實了這一觀點。作為一個分水嶺，安全分析由大破口失水事故轉向小破口失水事故和瞬態研究。另外，WASH-1400報告中采用的概率風險評價技術體現出傳統確定論分析技術所無法比擬的科學預見性。作為一個里程碑，三哩島核電事故使該技術得到了重生，并在隨后幾十年的發展應用中展現了強大的生命力[11]。

切爾諾貝利核電事故是核電發展史上第一次最高級別的事故，蘇聯損失慘重，波及周邊國家和地區，但同時也給世界核電的發展帶來了一定的積極意義。

1)反應堆的固有安全屬性得到了增強。事故發生后，業內幾乎徹底摒棄了新建核電廠采用帶有正反饋效應的堆芯核設計方案，石墨反應堆的發展至此告終。

2)RBMK-1000型石墨反應堆進行了一系列安全優化。堆芯核設計中設置了附加的中子吸收體，改用了富集度為2.4%的鈾-鉺燃料，加裝了快速停堆系統，更新了運行導則和條例；加強人員技能培訓，提高專業技術水平；主控室增加對運行人員的操作限制，從而有效降低核電廠發生人因失誤的可能性。類似的改進措施同樣推廣到其他在役的RMBK機組，從而消除類似事故的潛在風險。

3)承壓安全殼作為最后一道安全屏障已成為全行業的共識，增加了進一步降低大量放射性物質釋放可能性，保護公眾健康和環境安全。

4)核安全文化誕生并得到全世界核行業的高度重視，核安全意識從核電廠運行擴展到設計、制造、建造、運行、監管等諸多領域，為預防核電站事故發生起到重要作用。

5)冷戰背景下核技術領域的意識形態隔絕被打破，WANO等國際核電組織成立，“核安全無國界”理念得到確立[12]。

福島第一核電廠事故對日本的傷害程度及對世界環境的影響，至今難以蓋棺定論。事故發生后，全球在役的核電廠接受了安全性評估，同時各國采取了各不相同的應對策略[13]。經濟合作與發展組織(OECD)2017年的一份報告指出，事故后部分國家放棄核能；另一些國家，繼續提高核能在能源結構中的占比。事故發生前，比利時和德國計劃放棄核能，事故后兩國強化了該計劃；瑞士放棄建造新反應堆，只取代達到額定運行壽命的現有反應堆；意大利在2011年6月的公投結果否定了核電重啟計劃。其他國家對事故表現出了不同的政策反應，墨西哥基于核電廠安全評估結果決定繼續執行現有核電開發計劃；美國為改善應對失電和失冷的能力，要求核電廠升級安全系統和相關設施；而泰國則推遲了其開發核電廠的計劃[13]。

很難將這些不同的應對措施簡單歸于單一事故的原因，因為其他因素也在影響世界核電項目的投資決策，包括儲量豐富且成本低廉的天然氣(主要在美國)，開發各種可再生能源發電的雄偉目標，許多發達國家的低電力需求和低電價以及在自由化市場(特別是歐洲和美國的一些地區)投資于任何一種熱力發電設施所面臨的風險挑戰等。

德國數年來在發展核電和棄核之間徘徊，一方面因為試圖向可再生能源社會轉型，另一方面是執政黨和反對黨選舉政治博弈的結果。2022年2月德國政府推遲了關閉最后三家核電廠的計劃，這與歐洲正在面臨的能源短缺危機密不可分。法國是全球第二大核電大國，2020年核電發電量占總發電量的70.6%。法國2015年發布《能源轉型綠色發展法案》指出到2035年核電占比將降低到50%。然而，隨著歐洲面臨能源短缺危機，2022年2月，法國宣布將重點發展可再生能源和核能兩大支柱能源；法國將不再關停核電廠，并大力發展創新型核反應堆，這是對此前法國核能政策的戰略性轉向。

由此可見，福島第一核電廠事故發生以后，盡管公眾對核能的看法遭受了負面影響，但大多數國家仍然堅持事故發生之前對核能的態度。各國的核能政策與規劃更多受到經濟、環境或氣候變化目標以及自然資源的制約，而福島第一核電廠事故的影響有限。

2 三次核電嚴重事故對中國壓水堆核電發展的啟示

從核電發展史上三次嚴重事故的歷史經驗可以總結出，安全是核工業的生命線，開發利用核電必須以確保安全為前提。因此，發展核電的過程中務必把安全放在首位。從事核能行業的科學家和科技工作者致力于核能前沿領域的研發，未來我國核電站的安全將在以下方面進行提升。

2.1 提升固有安全性

(1)ATF燃料研發

核燃料作為核電站能量的來源，也是放射性物質產生的最重要源頭，因此核燃料歷來均被視為放射性物質釋放最重要的屏障。在事故工況下，燃料如果能夠保持完整性并有效滯留裂變產物，將會從源頭上降低事故的放射性后果?；诖?，耐受事故燃料(Accident Tolerant Fuel，簡稱“ATF燃料”)的概念被提了出來，尤其在福島核電事故后，基于對反應堆固有安全的進一步重視，ATF燃料成為了研究的熱點。相比于標準的UO2-鋯合金燃料，ATF燃料具有相當或更好的燃料性能。堆芯失去冷卻的情況下ATF燃料能夠更長時間保持完好，提供更長的事故應對時間，能夠潛在地通過主動或被動方式緩解事故后果。

ATF燃料的重要研發方向包括：改善與蒸汽的反應動力學參數(包括氧化速率和氧化產熱)；降低氫氣產生率，以減弱氫氣爆炸和燃料包殼氫脆等風險；改善包殼性能，提升其抵抗破裂、熱沖擊和熔化的能力，提升幾何穩定性；改善燃料芯塊性能，以提供更低的燃料運行溫度、更高的熔化溫度，并改善包殼內表面氧化和燃料重定位情況；提高對固、液、氣等各種形態裂變產物的包容能力。

世界主要核國家針對上述內容開展了大量研究工作，既包括新型包殼材料的研究，也包括新型燃料的研究[14]。新型包殼材料研發方面，主要包括FeCrAl合金包殼、涂層鋯合金包殼、碳化硅包殼等。新型燃料研發方面，主要包括高密度和高導熱燃料以及彌散型惰性基體燃料。ATF燃料的成功研發和使用，將進一步提高燃料在事故工況下的耐受能力，提升反應堆的安全水平。

(2)納米冷卻劑研發

提高壓水堆固有安全性能的另一核心問題在于改進燃料至冷卻劑的傳熱，通過在冷卻劑中加入納米顆粒，使之成為納米流體，提高流體導熱系數，從而可以有效提升傳熱性能。21世紀初研究人員提出了納米流體應用于反應堆的設想，目前業界已經探討了納米流體在VVER-1000、APR1400和SCWR等水堆上的應用，其中將Al2O3、TiO2納米流體于應用于VVER-1000反應堆的安全分析結果顯示，隨著冷卻劑中納米顆粒濃度的增加，流體溫度升高，傳熱強化；應用于加拿大SCWR的分析結果表明，當冷卻劑中的納米顆粒質量濃度超過40%時，包殼壁面最高溫度及燃料最高溫度分別降低20 ℃和30 ℃。雖然將納米流體作為冷卻劑有諸多優點，但還存在諸如熱中子吸收截面較高、容易堵塞、侵蝕設備、流動壓降高等不足。后續可持續開展納米冷卻劑的研究工作，重點解決穩定性問題，實現納米冷卻劑在壓水堆的實際應用，有效提升壓水堆安全性能。

2.2 提升非能動安全性

(1)優化的能動與非能動安全系統

壓水堆能動安全系統依賴外來觸發、動力源和能動設備以及核輔助系統的支持實現安全功能，用來應對設計基準事故，缺乏完善的設計擴展工況應對措施。美國的AP1000技術引入了非能動理念，利用物質自然特性，減少了安全支持廠房、安全級設備和相關廠房，極大簡化了電廠設計?！叭A龍一號”采用了能動與非能動相結合的設計理念[15]，提高了系統安全性，但經濟性稍差。未來壓水堆安全系統設計中應充分發揮非能動系統簡單、經濟的優點，進一步提升非能動系統的地位和作用，提高壓水堆的經濟性，以較低代價實現整體安全目標。

(2)自然循環的反應堆

目前主系統采用完全自然循環的反應堆包括了美國的NuScale、阿根廷的CAREM-25、日本的IMR和中國的NHR200-Ⅱ。這類反應堆的設計沒有設置主循環泵，在正常運行模式下，一次冷卻劑均實現了自然循環對反應堆堆芯進行冷卻，消除了主泵與外部應急電源的應用，輔之以非能動的安全系統，極大提升了反應堆的安全性和經濟性。目前我國在建的模塊化小型壓水堆ACP100的設計中仍然采用了主循環泵作為動力驅動冷卻劑導出堆芯熱量，同時仍然保留了傳統的穩壓器設計，一體化設計不夠徹底。在后續研發中，可以完善一體化設計，同時探索取消主循環泵、采用自然循環的技術方案，以提升反應堆安全性和經濟性。

2.3 加強人因工程研究，減少人因事故發生

核電廠系統和設備的設計、運行及管理都離不開人的作用。歷史上核電廠發生的三次嚴重事故的主要因素均為人因。經統計，我國自進入21世紀以來，人因事件發生總次數呈上漲趨勢，人因事件在運行事件中占比較高。核事故和人因事件的發生為后來核電廠人員可靠性設計提供寶貴經驗的同時，也說明未進行充分的人因工程研究可能造成危險后果。

人因工程研究是運用生理學、心理學和其他有關學科知識，使得機器和人相互適應，創造舒適和安全的環境條件，從而提高工效。人因工程研究中使用的定性辨識人誤的方法均在核電廠人因可靠性分析(HRA)分析中得到應用。核電廠HRA方法一般可分為第1代、第2代和第3代。目前核電廠主要采用的是第1代HRA方法，是一種靜態的HRA方法。其中多序貫失效模型方法SPAR-H是國際上認可和接受的方法，該方法將人員行為分為診斷和執行兩部分，定義了8個績效因子。

隨著核電廠的開建和已建核電廠投入商業運行，人因事件可能更加頻繁地出現。而核電廠的更新換代，如數字化主控室和模擬機的引入、電廠規程的變化等均對人因工程有著重大影響。這就需要我們加強人因工程研究，總結經驗、未雨綢繆。一方面更進一步分析已發生的和假想的人因事件從中汲取經驗，另一方面與時俱進充分考慮電廠的新變化對人因工程研究帶來的影響。在設計中，引入增加了人員認知行為分析的第2代和動態模擬的第3代HRA新方法，可以更好地從設計之初預防和減少人誤可能，從而提高核電廠安全。

2.4 提升安全殼性能

安全殼是核電廠的最后一道實體屏障。福島核事故后，業內更加關注嚴重事故下的安全殼系統性能，針對嚴重事故下放射性氣溶膠的遷移與熱力學現象開展了廣泛研究，但對于影響氣溶膠遷移凝并的吸濕增長、衰變電荷等重要現象的研究仍有不足，非能動冷卻方式下的安全殼內氣溶膠綜合行為有待深入研究。在包容能力方面，美國、法國等分別開展了比例模型以及貫穿件結構可靠性研究。這些研究主要集中于壓力荷載下安全殼結構承載能力和貫穿件密封性能方面，缺少嚴重事故熱力耦合下安全殼結構失效機理和承載能力研究、安全殼結構和貫穿件密封性能試驗及定量化的預測評價。在安全殼釋熱減壓和過濾排放技術研發方面，有必要探索新一代安全殼熱量導出和過濾排放技術，以實現電廠經濟性和安全性的提升。

2.5 提升應急技術能力和裝備水平

應急是核輻射縱深防御的最后一道屏障。我國已經建立了較為完善的核應急組織體系和法律體系，但核應急技術與裝備研究方面尚處于起步階段。未來核應急在核與輻射應急監測技術、事故后果評價以及應急技術與裝備等方面的關鍵技術加強研究[16]。

(1)多重協同輻射監測系統(包括固定式和便攜式、車載式、航空式等)

為應對核與輻射環境安全突發事件的突發性、瞬時性和偶然性，要求應急監測網絡具有廣泛性、準確性和時效性。我國幅員遼闊，要求應急監測網絡密度適中，與我國國土面積相匹配。此外，應急監測網絡應覆蓋陸地海洋和大氣，且采取多樣化的測量手段作為補充。未來我國將有必要在以上幾個方面完善和發展現有的應急監測網絡，形成多重協同輻射監測系統，該系統能夠覆蓋到所有省會城市、其他主要地市及重要、敏感的邊境地區；其監測項目廣泛，包括空氣吸收劑量率、累積劑量、放射性核素定量分析(灰塵、土壤、池水、草、飲用水、沉降、海水、海底土壤)等；測量形式多樣化，固定點監測與航空測量、車載移動測量、便攜式測量相結合，為應對核與輻射突發事件的輻射監測提供保障，為應對措施提供決策支持信息。

(2)智能化應急決策和事故后果評價系統，形成多種尺度的全球預測能力

縱觀歷史上三次重大核事故后的應急過程可以看出，核事故情況下的應急決策面臨諸多挑戰。一是核事故情景下決策環境復雜，應急指揮人員面臨可居留條件惡化和主觀緊張情緒的不利影響，僅基于人工和專家經驗的決策過程可能無法滿足應急響應的及時性和科學性的要求；二是核事故應急響應的影響因素復雜，用于應急決策的數據具有多源異構的特點，來源多樣且格式復雜，數據處理難度較大；三是核事故應急涉及核電站內外各級組織，決策主體多，決策協同、決策數據及信息共享存在困難，決策效率的提升面臨瓶頸；四是核應急決策需充分考慮公眾及工作人員的健康、應對策略的經濟成本以及可能造成的社會影響等因素，核應急面臨多目標決策的挑戰，影響了“無人監控、少人值守智能運行”目標的實現。

智能核應急輔助決策系統將充分利用大數據技術、人工智能、無人機、機器人等先進的智能化技術，實現智能應急狀態判斷、場外輻射主動感知、輻射智能預測預警、事故后果的智能判定、事故后劑量場智能耦合分析、防護行動方案的智能決策、智能應急預案、智能應急處置、應急保障和應急評估等方面，可應用于核電廠應急演習與演練以及事故應急響應場景中，為核事故應急提供智能化輔助決策。

(3)核事故應急技術與裝備

核應急情況下，在強輻射區域以核機器人代替人工十分必要。目前我國正積極研制適應強輻射環境的機器人，通過優化材料、高溫退火等方法，使部件達到了耐輻射的要求。

此外，在提升應急技術水平的同時也需要加強專業訓練，提升應急人員能力，提高演習的有效性，建立與核能發展規模相適應的核應急體系。

3 結論與展望

能源和氣候是當今世界面臨的兩大挑戰。2022年以來，俄烏沖突引發全球能源供應危機，凸顯了非化石能源和國內能源結構多元化的重要性。俄烏沖突加劇了全球燃料市場的緊張局面，同時刺激電價上漲。這讓各國政府不得不重新審視本國的能源安全戰略，愈發重視立足于國內及多元化的能源供給，減少對進口化石燃料的依賴。核能提供了大規模減少對化石燃料依賴的機會，有助于實現能源結構多元化。為增強能源發展的經濟性、穩定性與自主性，全球核電發展回暖，傳統核電大國提出重振核電計劃，無核電國家提出建設核電設想，棄核國家擬重啟核電或延緩核電退役，全球核能發展由舉棋不定階段轉入穩步發展階段。

俄烏沖突引發的能源價格上漲提示我國有必要加強能源自給率，保障能源供應安全。核電作為一種清潔、經濟、可靠的能源，在保障能源供給和電力安全等方面扮演著重要的角色[17]。2021年《政府工作報告》中明確提出“在確保安全的前提下積極有序發展核電”，這是近十年來我國首次采用“積極”一詞來表述核電。2022年政府出臺的《“十四五”現代能源體系規劃》提出，積極安全有序發展核電，到2025年，核電運行裝機容量達到7 000萬千瓦左右。

氣候危機問題也同樣嚴峻。我國的目標是2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和。要實現“雙碳”目標，在21世紀中葉實現溫室氣體凈零排放，就必須迅速徹底實現發電和供熱脫碳。與化石能源相比，核電通過核裂變反應產生熱量，無溫室氣體排放，運行穩定可靠，是低碳電力的重要來源。

發展核電是我國實現“雙碳”和能源安全的客觀需要與現實選擇，高質量發展核電將不斷為社會經濟發展、能源結構優化、溫室氣體減排等做出重要貢獻。歷史上三次核電嚴重事故以極大的損失為代價為全世界的核電事業提供了重要的教訓，某種意義上為世界核電事業的發展做出了一份貢獻?？陀^看待三次嚴重事故的事實，從中汲取經驗和教訓，無疑有利于核電事業特別是核安全的進一步發展和提高。如果因歷史上的事故就放棄和遠離核電，無疑只是一種逃避的做法。面對三次嚴重核電事故的教訓，我們需要做的是通過技術創新不斷提高核能利用的安全性，設計建造出更加安全和低造價的核電廠。