中國核安全技術發(fā)展戰(zhàn)略研究

    文/彭述明 夏佳文 王毅韌 彭現(xiàn)科 黃洪文 鄭春 丁文杰

中國工程物理研究院中國科學院近代物理研究所等，中國工程科學

    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(jīng)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(yè)技術特征，歷史上發(fā)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(xù)開展科技創(chuàng)新、完善核安全技術體系、從本質(zhì)上提升核安全水平、預防核事故發(fā)生，對保障國家國防安全、實現(xiàn)核事業(yè)健康有序發(fā)展、推動生態(tài)文明建設、支撐經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展、滿足居民現(xiàn)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(fā)生以及減少或緩解核事故造成的危害損失而產(chǎn)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(fā)生，核安全技術受到重視的程度愈來愈高。相比核電發(fā)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(guī)體系、核安全監(jiān)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(xù)提升我國核安全技術水平，實現(xiàn)核科技強國的長遠發(fā)展目標，在中國工程院“中國核科學技術發(fā)展戰(zhàn)略研究（二期）”咨詢項目的支持下，本文著力開展核安全發(fā)展戰(zhàn)略研究和核安全技術發(fā)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(xiàn)代化建設對核安全技術的宏觀需求，總結(jié)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(fā)展、管理舉措研究提供基礎參考。

    二、國外核安全技術發(fā)展現(xiàn)狀

    （一）核安全標準體系不斷完善，規(guī)定明確可操作

    國際原子能機構(gòu)（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(guī)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(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，IAEA 制定的核安全標準已成為保障核能安全、高效、可持續(xù)發(fā)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(shù)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(yè)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(fā)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(xù)深入發(fā)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(fā)優(yōu)勢，核領域標準最為齊全完整，覆蓋了核工業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈；相關標準超過 1000 項，絕大多數(shù)標準具有原創(chuàng)性。作為核電技術引進國，法國采用了“引進–轉(zhuǎn)化–再創(chuàng)新”的高效發(fā)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(yè)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(tǒng)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(chuàng)新發(fā)展的引導潛力，但為加快工業(yè)體系應用、合理降低對標準使用者的資質(zhì)要求、固化標準內(nèi)容、穩(wěn)步形成高質(zhì)量標準體系提供了極大便利。

    （二）基礎研究持續(xù)深入，反應堆數(shù)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(fā)展核電技術過程中均高度重視核安全分析軟件的研制，發(fā)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(xiàn)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(xù)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(tǒng)。另外，在 CASL 計劃、NEAMS 項目支持下，美國相關機構(gòu)完成了高精度核安全分析軟件研發(fā)工作。得益于數(shù)十年研發(fā)經(jīng)驗與知識成果的積累，這些核安全分析軟件的技術狀態(tài)和能力趨于成熟，在核電廠設計、安全運行、事故預防方面發(fā)揮了關鍵作用。

    （三）核安全裝備的創(chuàng)新能力持續(xù)提升，掌握高精尖核安全設備的市場主動權(quán)

    以美國為代表的核科技強國依托雄厚的工業(yè)基礎、核電技術先發(fā)優(yōu)勢，通過自主知識產(chǎn)權(quán)、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(fā)、設計、生產(chǎn)、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(xù)優(yōu)化改進，裝備產(chǎn)品性能得到大幅提升，在精度、可靠性等方面占據(jù)絕對優(yōu)勢，掌握精密儀器、關鍵設備的市場主動權(quán)。以堆用核儀器儀表為例，美國、法國企業(yè)經(jīng)過長期發(fā)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(qū)的 130 多個核電反應堆提供了 650 多個中子通量監(jiān)測道，為全球 30 多個研究堆提供了 130 多個中子通量監(jiān)測道。

    三、我國核安全技術取得的成就

    （一）核安全業(yè)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(wěn)，安全記錄良好，運行核電機組未發(fā)生 2 級及以上核事故，主要運營業(yè)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(zhì)量可控，研究堆、核燃料循環(huán)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(xù)推進，核技術利用管理日趨規(guī)范，鈾礦冶輻射環(huán)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(guī)標準體系

    我國不斷健全政策法規(guī)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(fā)表《中國的核安全》白皮書，系統(tǒng)描繪相關法規(guī)標準體系的建設路線圖；根據(jù)國際最新標準，修訂核安全部門規(guī)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(fā)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(tǒng)安全分析一體化軟件包 COSINE 的研發(fā)。中國廣核集團有限公司獨立研發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的核設計軟件包 PCM，據(jù)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(chǎn)核電裝備“走出去”提供了重要助力。

    （四）核安全裝備技術持續(xù)改進，裝備國產(chǎn)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(guī)島大多數(shù)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(xiàn)國內(nèi)制造；自主研發(fā)的第三代先進核電“華龍一號”設備國產(chǎn)化率超過 85%，反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、堆內(nèi)構(gòu)件等設備均由國內(nèi)制造。整體來看，核電安全的關鍵設備和材料國產(chǎn)化工作穩(wěn)步推進，除少數(shù)設備、零部件和材料外，基本實現(xiàn)自主化。

    四、我國核安全技術面臨的挑戰(zhàn)

    （一）核安全標準體系建設有待深化

    2018 年 11 月，生態(tài)環(huán)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(huán)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(yè)系列構(gòu)成，共有標準項目 111 個。然而，相關標準的數(shù)量、完整性低于核電發(fā)達國家，模塊化小堆、研究堆、核燃料循環(huán)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(zhì)量方面的規(guī)定，與相關法律、法規(guī)、規(guī)章等對于退役的規(guī)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(xiàn)條塊分割，導致核安全技術發(fā)展體系性不強、交叉與缺項問題共存?！吨腥A人民共和國核安全法》僅規(guī)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(guī)定總體及職責分工；同時在標準制定過程中，行業(yè)內(nèi)不同單位、不同堆型技術的發(fā)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(yè)標準制定，標準編制權(quán)的競爭也加劇了標準統(tǒng)一的困難。

    二是具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(shù)據(jù)較為匱乏。以核島機械設備為例，一些關鍵參數(shù)及指標缺乏相應的基礎實驗數(shù)據(jù)，標準制定仍需參考國外做法 [16]。基礎研究、基礎數(shù)據(jù)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(quán)；當國外標準升版時，國內(nèi)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(fā)統(tǒng)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(nèi)自主通用軟件的研發(fā)仍處于初級階段，與國外已開發(fā)數(shù)十年并獲得廣泛使用的通用軟件相比，在通用性、可靠性、穩(wěn)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(yè)性公認，也未形成“使用–反饋–改進”的良性循環(huán)。

    一是缺少核安全分析軟件研發(fā)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(yè)、高等院校均有參與；但研發(fā)力量更傾向于獨立實施業(yè)務，未能統(tǒng)籌資源，存在重復、交叉、缺漏等現(xiàn)象；各軟件研發(fā)主體的實驗數(shù)據(jù)、反應堆運行數(shù)據(jù)、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(gòu)建統(tǒng)一共享平臺。

    二是軟件算法、復雜現(xiàn)象等方面的基礎研究薄弱。我國在核安全分析軟件研發(fā)方面起步較晚，盡管近十年來已有明顯改觀，但整體業(yè)務仍以學習、模仿、消化吸收等方式推進；對于軟件研發(fā)基礎前沿問題，如嚴重事故現(xiàn)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(zhì)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(chǎn)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(fā)布的《核電廠安全分析計算機軟件的開發(fā)和應用》，初步建立了核電軟件開發(fā)、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(chǎn)品質(zhì)量控制體系仍需要一定周期的迭代和完善，開發(fā)者、評審者也需要進一步積累經(jīng)驗，以克服質(zhì)量控制的技術手段與意識薄弱、軟件質(zhì)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(zhàn)略，核電設備國產(chǎn)化進程不斷推進；但在發(fā)展過程中過于重視國產(chǎn)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(fā)，導致不少關鍵零部件及材料仍較多依賴進口。另外，已實現(xiàn)國產(chǎn)化的設備與材料，品質(zhì)控制需要進一步提升。

    一是產(chǎn)業(yè)政策引導、“產(chǎn)學研”結(jié)合的市場機制尚不完善。制造工藝需要在持續(xù)不斷地應用、改良過程中逐漸成熟和固化，才能實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量可控、性能穩(wěn)定并持續(xù)提升。由于不少國產(chǎn)關鍵核電設備與國外同類產(chǎn)品相比存在一定差距，核電業(yè)主往往傾向于選擇技術成熟的國外設備，導致不少國產(chǎn)設備仍停留在研究階段或工程起步階段。國產(chǎn)設備不能從實驗室、工廠走向?qū)嶋H工程應用，便不易發(fā)現(xiàn)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(nèi)企業(yè)研發(fā)能力不足，生產(chǎn)工藝改進不充分，產(chǎn)品批次一致性不高，產(chǎn)業(yè)化能力有待提升，導致國內(nèi)產(chǎn)品在可靠性、一致性方面弱于國外同類產(chǎn)品，影響了核電業(yè)主的產(chǎn)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(chǎn)化水平不斷提升的同時，國內(nèi)企業(yè)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(fā)、設計、生產(chǎn)、檢測維修）國內(nèi)裝備企業(yè)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(nèi)企業(yè)還處于摸索過程中；一些關鍵元器件（如用于輻射監(jiān)測設備生產(chǎn)的高性能探測器、光電倍增管）均依靠進口。此外，不少國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)仍停留在產(chǎn)品仿制階段，產(chǎn)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(chǎn)鎳基焊條與國外產(chǎn)品相差不大，但焊接操作性能卻明顯不足，如電弧不穩(wěn)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(zhì)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(zhì)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(zhí)行工藝紀律不夠嚴格，低級錯誤問題頻繁出現(xiàn)，設備整體質(zhì)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(xiàn)了不少質(zhì)量問題，給設備制造工期、設備造價等帶來了不利影響。

    五、我國核安全技術重點方向及發(fā)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(zhì)量持續(xù)提升，形成自主、統(tǒng)一、協(xié)調(diào)、先進并與核電發(fā)展水平相適應的核安全標準體系。

    2035 年，核電貿(mào)易國雙邊、多邊合作機制基本建成、持續(xù)推動，標準化科研、科研成果轉(zhuǎn)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(wěn)步推進，促進我國在國際核安全標準制定方面的話語權(quán)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(nèi)及海外市場的核電安全與可持續(xù)發(fā)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(fā)戰(zhàn)略與政策研究；集中科研機構(gòu)、高等院校、企業(yè)的優(yōu)勢力量，在現(xiàn)象、機理、算法理論等基礎研究方面實現(xiàn)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(gòu)開展示范應用，初步實現(xiàn)“測試–反饋–改進”的良性發(fā)展與演進提升，促進國產(chǎn)核電“走出去”。

    2035 年，核安全分析軟件實現(xiàn)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(nèi)核電業(yè)主（含其他核設施營運單位）與供應商之間形成長期可持續(xù)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(chǎn)化設備。

    2035 年，核電設備研發(fā)廠商與核電業(yè)主開展協(xié)同，保持國產(chǎn)化設備的高品質(zhì)發(fā)展，形成穩(wěn)定高效的核電設備供應鏈；通過經(jīng)驗反饋體系持續(xù)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，積累研發(fā)生產(chǎn)能力，提高國內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)化核電設備占據(jù)國際市場的較大份額。

    六、對策建議

    （一）優(yōu)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(tǒng)一體系等現(xiàn)狀，提出發(fā)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(jù)；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(quán)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(nèi)涵及發(fā)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(tǒng)籌資源、集中攻關，促進自主化核安全軟件高質(zhì)量發(fā)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(tǒng)一有序的組織協(xié)調(diào)、系統(tǒng)科學的規(guī)劃論證、全面嚴格的質(zhì)保標準、科學合理的平臺驗證、權(quán)威公正的確認機構(gòu)。建議保持自主化核安全軟件研發(fā)的統(tǒng)一管理，統(tǒng)籌相關軟件研發(fā)主體的科研資源、要素配置，建立實驗平臺、基礎數(shù)據(jù)的共享機制；加強軟件算法、機理、現(xiàn)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(zhì)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(chǎn)化裝備質(zhì)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(fā)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(fā)揮制度性優(yōu)勢，以計劃與市場兼顧的方式安排優(yōu)勢單位解決基礎性、戰(zhàn)略性、“卡脖子”問題；發(fā)揮市場的調(diào)節(jié)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(zhì)量標準體系，強化制造企業(yè)的核安全文化建設。