三次严重事故对中国压水堆核电发展的启示

高健伟，薛 娜，邱 林，陈巧艳，王 辉，贺 楷，王晓霞，魏其铭，毛亚蔚

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

2022年以来，国际形势风云变幻，俄乌冲突引发了全球能源价格上涨，加之绿色低碳能源转型、应对气候变化等已在国际社会形成共识，发达国家正在积极调整能源政策，核电又重新受到重视。比如法国在2022年2月宣布将不再关停核电厂，并大力发展创新型核反应堆。核安全是公众关心的焦点，近期两则涉核事件再度引发了公众对核电安全的担忧。一则是福岛第一核电厂事故后的核污染水排海计划得到了正式批准；二则是俄乌冲突威胁欧洲最大核电厂扎波罗热核电厂的安全。

安全是核电发展的“生命线”。 历史上曾经发生过三次核电严重事故，即美国三哩岛核电站事故(1979年)、苏联切尔诺贝利核电厂事故(1986年)和日本福岛第一核电厂事故(2011年)。事故后核工业界专家学者总结了大量经验教训，对核电安全的发展产生了重大影响。尽管这三次事故已经过去多年，但是随着科技的进步和人们对事故的认知水平的提升，其经验教训依然能够对未来核电的安全和发展有所启示。

目前，世界上大多数核电厂采用的是技术最为成熟的压水堆技术，我国也是采用的压水堆为主的核电发展技术路线[1]。压水堆的功率密度高，安全性较高，建造和运行成本较低[2]。截至2022年11月，全球在役的商用反应堆423台，其中304台为压水堆，占71.9%[3]，我国运行核电机组54台(不含台湾地区)，其中压水堆51台，占94.4%[4]。

通过回顾三次核电严重事故的影响，在分析事故原因异同点的基础上，立足中国核电发展的现实情况，探讨从三次严重事故中应获得的启示，提出未来我国压水堆安全方面的提升和研发方向，指出发展核电是中国实现“双碳”目标和能源安全的客观需要与现实选择。

1 三次核电严重事故

1.1 三次核电严重事故的比较

对比三次核电严重事故不难发现许多不同之处，详见表1。

表1 三次核电严重事故比较表

表面上看，发生在不同时间、地点的三次核电站严重事故的直接原因、现象、后果都各不相同，但是，透过完全不同的表象依然能够发现在导致事故发生的隐形原因中存在诸多共同点。

(1)对核安全的认识不够深入

发生事故的三座核电站采用的技术均成形于20世纪60～70年代，当时国际核工业界对于核安全的认识还不够深入，尚未形成安全目标。所谓核安全并非绝对安全，而是要有度的，达到一个合理的可接受的水平就可认为是安全的。《核电安全的基本原则》(IAEA)指出：“无论怎样努力，都不可能实现绝对安全。某种意义来说，生活中处处有危险”[8]。核安全是一种动态的、相对的安全。核安全的目标是维持核设施的正常运行，预防事故发生和在事故下缓解其结果，从而保护从业人员、公众和环境不至于受到辐射带来的危害。1979年美国三哩岛核电厂事故发生之后，核电厂安全目标成为讨论的焦点之一。

(2)采用的都是早期的第二代核电厂技术

从今天的角度来看，发生事故的三座核电厂采用的设计中存在很多缺陷，其中最重要的是缺乏可靠的严重事故应对措施。前两次事故直接催生了新一代核电(即第三代核电)技术的诞生，而完善的严重事故预防和缓解措施被认为是第三代核电技术最重要的安全特征[9]。

在概率安全分析中，衡量核电厂安全性的两个重要指标是堆芯损坏概率和大量放射性释放概率[10]。第二代核电技术这两个安全指标的平均值分别为10-4(堆年)-1和10-5(堆年)-1，而第三代核电技术的要求为10-5(堆年)-1和10-6(堆年)-1，部分第三代核电技术(例如“华龙一号”)甚至能达到10-6(堆年)-1和10-7(堆年)-1。从这个指标来看，第三代核电技术发生堆芯损坏事故和大量放射性释放事故的频率，要比第二代核电技术降低1～2个数量级。

(3)核电厂核安全管理和核安全文化存在缺陷

三次严重核电事故都存在大量核安全意识淡薄和应对突发事故能力欠缺的问题。三哩岛核电厂设备和系统长期在降级状况下运行，缺乏必要的维修；切尔诺贝利核电厂运行人员对电厂运行规程和试验规程缺乏应有的尊重和遵守，随意违反操作规程；福岛第一核电厂技术支持过于依赖承包商和分包商，缺乏熟悉电厂情况的技术支持和维修力量，以至于只能临时招募抢险人员。

(4)核能公众沟通机制不健全

三次严重核电事故发生后，都引发了反对核电的舆情。个体的认知水平不同，不同群体代表的利益不同，因此对核电有各种不同的看法实属正常。然而，三次严重核电事故的发生增加了部分公众对核电的焦虑感，在少数媒体夸大宣传的情况下公众对于核电安全的信任有所降低。尽管核电厂安全水平在不断提升，但是公众沟通能力不足，核电信息透明度不够，公众沟通机制不健全，从而影响了核能公众接受性。

1.2 三次核电严重事故的影响

美国三哩岛、苏联切尔诺贝利和日本福岛这三次核电厂严重事故都深刻影响了世界核电的发展走向。

三哩岛核电站事故是核电发展历史上第一次核反应堆堆芯熔化事故，由于反应堆安全壳有效地包容了放射性物质向环境释放，所以次事故对环境和公众造成的放射性后果并不严重。三哩岛核电厂事故给美国整个核电行业和监管部门敲响了警钟，之前未予重视的小破口失水事故居然会酿成如此严重的后果，事故中反映出的管理(例如操作人员培训、应急程序、组织、管理)与技术(例如设备设计、建造、设备鉴定和安全分析)方面问题同样重要。事故发生后，美国NRC将工作重心从原来审批新核电厂执照转移到监管运行核电厂，在事故后修改审查及监督活动中投入了大量的人力；再次完善已有的现场监督制度，便于监督员把更多精力放在对核电厂运行和安全的深入了解上。事故发生后，美国成立了核电运行研究所(Institute of Nuclear Power Operations，INPO)，通过制定核电厂绩效目标、准则和导则来促进核电厂安全运行；通过系统地收集、分析与分享运行安全有关信息来提高核电厂之间的经验反馈和信息交流。WASH-1400报告指出：审管部门在审查反应堆时大破口失水事故作为设计基准事故分析，而小破口失水事故的发生频率更高，因此风险贡献更大。三哩岛核电厂事故证实了这一观点。作为一个分水岭，安全分析由大破口失水事故转向小破口失水事故和瞬态研究。另外，WASH-1400报告中采用的概率风险评价技术体现出传统确定论分析技术所无法比拟的科学预见性。作为一个里程碑，三哩岛核电事故使该技术得到了重生，并在随后几十年的发展应用中展现了强大的生命力[11]。

切尔诺贝利核电事故是核电发展史上第一次最高级别的事故，苏联损失惨重，波及周边国家和地区，但同时也给世界核电的发展带来了一定的积极意义。

1)反应堆的固有安全属性得到了增强。事故发生后，业内几乎彻底摒弃了新建核电厂采用带有正反馈效应的堆芯核设计方案，石墨反应堆的发展至此告终。

2)RBMK-1000型石墨反应堆进行了一系列安全优化。堆芯核设计中设置了附加的中子吸收体，改用了富集度为2.4%的铀-铒燃料，加装了快速停堆系统，更新了运行导则和条例；加强人员技能培训，提高专业技术水平；主控室增加对运行人员的操作限制，从而有效降低核电厂发生人因失误的可能性。类似的改进措施同样推广到其他在役的RMBK机组，从而消除类似事故的潜在风险。

3)承压安全壳作为最后一道安全屏障已成为全行业的共识，增加了进一步降低大量放射性物质释放可能性，保护公众健康和环境安全。

4)核安全文化诞生并得到全世界核行业的高度重视，核安全意识从核电厂运行扩展到设计、制造、建造、运行、监管等诸多领域，为预防核电站事故发生起到重要作用。

5)冷战背景下核技术领域的意识形态隔绝被打破，WANO等国际核电组织成立，“核安全无国界”理念得到确立[12]。

福岛第一核电厂事故对日本的伤害程度及对世界环境的影响，至今难以盖棺定论。事故发生后，全球在役的核电厂接受了安全性评估，同时各国采取了各不相同的应对策略[13]。经济合作与发展组织(OECD)2017年的一份报告指出，事故后部分国家放弃核能；另一些国家，继续提高核能在能源结构中的占比。事故发生前，比利时和德国计划放弃核能，事故后两国强化了该计划；瑞士放弃建造新反应堆，只取代达到额定运行寿命的现有反应堆；意大利在2011年6月的公投结果否定了核电重启计划。其他国家对事故表现出了不同的政策反应，墨西哥基于核电厂安全评估结果决定继续执行现有核电开发计划；美国为改善应对失电和失冷的能力，要求核电厂升级安全系统和相关设施；而泰国则推迟了其开发核电厂的计划[13]。

很难将这些不同的应对措施简单归于单一事故的原因，因为其他因素也在影响世界核电项目的投资决策，包括储量丰富且成本低廉的天然气(主要在美国)，开发各种可再生能源发电的雄伟目标，许多发达国家的低电力需求和低电价以及在自由化市场(特别是欧洲和美国的一些地区)投资于任何一种热力发电设施所面临的风险挑战等。

德国数年来在发展核电和弃核之间徘徊，一方面因为试图向可再生能源社会转型，另一方面是执政党和反对党选举政治博弈的结果。2022年2月德国政府推迟了关闭最后三家核电厂的计划，这与欧洲正在面临的能源短缺危机密不可分。法国是全球第二大核电大国，2020年核电发电量占总发电量的70.6%。法国2015年发布《能源转型绿色发展法案》指出到2035年核电占比将降低到50%。然而，随着欧洲面临能源短缺危机，2022年2月，法国宣布将重点发展可再生能源和核能两大支柱能源；法国将不再关停核电厂，并大力发展创新型核反应堆，这是对此前法国核能政策的战略性转向。

由此可见，福岛第一核电厂事故发生以后，尽管公众对核能的看法遭受了负面影响，但大多数国家仍然坚持事故发生之前对核能的态度。各国的核能政策与规划更多受到经济、环境或气候变化目标以及自然资源的制约，而福岛第一核电厂事故的影响有限。

2 三次核电严重事故对中国压水堆核电发展的启示

从核电发展史上三次严重事故的历史经验可以总结出，安全是核工业的生命线，开发利用核电必须以确保安全为前提。因此，发展核电的过程中务必把安全放在首位。从事核能行业的科学家和科技工作者致力于核能前沿领域的研发，未来我国核电站的安全将在以下方面进行提升。

2.1 提升固有安全性

(1)ATF燃料研发

核燃料作为核电站能量的来源，也是放射性物质产生的最重要源头，因此核燃料历来均被视为放射性物质释放最重要的屏障。在事故工况下，燃料如果能够保持完整性并有效滞留裂变产物，将会从源头上降低事故的放射性后果。基于此，耐受事故燃料(Accident Tolerant Fuel，简称“ATF燃料”)的概念被提了出来，尤其在福岛核电事故后，基于对反应堆固有安全的进一步重视，ATF燃料成为了研究的热点。相比于标准的UO2-锆合金燃料，ATF燃料具有相当或更好的燃料性能。堆芯失去冷却的情况下ATF燃料能够更长时间保持完好，提供更长的事故应对时间，能够潜在地通过主动或被动方式缓解事故后果。

ATF燃料的重要研发方向包括：改善与蒸汽的反应动力学参数(包括氧化速率和氧化产热)；降低氢气产生率，以减弱氢气爆炸和燃料包壳氢脆等风险；改善包壳性能，提升其抵抗破裂、热冲击和熔化的能力，提升几何稳定性；改善燃料芯块性能，以提供更低的燃料运行温度、更高的熔化温度，并改善包壳内表面氧化和燃料重定位情况；提高对固、液、气等各种形态裂变产物的包容能力。

世界主要核国家针对上述内容开展了大量研究工作，既包括新型包壳材料的研究，也包括新型燃料的研究[14]。新型包壳材料研发方面，主要包括FeCrAl合金包壳、涂层锆合金包壳、碳化硅包壳等。新型燃料研发方面，主要包括高密度和高导热燃料以及弥散型惰性基体燃料。ATF燃料的成功研发和使用，将进一步提高燃料在事故工况下的耐受能力，提升反应堆的安全水平。

(2)纳米冷却剂研发

提高压水堆固有安全性能的另一核心问题在于改进燃料至冷却剂的传热，通过在冷却剂中加入纳米颗粒，使之成为纳米流体，提高流体导热系数，从而可以有效提升传热性能。21世纪初研究人员提出了纳米流体应用于反应堆的设想，目前业界已经探讨了纳米流体在VVER-1000、APR1400和SCWR等水堆上的应用，其中将Al2O3、TiO2纳米流体于应用于VVER-1000反应堆的安全分析结果显示，随着冷却剂中纳米颗粒浓度的增加，流体温度升高，传热强化；应用于加拿大SCWR的分析结果表明，当冷却剂中的纳米颗粒质量浓度超过40%时，包壳壁面最高温度及燃料最高温度分别降低20 ℃和30 ℃。虽然将纳米流体作为冷却剂有诸多优点，但还存在诸如热中子吸收截面较高、容易堵塞、侵蚀设备、流动压降高等不足。后续可持续开展纳米冷却剂的研究工作，重点解决稳定性问题，实现纳米冷却剂在压水堆的实际应用，有效提升压水堆安全性能。

2.2 提升非能动安全性

(1)优化的能动与非能动安全系统

压水堆能动安全系统依赖外来触发、动力源和能动设备以及核辅助系统的支持实现安全功能，用来应对设计基准事故，缺乏完善的设计扩展工况应对措施。美国的AP1000技术引入了非能动理念，利用物质自然特性，减少了安全支持厂房、安全级设备和相关厂房，极大简化了电厂设计。“华龙一号”采用了能动与非能动相结合的设计理念[15]，提高了系统安全性，但经济性稍差。未来压水堆安全系统设计中应充分发挥非能动系统简单、经济的优点，进一步提升非能动系统的地位和作用，提高压水堆的经济性，以较低代价实现整体安全目标。

(2)自然循环的反应堆

目前主系统采用完全自然循环的反应堆包括了美国的NuScale、阿根廷的CAREM-25、日本的IMR和中国的NHR200-Ⅱ。这类反应堆的设计没有设置主循环泵，在正常运行模式下，一次冷却剂均实现了自然循环对反应堆堆芯进行冷却，消除了主泵与外部应急电源的应用，辅之以非能动的安全系统，极大提升了反应堆的安全性和经济性。目前我国在建的模块化小型压水堆ACP100的设计中仍然采用了主循环泵作为动力驱动冷却剂导出堆芯热量，同时仍然保留了传统的稳压器设计，一体化设计不够彻底。在后续研发中，可以完善一体化设计，同时探索取消主循环泵、采用自然循环的技术方案，以提升反应堆安全性和经济性。

2.3 加强人因工程研究，减少人因事故发生

核电厂系统和设备的设计、运行及管理都离不开人的作用。历史上核电厂发生的三次严重事故的主要因素均为人因。经统计，我国自进入21世纪以来，人因事件发生总次数呈上涨趋势，人因事件在运行事件中占比较高。核事故和人因事件的发生为后来核电厂人员可靠性设计提供宝贵经验的同时，也说明未进行充分的人因工程研究可能造成危险后果。

人因工程研究是运用生理学、心理学和其他有关学科知识，使得机器和人相互适应，创造舒适和安全的环境条件，从而提高工效。人因工程研究中使用的定性辨识人误的方法均在核电厂人因可靠性分析(HRA)分析中得到应用。核电厂HRA方法一般可分为第1代、第2代和第3代。目前核电厂主要采用的是第1代HRA方法，是一种静态的HRA方法。其中多序贯失效模型方法SPAR-H是国际上认可和接受的方法，该方法将人员行为分为诊断和执行两部分，定义了8个绩效因子。

随着核电厂的开建和已建核电厂投入商业运行，人因事件可能更加频繁地出现。而核电厂的更新换代，如数字化主控室和模拟机的引入、电厂规程的变化等均对人因工程有着重大影响。这就需要我们加强人因工程研究，总结经验、未雨绸缪。一方面更进一步分析已发生的和假想的人因事件从中汲取经验，另一方面与时俱进充分考虑电厂的新变化对人因工程研究带来的影响。在设计中，引入增加了人员认知行为分析的第2代和动态模拟的第3代HRA新方法，可以更好地从设计之初预防和减少人误可能，从而提高核电厂安全。

2.4 提升安全壳性能

安全壳是核电厂的最后一道实体屏障。福岛核事故后，业内更加关注严重事故下的安全壳系统性能，针对严重事故下放射性气溶胶的迁移与热力学现象开展了广泛研究，但对于影响气溶胶迁移凝并的吸湿增长、衰变电荷等重要现象的研究仍有不足，非能动冷却方式下的安全壳内气溶胶综合行为有待深入研究。在包容能力方面，美国、法国等分别开展了比例模型以及贯穿件结构可靠性研究。这些研究主要集中于压力荷载下安全壳结构承载能力和贯穿件密封性能方面，缺少严重事故热力耦合下安全壳结构失效机理和承载能力研究、安全壳结构和贯穿件密封性能试验及定量化的预测评价。在安全壳释热减压和过滤排放技术研发方面，有必要探索新一代安全壳热量导出和过滤排放技术，以实现电厂经济性和安全性的提升。

2.5 提升应急技术能力和装备水平

应急是核辐射纵深防御的最后一道屏障。我国已经建立了较为完善的核应急组织体系和法律体系，但核应急技术与装备研究方面尚处于起步阶段。未来核应急在核与辐射应急监测技术、事故后果评价以及应急技术与装备等方面的关键技术加强研究[16]。

(1)多重协同辐射监测系统(包括固定式和便携式、车载式、航空式等)

为应对核与辐射环境安全突发事件的突发性、瞬时性和偶然性，要求应急监测网络具有广泛性、准确性和时效性。我国幅员辽阔，要求应急监测网络密度适中，与我国国土面积相匹配。此外，应急监测网络应覆盖陆地海洋和大气，且采取多样化的测量手段作为补充。未来我国将有必要在以上几个方面完善和发展现有的应急监测网络，形成多重协同辐射监测系统，该系统能够覆盖到所有省会城市、其他主要地市及重要、敏感的边境地区；其监测项目广泛，包括空气吸收剂量率、累积剂量、放射性核素定量分析(灰尘、土壤、池水、草、饮用水、沉降、海水、海底土壤)等；测量形式多样化，固定点监测与航空测量、车载移动测量、便携式测量相结合，为应对核与辐射突发事件的辐射监测提供保障，为应对措施提供决策支持信息。

(2)智能化应急决策和事故后果评价系统，形成多种尺度的全球预测能力

纵观历史上三次重大核事故后的应急过程可以看出，核事故情况下的应急决策面临诸多挑战。一是核事故情景下决策环境复杂，应急指挥人员面临可居留条件恶化和主观紧张情绪的不利影响，仅基于人工和专家经验的决策过程可能无法满足应急响应的及时性和科学性的要求；二是核事故应急响应的影响因素复杂，用于应急决策的数据具有多源异构的特点，来源多样且格式复杂，数据处理难度较大；三是核事故应急涉及核电站内外各级组织，决策主体多，决策协同、决策数据及信息共享存在困难，决策效率的提升面临瓶颈；四是核应急决策需充分考虑公众及工作人员的健康、应对策略的经济成本以及可能造成的社会影响等因素，核应急面临多目标决策的挑战，影响了“无人监控、少人值守智能运行”目标的实现。

智能核应急辅助决策系统将充分利用大数据技术、人工智能、无人机、机器人等先进的智能化技术，实现智能应急状态判断、场外辐射主动感知、辐射智能预测预警、事故后果的智能判定、事故后剂量场智能耦合分析、防护行动方案的智能决策、智能应急预案、智能应急处置、应急保障和应急评估等方面，可应用于核电厂应急演习与演练以及事故应急响应场景中，为核事故应急提供智能化辅助决策。

(3)核事故应急技术与装备

核应急情况下，在强辐射区域以核机器人代替人工十分必要。目前我国正积极研制适应强辐射环境的机器人，通过优化材料、高温退火等方法，使部件达到了耐辐射的要求。

此外，在提升应急技术水平的同时也需要加强专业训练，提升应急人员能力，提高演习的有效性，建立与核能发展规模相适应的核应急体系。

3 结论与展望

能源和气候是当今世界面临的两大挑战。2022年以来，俄乌冲突引发全球能源供应危机，凸显了非化石能源和国内能源结构多元化的重要性。俄乌冲突加剧了全球燃料市场的紧张局面，同时刺激电价上涨。这让各国政府不得不重新审视本国的能源安全战略，愈发重视立足于国内及多元化的能源供给，减少对进口化石燃料的依赖。核能提供了大规模减少对化石燃料依赖的机会，有助于实现能源结构多元化。为增强能源发展的经济性、稳定性与自主性，全球核电发展回暖，传统核电大国提出重振核电计划，无核电国家提出建设核电设想，弃核国家拟重启核电或延缓核电退役，全球核能发展由举棋不定阶段转入稳步发展阶段。

俄乌冲突引发的能源价格上涨提示我国有必要加强能源自给率，保障能源供应安全。核电作为一种清洁、经济、可靠的能源，在保障能源供给和电力安全等方面扮演着重要的角色[17]。2021年《政府工作报告》中明确提出“在确保安全的前提下积极有序发展核电”，这是近十年来我国首次采用“积极”一词来表述核电。2022年政府出台的《“十四五”现代能源体系规划》提出，积极安全有序发展核电，到2025年，核电运行装机容量达到7 000万千瓦左右。

气候危机问题也同样严峻。我国的目标是2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。要实现“双碳”目标，在21世纪中叶实现温室气体净零排放，就必须迅速彻底实现发电和供热脱碳。与化石能源相比，核电通过核裂变反应产生热量，无温室气体排放，运行稳定可靠，是低碳电力的重要来源。

发展核电是我国实现“双碳”和能源安全的客观需要与现实选择，高质量发展核电将不断为社会经济发展、能源结构优化、温室气体减排等做出重要贡献。历史上三次核电严重事故以极大的损失为代价为全世界的核电事业提供了重要的教训，某种意义上为世界核电事业的发展做出了一份贡献。客观看待三次严重事故的事实，从中汲取经验和教训，无疑有利于核电事业特别是核安全的进一步发展和提高。如果因历史上的事故就放弃和远离核电，无疑只是一种逃避的做法。面对三次严重核电事故的教训，我们需要做的是通过技术创新不断提高核能利用的安全性，设计建造出更加安全和低造价的核电厂。