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工程院院士叶奇蓁:占领未来核能制高点 中国在这些方面有后发优势
2018-06-05 14:34  · 来源:中国核工业杂志  · 作者:葛维维  · 责编:王长尧

  中国在建三代核电捷报频传。台山核电1号机组和三门核电1号机组均陆续装料,“华龙一号”示范工程按照预定工期有序顺利推进。

  AP1000、EPR、“华龙一号”,是国际上采用最高安全标准的三代核电技术,这三种技术的首堆均在中国实现突破,也意味着中国在核电领域的风向标作用正在加速形成。

  在这样一个时间节点,谋划和思考我国核能的未来显然意义重大。在中国核能可持续发展论坛期间,中国工程院院士叶奇蓁在接受本刊记者采访时表示:“我国核能具有后发优势,要让我国核能实现从并跑到领跑,必须创新思维,在堆型发展和严重事故反应、耐事故核燃料、核电人工智能等技术领域提前布局,占领核能领域的制高点。”

  中国核电具有后发优势 

  记者(以下简称“记”):自1985年秦山核电站建设以来,我国核电已经走过了30多年发展历程,我国核电具有明显的后发优势。那么该如何理解这一优势?

  叶奇蓁(以下简称“叶”):上世纪50年代到60年代初,全世界先后建成一批不同技术的中小型反应堆,人类进入核能利用时代。欧美国家大规模建造和使用核电应该在上世纪70年代到80年代中期,世界上绝大多数核电站都建于这一时期。

  我国从上世纪80年代开始建造核电站。从世界核电发展历程上来看,我国核电起步不算早。也正是因为这样,我国的核电技术是在发达国家大规模建造核电的基础上,采用最新的核电技术发展起来的。

  目前,世界上在运的核电机组大多是二代机型,而我国现在运行的核电机组,采用的多是二代改进型技术。另外,中国建造核电站采用的工业基础、技术基础也比早期核电站要先进。举个例子,我国核电建造过程中,压力容器法兰接管段锻件是统一的,反应堆的活性区是没有焊缝的,而过去的冶炼、锻造能力是没有办法实现这些技术的。

  从运行方面来看,我国也吸取了国际上几十年的运行经验,特别是事故的经验,制定了完善的应对措施。美国三哩岛核事故原因之一就是人机界面不够完善。我国核电站主控室人机界面都改善了,设立了主要参数显示系统,并且现在很多电站已经实现数字化了。要知道,全世界大多数核电站都不是数字化的。中国的每一位操纵员,在上岗之前都要经过严格、科学的培训。除此之外,每个电站都配备了模拟机,进一步提高了操纵员的运行能力。从我国核电运行业绩也可以看出,我国运行机组80%的指标优于中值水平,70%达到先进值,且整体安全指标逐年提升。

  目前在建的三代核电,中国是最早引入和开发的国家之一。三代核电采用的都是国际最高安全标准,满足美国用户要求文件(URD)和欧洲用户要求文件(EUR)。中国率先引进并在三门、海阳建设首批4台AP1000先进压水堆核电厂,同时又在台山建设2台EPR机组。中国自主研发了三代核电“华龙一号”和CAP1400。如今,福建福清、广西防城港4台首批“华龙一号”机组示范工程进展总体顺利。中国工程院、法国科学院、法国国家技术院3家单位在向国际原子能机构的联合报告中指出:世界上三代核电首堆工程大多拖期,除了中国的“华龙一号”。三代核电能在中国有这样的建设成果,也是因为我们吸取经验,把很多问题避免了。

  目前,我国在建核电机组数量是全世界最多的,占了世界在建核电机组近一半。这么大规模的建造,必然积累大量的经验,也必然会锻炼人才队伍。而我们的装备技术,也在这个过程中走向先进。也正因此,才说我国核电具有后发优势。

  记:现在核电行业经常提到一句话就是“从跟跑到并跑到领跑”,那么我国核电领域要实现领跑这一目标,是不是还面临一些挑战?

  叶:当然,我们还需要在基础技术、基础科学、基础材料等领域发力。比如我们的很多材料都是进口,在基础理论方面也还需要下功夫,在软件方面也需要加大自主研发的力度。在完善了这些工作之后,我相信,有朝一日中国的核电技术会达到领先。

  记:尽管我国核电在发展过程中有着很多积累,但是也应该看到,我国核电已经两年多“零核准”,您如何看待这一问题?

  叶:这里我想说,要对我国核电有信心。近几年,我国正处于经济转型期,出现了暂时的电力过剩,但从长远来看,中国还是需要发展能源的。目前,我国能源结构相当不平衡,火电占了60%以上,风电、太阳能近两年虽然发展很快,但是负荷因子不高,水电发展有限制,核电仅占3%~4%。这样的电力结构是不合理的,造成的污染排放问题很严重。中国承诺了减排,燃煤、天然气都会产生二氧化碳,而核电是清洁、高效的能源,应该予以发展。从核能本身的资源属性来看,我国的天然气和油气资源大都依靠进口,能源的安全性成问题,而核电是高密度的能源,它需要的燃料资源很少。此外,核电可以接近电力负荷中心,可以有效解决我国东南沿海、中部地区能源紧缺的问题,减少电能输送的损失。

  堆型+技术迎接核能的未来 

  记:核电是高科技产业,世界上很多国家也争先发展核电。您刚刚也说到,要对中国的核电有信心。而从这一轮核电竞技来看,中国的后发优势逐渐显现,那么要让这一优势放大,如何布局核电未来产业?

  叶:中国核电未来的发展,我想从两个方面来讲,一个是堆的布局,还有一个是技术的发展。

  从堆型发展上来看,一种是要发展功率大的反应堆,主要用于发电,既能支撑我国能源体系,又能支撑国家“走出去”战略。这种堆要实现批量化、规模化的发展,并且解决经济性的问题。

  第二种是发展多用途模块化小型反应堆,便于在边缘地区、海洋平台使用,提供采暖、发电、海水淡化、制氢等多种用途,一些旧的火电机组,也可以用小堆去取代。此外,当前我国正在发展分布式能源系统,可自持的小堆也可以作为该能源系统的一部分。

  从20世纪70年代开始,世界上很多国家都针对小堆开展了相关设计、研究,但至今,小堆还未能展示出大规模应用的实用性。主要是因为开发的进程缓慢、单位造价高、安装复杂等。近年来,在美国能源部倡议下,国际上对小堆的兴趣越来越强烈。国际上目前有四五种主流小堆,目标是在2020~2030年左右建成。中国、美国、欧洲、俄罗斯、日本都在开展相关研究。这里我想说,要切实满足市场需求,小堆必须真正采用创新的理念。小堆绝对不能是目前三代核电的“缩小版”,小堆的发展要充分吸取核能各方面发展优势。举几个例子,小堆可以采用高性能耐事故燃料,在事故发生的时候限制放射性物质的外泄;或者采用改进的堆芯,减少堆芯熔化的概率等……更多的可能性需要我们去创新。

  再一个就是开发低温供热堆,专门针对供热。目前,我国大气污染排放严重,严重雾霾天气不少,核能供热代替燃煤有着可行性。中核集团开发的泳池式供热堆,可以做到零堆融,相当安全。由于供热堆只在供暖期间使用,它的扩展应用目前也在考虑,比如利用供热堆生产同位素。由于供热堆离城市近,便于短寿命同位素运输,将为推广同位素诊断和治疗创造有利条件。

  记:在技术层面,核能未来发展方向有哪些?

  叶:技术的持续改进主要是为了提高安全性。第一就是降低核电厂严重事故概率,要进一步研究堆芯熔化的机理以及堆腔注水技术,即使发生极其严重的事故,也要保证安全壳的完整性与可靠性,防止放射性物质外泄。

  第二点就是开发耐事故燃料(ATF燃料),降低堆芯熔化的风险,缓解和消除锆水反应产生氢气爆炸的风险,提高事故下裂变产物的包容能力,从而提高核安全。ATF燃料的开发还有一个重要意义,全世界在运核电站多为二代核电站,要在二代核电站的基础上进一步改进安全系统,可能性比较小。但是可以通过更换燃料,大大提高安全性。

  第三点就是加强核电领域人工智能的研究。2017年7月,国务院印发了《新一代人工智能发展规划》,规划指出,到2020年中国的人工智能总体技术和应用要与世界先进水平同步。核科技是高科技战略产业,是国家安全的重要基石。人工智能在核电领域的应用,具有重要意义,落实新一代人工智能在核能行业的发展规划,需要深入应用以工业机器人、图像识别、深度自学习系统、自适应控制、自主操纵、人机混合智能、虚拟现实智能建模为代表的新一轮智能技术。

  总体来讲,核电在人工智能领域的发展分三个阶段。第一阶段是基础建设阶段。即从智能仪表、智能控制器到核电站全数字化仪控系统的建立。可以说,这一阶段我们已经有了基础。除了早期核电站如大亚湾核电站和秦山一期,国内的电站基本上采用了数字化仪控系统。第二阶段是人工智能架构的建立。利用互联网+建立大数据系统,开发数字核电站和虚拟现实技术。现在核电站已经有了数字化的测量系统,但是如何把分散系统的智能集成统一的大智能,需要充分发挥互联网+和大数据的优势。第三阶段是核电人工智能应用开发。人工智能要具有自学习、自适应的能力,包括操作指导、事故处理指导,核电站高放射区域、不可达地区利用机器人系统维修。这些技术也将为严重事故处理和电站退役创造条件。

  核电站在人工智能领域,要做到哪一点、做到什么程度,还需要研究。但是,核电朝着智能化的方向发展是一定的。人工智能是今后国际竞争的制高点,中国核电技术要实现从并跑到领跑的跨越,必须考虑占领这一领域的制高点。

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