本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第3期

 

作者：彭述明，夏佳文，王毅韌，彭現科，黃洪文，鄭春，丁文杰

 

來源：我國核安全技術發展戰略研究[J].中國工程科學,2021,23(3):113-119.

 

編者按

 

核安全是國家安全體系的重要組成部分，是發展核事業的前提、基礎和生命線。核安全工作具有高度的專業技術特征，歷史上發生的嚴重核事故在一定程度上都與核安全技術的缺陷或不足有關。先進可靠的核安全技術是保持并提高本質安全的基石，開展核安全技術戰略研究對于建設核科技強國意義重大。

 

中國工程院夏佳文院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第3期撰文，著力開展核安全發展戰略研究和核安全技術發展頂層設計：分析核大國的核安全技術整體進展，研究新時代背景下現代化建設對核安全技術的宏觀需求，總結已有成就并凝練存在的問題，提出核安全技術重點方向和攻關路徑。文章指出，在總體國家安全觀和核安全觀的指引下，近年來我國核安全技術進展明顯，核安全業績良好；但也面臨核安全標準體系建設有待深化、核安全軟件研發統籌不足、核安全高精尖裝備受制于人等瓶頸問題。為持續推進核安全治理體系與治理能力現代化，實現核大國向核強國的歷史性跨越，文章建議進一步完善核安全標準體系；統籌資源、集中攻關，推進自主化核安全軟件高質量發展；強化“政、產、學、研、用”結合，解決高端核安全裝備“卡脖子”問題。

 

一、前言

 

核安全在國家安全體系中具有舉足輕重的地位，是國土安全、國防安全、經濟安全等其他安全的重要支撐。核安全工作具有高度的專業技術特征，歷史上發生的嚴重核事故在一定程度上都與核安全技術的缺陷或不足有關。持續開展科技創新、完善核安全技術體系、從本質上提升核安全水平、預防核事故發生，對保障國家國防安全、實現核事業健康有序發展、推動生態文明建設、支撐經濟社會高質量發展、滿足居民現代化生活需求具有重要意義。

 

核安全技術是為保證核與輻射安全、防止核事故發生以及減少或緩解核事故造成的危害損失而產生的科學理論與技術方法。隨著切爾諾貝利、三哩島、福島三起核事故的發生，核安全技術受到重視的程度愈來愈高。相比核電發達國家，我國核安全技術起步較晚、基礎薄弱；近年來出臺了多項政策文件，全面部署核安全技術領域的相關工作，力爭盡快達到國際先進水平。目前，我國在核安全法律法規體系、核安全監管體系、核安全軟件自主化、核安全裝備自主化、核安全文化建設等方面取得了顯著進步，為核電“走出去”打牢堅實基礎。

 

為持續提升我國核安全技術水平，實現核科技強國的長遠發展目標，在中國工程院“中國核科學技術發展戰略研究（二期）”咨詢項目的支持下，本文著力開展核安全發展戰略研究和核安全技術發展頂層設計：分析核大國的核安全技術整體進展，研究新時代背景下現代化建設對核安全技術的宏觀需求，總結已有成就并凝練存在的問題，提出核安全技術重點方向和攻關路徑；針對性提出對策建議，以期為我國核安全技術發展、管理舉措研究提供基礎參考。

 

二、國外核安全技術發展現狀

 

（一）核安全標準體系不斷完善，規定明確可操作

 

國際原子能機構（IAEA）于 20 世紀 70 年代開始制定安全標準，90 年代中期對已有安全標準進行了大規模梳理；此后不斷更新和完善，形成了具有較高水準的核安全標準體系。隨著世界核電相關產業的迅速發展，IAEA 制定的核安全標準已成為保障核能安全、高效、可持續發展的重要手段，被許多成員國采納使用，如世界上擁有核電裝置數量最多的美國、法國。

 

美國、法國在參考 IAEA 標準的同時，立足本國工業基礎和技術體系，分別建立了符合國情的自主化核電標準體系。由于核能技術發展存在先后，美國、法國在核安全標準制定模式上存在一定差異性，但最終均建立了獨立、完整、可操作性強的核電標準體系；隨著核安全技術的持續深入發展，相關核安全標準體系也在不斷更新和完善，這也為兩國核電裝備出口提供了良好基礎。

 

美國在核電技術上具有先發優勢，核領域標準最為齊全完整，覆蓋了核工業全產業鏈；相關標準超過 1000 項，絕大多數標準具有原創性。作為核電技術引進國，法國采用了“引進–轉化–再創新”的高效發展道路：在參考美國相關標準體系的同時，充分考慮本國法律、工業基礎等實際因素的影響，成立專門的標準化組織負責核安全標準制定并進行統一管理；盡管這種集中管理模式在一定程度上削弱了標準對技術創新發展的引導潛力，但為加快工業體系應用、合理降低對標準使用者的資質要求、固化標準內容、穩步形成高質量標準體系提供了極大便利。

 

（二）基礎研究持續深入，反應堆數值模擬能力不斷增強

 

核電安全分析軟件是核電站設計、建造、運行的重要支撐。核科技強國在發展核電技術過程中均高度重視核安全分析軟件的研制，發展了適用于不同場景的核安全分析軟件；為驗證核安全分析軟件的有效性，搭建了大型整體性能試驗臺架（如法國 BETHDY 實驗臺架、日本 ROSA 實驗臺架、美國俄勒岡大學的 APEX 實驗臺架等），對相關軟件的應用推廣起到了重要作用。

 

隨著核安全分析軟件研究的深入，近年來事故現象與機理、算法理論等基礎研究得到顯著加強。歐盟通過 NURESIM、NURISP、NURESAFE 等連續性項目的實施，提高了先進算法 / 建模、超級計算平臺應用等方面的研究層次，形成了更高時間和空間精度的堆芯物理、熱工水力、燃料性能、材料輻照性能等方面的核安全分析軟件系統。另外，在 CASL 計劃、NEAMS 項目支持下，美國相關機構完成了高精度核安全分析軟件研發工作。得益于數十年研發經驗與知識成果的積累，這些核安全分析軟件的技術狀態和能力趨于成熟，在核電廠設計、安全運行、事故預防方面發揮了關鍵作用。

 

（三）核安全裝備的創新能力持續提升，掌握高精尖核安全設備的市場主動權

 

以美國為代表的核科技強國依托雄厚的工業基礎、核電技術先發優勢，通過自主知識產權、核心關鍵技術的不斷積累和擴充，掌握了核安全設備的研發、設計、生產、檢測維修等系列先進技術，形成了完整的核安全裝備體系；通過持續優化改進，裝備產品性能得到大幅提升，在精度、可靠性等方面占據絕對優勢，掌握精密儀器、關鍵設備的市場主動權。以堆用核儀器儀表為例，美國、法國企業經過長期發展，覆蓋各個細分方向；美國 Thermo Fisher 公司為全球 16 個國家和地區的 130 多個核電反應堆提供了 650 多個中子通量監測道，為全球 30 多個研究堆提供了 130 多個中子通量監測道。

 

三、我國核安全技術取得的成就

 

（一）核安全業績良好，核安全技術接近國際先進水平

 

當前，我國核能整體安全形勢平穩，安全記錄良好，運行核電機組未發生 2 級及以上核事故，主要運營業績保持了世界先進水平，部分安全指標達到國際領先。新建核電機組的設計性能指標滿足國際最新核安全標準，在建核電機組質量可控，研究堆、核燃料循環設施安全隱患得到消除且安全風險進一步降低。核設施退役、廢物治理工作持續推進，核技術利用管理日趨規范，鈾礦冶輻射環境風險治理取得明顯進展。核電廠在抵御洪水、地震等極端自然災害，預防并緩解嚴重事故等方面的能力進一步提升，應急準備、應急響應能力不斷增強。

 

（二）基本建成與國際接軌、符合國情的核安全法律法規標準體系

 

我國不斷健全政策法規體系，將核安全納入國家總體安全體系并寫入《中華人民共和國國家安全法》，頒布實施《中華人民共和國核安全法》，推動《中華人民共和國原子能法（征求意見稿）》的立法審議。首次發表《中國的核安全》白皮書，系統描繪相關法規標準體系的建設路線圖；根據國際最新標準，修訂核安全部門規章，完善核與輻射安全管理體系。

 

（三）核安全分析軟件研制取得預期進展

 

中國核動力研究設計院在核電重大專項“核電關鍵設計軟件自主化技術研究”的支持下，完成了針對我國第三代先進核電“華龍一號”定制開發的核電設計與分析軟件包 NESTOR。國家電投集團科學技術研究院有限公司依托“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站科技重大專項”中的“核電關鍵設計軟件自主化技術研究”課題支持，完成了反應堆堆芯物理、熱工水力、系統安全分析一體化軟件包 COSINE 的研發。中國廣核集團有限公司獨立研發了具有完全自主知識產權的核設計軟件包 PCM，據此完成“華龍一號”堆芯設計。這些專用軟件的良好進展，展示了我國核安全分析軟件的自主化能力，為國產核電裝備“走出去”提供了重要助力。

 

（四）核安全裝備技術持續改進，裝備國產化率不斷提升

 

通過技術引進和自主攻關，我國基本掌握了第二代 / 第三代核電核島、常規島大多數關鍵設備的設計制造技術。目前，第二代改進型核電設備完全實現國內制造；自主研發的第三代先進核電“華龍一號”設備國產化率超過 85%，反應堆壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器、堆內構件等設備均由國內制造。整體來看，核電安全的關鍵設備和材料國產化工作穩步推進，除少數設備、零部件和材料外，基本實現自主化。

 

四、我國核安全技術面臨的挑戰

 

（一）核安全標準體系建設有待深化

 

2018 年 11 月，生態環境部核與輻射安全中心對我國核安全標準進行了梳理，編制了“核安全標準體系表”，由通用、核動力廠、研究堆、核燃料循環設施、放射性廢物、核材料管制、民用核安全設備、放射性物品運輸 8 個專業系列構成，共有標準項目 111 個。然而，相關標準的數量、完整性低于核電發達國家，模塊化小堆、研究堆、核燃料循環設施、核設施退役等重點方向的核安全標準仍有所缺失，核設施退役計劃、核設施退役特性鑒定計劃等標準尚未建立。例如，在核電廠退役方面既缺少退役設計、退役安全、存量估算等方面的標準，又缺少總體程序、安全質量方面的規定，與相關法律、法規、規章等對于退役的規定和要求不相匹配。

 

一是核安全標準體系建設的抓總單位尚未明確，管理呈現條塊分割，導致核安全技術發展體系性不強、交叉與缺項問題共存。《中華人民共和國核安全法》僅規定了“國務院有關部門按照職責分工制定核安全標準”，沒有明確規定總體及職責分工；同時在標準制定過程中，行業內不同單位、不同堆型技術的發展主體存在著各自的利益訴求，均希望以各自主導的技術來引導行業標準制定，標準編制權的競爭也加劇了標準統一的困難。

 

二是具有自主知識產權的標準沒有得到應有重視，標準制定與完善過程中的相關基礎驗證研究及實驗數據較為匱乏。以核島機械設備為例，一些關鍵參數及指標缺乏相應的基礎實驗數據，標準制定仍需參考國外做法。基礎研究、基礎數據的缺乏，嚴重削弱了我國在國際標準制定方面的參與力度和話語權；當國外標準升版時，國內標準亦需隨之升版，詳細的解釋工作離不開國際和國外標準化組織的技術支持。

 

（二）核安全軟件研發統籌不足

 

隨著核電軟件自主化的不斷推進，我國初步形成了可用于核電出口的自主軟件平臺，但仍以堆型專用為主。國內自主通用軟件的研發仍處于初級階段，與國外已開發數十年并獲得廣泛使用的通用軟件相比，在通用性、可靠性、穩定性等方面均存在不小的差距；自主化軟件的應用能力未能得到行業性公認，也未形成“使用–反饋–改進”的良性循環。

 

一是缺少核安全分析軟件研發的頂層設計，參與各主體未形成合力。在我國，軟件自主化已得到廣泛重視，各科研渠道均有不同形式和程度的支持，相關核電企業、高等院校均有參與；但研發力量更傾向于獨立實施業務，未能統籌資源，存在重復、交叉、缺漏等現象；各軟件研發主體的實驗數據、反應堆運行數據、基準題庫共享補償機制缺失，合作程度不夠，在國家層面尚未構建統一共享平臺。

 

二是軟件算法、復雜現象等方面的基礎研究薄弱。我國在核安全分析軟件研發方面起步較晚，盡管近十年來已有明顯改觀，但整體業務仍以學習、模仿、消化吸收等方式推進；對于軟件研發基礎前沿問題，如嚴重事故現象、機理、分析模型，兩相流算法適定性、精確性等的探索不足，已有軟件與國際先進水平仍存在一定差距。

 

三是核安全分析軟件的質量控制水平有待提高。軟件需要嚴格的驗證和確認，涵蓋程序產品和過程的分析、評價、審評、審查、評估、測試。國家核安全局 2014 年發布的《核電廠安全分析計算機軟件的開發和應用》，初步建立了核電軟件開發、評審體系方面的標準。也要注意到，我國核安全軟件的工程化水平還不高，產品質量控制體系仍需要一定周期的迭代和完善，開發者、評審者也需要進一步積累經驗，以克服質量控制的技術手段與意識薄弱、軟件質量難以保證、軟件有效性 / 可靠性 / 可維護性程度低等不足。

 

（三）核安全高精尖裝備仍受制于人

 

為響應國家核電“走出去”戰略，核電設備國產化進程不斷推進；但在發展過程中過于重視國產化率，忽略了一些關鍵核安全設備、核心零部件及材料的研發，導致不少關鍵零部件及材料仍較多依賴進口。另外，已實現國產化的設備與材料，品質控制需要進一步提升。

 

一是產業政策引導、“產學研”結合的市場機制尚不完善。制造工藝需要在持續不斷地應用、改良過程中逐漸成熟和固化，才能實現產品質量可控、性能穩定并持續提升。由于不少國產關鍵核電設備與國外同類產品相比存在一定差距，核電業主往往傾向于選擇技術成熟的國外設備，導致不少國產設備仍停留在研究階段或工程起步階段。國產設備不能從實驗室、工廠走向實際工程應用，便不易發現相關工程應用可能存在的問題，更談不上精準改進。以堆用核儀器為例，國內企業研發能力不足，生產工藝改進不充分，產品批次一致性不高，產業化能力有待提升，導致國內產品在可靠性、一致性方面弱于國外同類產品，影響了核電業主的產品選用。

 

二是新原理、新方法、原材料、元器件等基礎研究投入不足。在核安全設備國產化水平不斷提升的同時，國內企業的精密及高可靠性裝備制造技術水平仍落后于國外，部分關鍵零部件及材料仍需大量進口。一些關鍵技術（如多種核Ⅰ級閥門的研發、設計、生產、檢測維修）國內裝備企業尚未完全掌握，部分關鍵制造工藝（如自給能探測器方面的釩絲制造加工工藝、礦物絕緣電纜與接插件焊接工藝）國內企業還處于摸索過程中；一些關鍵元器件（如用于輻射監測設備生產的高性能探測器、光電倍增管）均依靠進口。此外，不少國內生產企業仍停留在產品仿制階段，產品性能不夠先進；以鎳基焊條為例，單從化學成分、力學性能上來看，國產鎳基焊條與國外產品相差不大，但焊接操作性能卻明顯不足，如電弧不穩定、焊條脫渣性差、電流適應性差等問題普遍存在。

 

三是核安全裝備的質量文化、核安全文化建設重視不夠。新裝備及新工藝的突破，其配套的質量保證體系建設、核安全文化建設往往未能及時跟進，導致執行工藝紀律不夠嚴格，低級錯誤問題頻繁出現，設備整體質量控制不嚴。以三門核電站為例，一期 AP1000 核島主設備制造過程中出現了不少質量問題，給設備制造工期、設備造價等帶來了不利影響 [19]。

 

五、我國核安全技術重點方向及發展步驟

 

（一）核安全標準體系

 

2025 年，核設施退役、小型堆管理等重點方向的核安全標準趨于完善并形成體系，標準質量持續提升，形成自主、統一、協調、先進并與核電發展水平相適應的核安全標準體系。

 

2035 年，核電貿易國雙邊、多邊合作機制基本建成、持續推動，標準化科研、科研成果轉化全面展開；與核電強國的標準互認、標準共建、技術交流合作穩步推進，促進我國在國際核安全標準制定方面的話語權提升。

 

2050 年，核安全標準體系全面達到國際領先水平，保障國內及海外市場的核電安全與可持續發展。

 

（二）自主化核安全分析軟件

 

2025 年，圍繞核安全領域重大需求，成立核安全分析軟件國家級實驗室，開展核安全軟件研發戰略與政策研究；集中科研機構、高等院校、企業的優勢力量，在現象、機理、算法理論等基礎研究方面實現突破，支撐重點方向核安全分析軟件的自主化；自主化軟件在各核電單位及研究機構開展示范應用，初步實現“測試–反饋–改進”的良性發展與演進提升，促進國產核電“走出去”。

 

2035 年，核安全分析軟件實現完全自主化，重點方向核安全分析軟件達到并部分超過國際先進水平；實驗驗證平臺能力不斷完善，部分關鍵性平臺獲得國際認可。

 

2050 年，自主化核安全軟件獲得充分應用與工程驗證，整體達到國際領先水平，面向國際市場推動廣泛應用。

 

（三）關鍵核安全裝備

 

2025 年，國內核電業主（含其他核設施營運單位）與供應商之間形成長期可持續的合作模式，在保證核電安全運行的前提下，在國外設備供貨方向逐步引入國產化設備。

 

2035 年，核電設備研發廠商與核電業主開展協同，保持國產化設備的高品質發展，形成穩定高效的核電設備供應鏈；通過經驗反饋體系持續發現問題、解決問題，積累研發生產能力，提高國內供貨商的市場競爭力，鼓勵參與國際市場競爭與合作；推動核電建造成本大幅下降，國產化核電設備獲得國際市場認可。

 

2050 年，關鍵核安全設備、零部件及材料達到并部分超過國際先進水平；核電建設成本進一步下降，國產化核電設備占據國際市場的較大份額。

 

六、對策建議

 

（一）優化完善核安全標準體系

 

針對核安全標準部分領域存在缺項、缺乏自主統一體系等現狀，提出發展建議：及時開展《中華人民共和國核安全法》相關配套性文件的制定工作，為核安全治理體系建設提供頂層依據；注重核安全標準體系建設的頂層設計，厘清相關管理部門之間的權責關系，明晰職責分工，制定核安全技術總體框架體系、基本內涵及發展路線圖；加強核安全標準相關的基礎研究，在標準的研究制定過程中，明確量化指標，提高可操作性。

 

（二）統籌資源、集中攻關，促進自主化核安全軟件高質量發展

 

為解決自主化核安全軟件共享機制不健全、基礎研究薄弱、驗證確認不充分等問題，應有統一有序的組織協調、系統科學的規劃論證、全面嚴格的質保標準、科學合理的平臺驗證、權威公正的確認機構。建議保持自主化核安全軟件研發的統一管理，統籌相關軟件研發主體的科研資源、要素配置，建立實驗平臺、基礎數據的共享機制；加強軟件算法、機理、現象等基礎研究，打牢自主化核安全軟件水平提升的基礎保障；完善核安全軟件的質量保證體系建設，開展自主化核安全軟件的示范應用和推廣。

 

（三）注重核電裝備基礎研究，開展國產化裝備質量建設

 

針對高精尖裝備、關鍵零部件、材料自主可控不足等問題，提出發展建議：開展關鍵核級設備、零部件、原材料的加工制造工藝基礎研究，發揮制度性優勢，以計劃與市場兼顧的方式安排優勢單位解決基礎性、戰略性、“卡脖子”問題；發揮市場的調節和主導作用，輔以政策引導、資源支持，精準高效解決裝備自主化問題；完善核安全設備質量標準體系，強化制造企業的核安全文化建設。

 

注：本文內容呈現略有調整，若需可查看原文。

 

作者介紹

 

夏佳文，重離子加速器物理及技術專家，中國工程院院士。