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核电安全:严格到苛刻 细化到极致

2017-01-11 10:24 来源:科技日报 瞿 剑

  备受关注的中国从美国引进三代核电AP1000全球首堆——三门核电站1号机组,目前正在热试中,计划今年上半年并网发电。这比其原工程节点,整整延误了3年多。

  为了一块锈迹的“小题大做”

  针对公众疑虑的这一延误,国家电投董事长王炳华透露,反应堆冷却剂屏蔽主泵研制,是“影响工期的最大难题”。

  2012年5月,主泵的工程与耐久性试验在美国EMD工厂内完成后,有两台发往三门,用于电站调试;2013年7月,后续产品出厂试验中发现了一些锈蚀,EMD按规定第一时间上报给中国国家核安全局驻厂站。本来,这点小问题对主泵的稳态工况毫无影响,完全可支持电站调试(毕竟只是调试);时任国家核电技术公司董事长王炳华却表示,“小问题也不能容忍”,果断要求作根本原因分析,并再做一次整机的工程与耐久性试验。

  这意味着主泵在核电站各种运行工况下成功运行1600多个小时,包括600多个启停循环,均需推倒重来,工期、成本以及来自社会各界的压力巨大。但为了一个“完美的主泵”,这样的“小题大做”是必须、必行和必然。

  这不是一个特例。

  现实中,在核电设备制造环节,除了这些数不清的测试、试验、验证,还有一套被称为“合格性文件”的全过程制造记录:大到反应堆压力容器、稳压器、主泵,小到一个封头、一支螺栓、一颗螺丝钉,在它们成为产品的每一节点,都有详尽的记录,以保证其制造全过程都可追溯。常常是,厂家发出的货本身只装了一小箱,而跟随它的“合格性文件”却得用汽车才能运走。

  核安全为什么被称为工业领域最高级别的安全?这,是答案的一部分。

  “从头到尾暴露在阳光下”

  事实上,如此高级别的安全,是由一个事无巨细、无所不包的完整体系保证,它包括:“蛮不讲理”的监管、“不惜代价”的安全设计|无孔不入的核安全文化、“无条件顺从”的安全程序、“严格到苛刻、细化到极致”的安全质量管控,等等。这些,业界天天在做,习以为常;常人知之甚少,甚至一无所知。公众“疑核”,根亦在此。

  “核能从头脑里的一个想法变成现实”,其间要经过多少道安全审查,每一道审查都意味着什么,“这么多年都是被审查对象”的清华大学核能与新能源技术研究院院长张作义“深知它的厉害”。

  用他的话来讲:“搞核能的特别辛苦,因为必须从头到尾暴露在阳光之下。”“阳光”指的就是核安全局监管。

  “对核安全局而言,我不管你反应堆建成建不成,什么时候建成,我的责任是保护公众。”所以在业界看来,“跟核安全局没有道理可讲,因为他做事很简单,他所做的每一件事,都有一本厚厚的法规作依据,而这些法规是从美国、从全世界吸纳过来的”。我们国家在管理上完全跟国际接轨,最早是核安全监管。整个系统,从法规,到标准、审查步骤,全部向美国核管会(NRC)看齐。

  张作义举例说,高温堆安全许可证审查时,核安全局一共提了2000多个问题。而且,“问题没有任何边界,他可以随便乱问,但你回答就不能随便乱说了”——必须书面作答,而且得有实验数据验证。“回答他一个问题,比我们写篇论文发表在国际刊物上还要费劲。”

  “没有最安全,只有更安全”

  国核技专家委员会委员林诚格谈到,业界面对“反核”人士时,对方说得最多的就是“万一”,反映出一种对极端事故及其后果的担忧。

  其实,业界考虑的极端状况,是常人所说“万一”的“万一”。

  对应美国核管会要求,概言之,二代核电设计标准为,反应堆堆芯熔化事故概率小于10的负4次方/堆·年,大规模放射性释放概率小于10的负5次方/堆·年,意味着前者10万年一遇,后者100万年一遇;三代核电,则在此基础上各提高一个数量级,意味着大规模放射性释放概率小于千万年一遇,“跟陨石砸中脑袋差不多”。

  体现的设计理念是,既然100%的安全是不存在的,那么,剩下能做的只有一件事——尽可能降低风险。从被称为原型堆的第一代核电,到具有系统的安全设计标准,并实现商业化、批量化的第二代或二代+(即二代改进型)核电,再到在二代基础上总结提高的第三代核电,实质就是在做这件事:“没有最安全,只有更安全”。

  核电站安全控制千头万绪,张作义归结为“三大关键问题”:防止功率失控增长、载出剩余发热、放射性物质的包容。说白了就是,尽可能防止极端事故堆芯熔化的发生(温度控制是关键);即使发生,也不让放射性外泄。

  国家电投中央研究院副院长、国家科技重大专项大型先进压水堆“核电关键设计软件自主化技术研究”首席科学家杨燕华则简化为两点:厂房内,事故条件下反应堆堆芯熔化的可能性;厂房外,大规模放射性释放的可能性。

  能不能根本不让事故发生?

  具有第四代特征的“球床模块式高温气冷堆”技术,在张作义看来,其设计圆满解决了核安全的三大关键问题。采用低的功率密度,不需要辅助的安全系统;这种系统的功能实现依赖物理过程,可以实验验证,是一种固有的安全特性,不会发生堆芯融化事故或大量放射性释放事故。杨燕华把它总结为“以往核电站安全设计是尽可能降低事故发生的概率,而高温气冷堆做到了根本不让它发生”。这已经无限接近绝对安全的幻想了。

  验证这样一套安全理念和标准是否真能成立,需要专门的安全分析软件。杨燕华介绍,国家电投去年发布首个完全自主知识产权核电软件COSINE,即核反应堆堆芯物理、热工和系统安全分析一体化软件包,它最终指向一点:核电站所有部件在多大的功率、压力、温度下是能承受住的。

  现实中,核电站不可能真的尝试功率、压力、温度达到极值下的承受力,只能通过工具(模拟计算和实验台架数据)来验证。以概率安全分析(PSA)程序为例:它把核电站所有系统分成最小部件,按“3C黄金守则”(即功率可控、热量可降、放射性可包容)计算它们每一个的失效概率,最后得出“顶层结论”:反应堆会否熔穿,放射性会否跑出压力容器,等等,以及建立在此基础上的60年寿期预期。

  无所不用其极的安全细节

  在建造施工环节,实现以上安全理念、标准的手段,可谓无所不用其极。

  以具有完全自主知识产权的华龙一号全球首堆福清核电站5号机组为例。记者曾在现场看到,跟毗邻的采用二代改进堆型(M310)的1至4号机组相比,5号机组的核岛厂房明显大了一号,这缘于成倍数高出的工料、工时投入,主要用在了“多重冗余的安全系统”,目的只有一个:让华龙一号更安全。

  记者还注意到5号机组这样一个细节:燃料厂房最外层防护结构每一根钢筋的接头处,都多出一圈普通钢筋所没有的套筒。施工方解释,这一小小的进口套筒,使得采用APC売的防护结构,能承受商用大飞机加载应变率1.0/秒的瞬间冲击,在受损后还可修复完善;电气厂房、反应堆厂房也采用相同配置。

  而高温气冷堆对包覆颗粒燃料的绝妙设计,是其“本质安全”的另一基石。张作义表示,这种“无论如何不会被烧坏”的燃料颗粒,决定了高温气冷堆“在任何情况下”都不会有放射性泄漏的可能。

  2012年,中国完整自主知识产权的燃料元件由国际权威的荷兰核研究咨询机构PETTEN进行辐照检测试验,结果裂变气体释放率维持在10的负9次方水平,远优于设计标准,也明显优于其他国家同类元件。据悉,该燃料元件即将应用于石岛湾200兆瓦高温气冷堆示范电站。

(责任编辑:王蔚)

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