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多安全才叫安全

2018-10-31 13:30:20

多安全才叫安全

“二代核电技术应该对安全方面的防范是很严格的了。为什么福岛核电站的事故还会发生?而三代核电技术在安全性方面又能提高到什么程度?”

针对《中国周刊》提出的这些问题,郁祖盛认为,福岛核电站的事故偶然因素很大。主要原因是因为地震,冷却失去了电源,而备用的柴油机电源又被海啸给卷走了。但福岛的6号机组有一台柴油机,位置比较高,海啸没有卷掉,结果不仅保证了6号机组的安全,还使5号机组也实现了安全。福岛所遇上的自然灾害,已经超出了当初设计人员所考虑的边界。

目前,国际上对于核电安全的评估一般是两个参数:一个是“堆芯熔化概率”。这里指的是,每一个反应堆运行一年(即堆·年),发生堆芯熔化的概率。二代技术是万分之一,也就是我们俗称的“万年一遇”。但是在日本,这种“万年一遇”的事情就是发生了。而现在国际上要求标准要提高到十万分之一。现在三代核电技术中的美国AP1000,已经可以做到5.08×10的负7次方堆·年,即千万分之五。

另一个参数,是出现放射性大规模释放的概率,比如切尔诺贝利或者福岛出现的情况。原来在二代核电时代,这个概率是十万分之一,而现在国际上的要求是百万分之一。AP1000则做到了6×10的负8次方堆·年,即亿万分之六。

“在福岛核电站事故以后,我们请美国的合作方进行过一次模拟计算,如果福岛采用了AP1000的三代技术是否能经受住此次考验,结果证明,是可以的。”郁福盛告诉《中国周刊》。

三代技术:既要安全,而且经济

安全性的提高是三代核电技术的主要标志。但三代核电技术并非是仅仅是一个安全指标,它包含从安全性到经济成本等一系列指标。对此,中科院院士欧阳予有过六条定义:

一、在安全性上,堆芯熔化事故概率≤1.0×10的负5次方堆·年;大量放射性释放到环境的事故概率≤1.0×10的负6次方堆·年。

二、在经济性上,要求能与联合循环的天然气电厂相竞争:机组可利用率≥87%;设计寿命为60年(二代机组是40年);建设周期不大于54个月。

三、采用非能动安全系统,即设计不需要专设动力源驱动的安全系统。

四、单机容量进一步大型化,通常二代机组都在百万千瓦,三代可达160万千瓦甚至更多。

五、采用整体数字化控制系统。

六、施工建设模块化以缩短工期。

“单从引进价格上来说,三代核电技术实际上比二代还能省钱。”郁祖盛说。他这样算了一笔账:近30年前中国引进法国的二代技术时,按8.27:1的外汇比例来计算,大亚湾核电厂建成的价格是2080美元/千瓦;而三代,AP1000较好地解决了安全性和经济性的协调,如果不考虑通货膨胀,仍按8.27:1的外汇比例来算,三门核电厂,也就是全世界座AP1000电厂,四台机组的平均价格是低于2000美元/千瓦。也就是说,反而是更便宜了。

个中原因是:以往的核电厂,真正发电的机械设备,多只占三分之一,其余三分之二的设备为紧急情况出现而备用的,万一出现事故,它们起到缓解的作用,也就是说,它们是“站岗放哨”的。而这部分设备又要求极度可靠,造价非常高。但是,贵是贵,人们又希望不用上它们,40年中永远不启动才好。从这个意义上说,这部分设备可以说是个“累赘”。于是美国西屋公司就动脑筋,试图把这部分的成本大幅度降下来。

西屋的工程师们考虑的是怎样使安全措施简化。也就是说,一旦反应堆的堆芯发生熔化,无须人工操作,冷却系统就可启动。简单地说,是在反应堆中的安全壳中装有若干应急水箱,断电时阀门会自动打开,堆芯与水箱之间的温度、压力差会使得冷却水自动进入反应堆管道,起到给燃料棒降温的作用。如果有必要,建在反应堆混凝土外墙顶上的另一个巨大蓄水池可以直接让水倾泻在反应堆外墙顶上,降低顶部温度。而在圆弧形安全壳之内,从堆芯冒出的蒸汽会不断冲击已经降温的屋顶,遇冷凝结成水,终又洒落到堆芯上。这些水,至少够使用3天。

“这道理现在说起来挺简单,但这在我们的行话中叫‘用微动力自然循环带走大量热量’,西屋搞了30年才成功。”郁祖盛说,所谓美国AP1000的“非能动安全系统”即是这个意思,在这个安全系统中一台泵都没有,全靠自然力。“原来二代核电技术,要求是一旦出事故10分钟到半个小时内人工必须干预,启动安全系统,而这里,三代技术可以72小时之内都不用人工干预。有三天时间,这时间对于核电站采取进一步措施足够了。”

当然,郁祖盛补充说,像AP1000这样的先进技术引进之后,消化吸收还是一个艰苦的过程,直到真正实现了国产化、标准化、批量化,才能真正把核电站的成本降下来。

面对“黑天鹅”:性价比的考量

如果我们还是不放心,还是要问:即使是三代核电技术,能确保核电站的安全吗?

郁祖盛告诉《中国周刊》,从科学的角度来说,百分之百的安全是没有的,但是科学可以使我们一步步地降低发生事故的概率。“一般在工程上,到了10的负8次方时,这个概率就不考虑了,这是亿分之一的概率。比如说,有人计算过天上掉下陨石砸到人脑袋上的概率,这个概率大概是10的负10次方到10的负11次方,也就是百亿到千亿分之一的概率,所以人们就不考虑这个概率了,小孩上街要防止被汽车撞了,但没有想防止被陨石砸了的。”

日本的福岛核电站在设计当初是考虑了地震和海啸的因素的。美国科学专栏作家亚当·皮奥雷曾在美国《科学美国人》杂志上撰文指出,福岛核电站设计的抗震能力是抗里氏8.2级地震,而且这次的9.0级大地震也在它的安全裕度之内。但问题在于它只能抵御5米的海啸,而此番地震引发的海啸却高达14米。这超出了设计师们的预设之外。

这样一种极小概率的事件,一旦出现后果又会极其严重,人们用了一个特有词汇来称呼它:“黑天鹅事件”—— 17世纪前,欧洲人一直认为天鹅都是白色的。但随着只黑天鹅的发现,这个不可动摇的信念崩溃了。现在黑天鹅事件用来比喻非常难以预测、且极不寻常的事件。

“黑天鹅事件”非常难以预测,准备措施非常昂贵,而发生的几率在统计学上却几乎可忽略。这是因为,一类事件在一万年内也许只会发生一次,但并不代表明天就不可能发生。皮奥雷在他的文章中写道:“对一座典型的设计寿命为40年的核电站而言,它可能遇到的情况也五花八门,比如2001年的‘9·11’事件,或者2005年8月的卡特里娜飓风,以及刚刚过去的日本大地震。”

无论设计者们在核电站的安全考虑上如何谨慎周全,但他们只能预见到他们能想象到的危险。在刚刚兴起建造核电站的上世纪60年代,人们根本想象不到还会有恐怖分子驾着飞机撞向反应堆的可能。但是在2009年,美国核管理委员会(NRC)提高了核电站的安全标准,要求所有核电站都必须能够经得住一架飞机的直接撞击。为了达到新的标准,西屋电气公司在反应堆的混凝土外墙中增加了钢板。

我们可以寄希望于第四代核电技术。欧阳予院士在他的文章中对第四代核电技术有过这样的归纳:

1.核电机组比投资不大于1000美元/千瓦,发电成本不大于3美分/千瓦时,建设周期不超过三年;

2.非常低的堆芯熔化概率和燃料破损率,人为错误不会导致严重事故,不需要厂外应急措施;

3.尽可能减少核从业人员的职业剂量,尽可能减少核废物产生量,对核废物要有一个完整的处理和处置方案,其安全性要能为公众所接受;

4.核电站本身要有很强的防核扩散能力,核电和核燃料技术难于被恐怖主义组织所利用,这些措施要能用科学方法进行评估;

5.要有全寿期和全环节的管理系统;

6.要有国际合作的开发机制。

目前国际上选定了六种反应堆型的概念设计,作为第四代核能系统的优先研究开发对象,中国清华大学正在研制的高温气冷堆是其中的一种。但是,第四代核电技术成熟到工业上大规模应用还需很长时间。郁祖盛估计,“至少还要三四十年。”

所以,今天的核电安全问题,实际上是人类自己要做的一个抉择。每一种能源,都有自己的长处和劣处。以中国的情况来说,现在仍以火电为主要电力来源。但是现在人们已经越来越清楚火电带来的问题:一是烧煤发电是一种热效率相当低、相当浪费的消耗方式;二是在能源安全上存在巨大隐患;三是它带来严重的环境污染。而太阳能,当前效率仍嫌太低,到达工业化大规模运用还有很长的路要走;而风能发电,主要问题是发电不稳定,有风的时候也许不缺电,缺电的时候却没有风。只有使用电能储存装置,这又使得成本上非常不合算。

人们只能在这种情况下,通盘平衡,做出合适的选择。无论那种能源,“你要想取得利益,你就要付出代价。如果你一点都不想承受或不能承受,那你就是温室里的花朵了,也长寿不了。”郁祖盛说。

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