多措并举 铸造第四代核能安全先锋

王永红 牟晋德 刘莹 李卓

“十四五”以来，中国建设进入以降碳为重要战略方向的关键时期。为实现“碳达峰、碳中和”战略目标，我国需要在非常有限的碳排放增量基础上，完成数倍的GDP提升任务，难度巨大。第四代核能因其清洁、环保、低耗等特点，成为实现“双碳”目标的有力助攻。华能集团聚焦全球第四代核电技术，积极推动核能发展。华能石岛湾核电公司作为第四代核电发展先锋军，坚持多措并举，持续推动绿色核能发展，铸造第四代核能绿安全先锋。

“十四五”以来，我国建设进入了以降碳为重点战略方向、推动减污降碳协同增效、实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期。“碳达峰、碳中和”是深入推进生态文明建设的必然选择。实现“碳达峰、碳中和”目标是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，将推动中国走出一条生态和经济协调发展、人与自然和谐共生的可持续发展之路。

华能集团作为国有重要骨干企业，在发电领域创造出数十项“全国第一”和数项“世界纪录”，为保障我国电力供应作出了重要贡献。在发展创新的同时，华能集团正在由单一的以煤电为主的发电企业向综合能源供应企业转型。在生产端，聚焦新能源发电、全球第四代核电技术等关键性、前瞻性领域；在消费端，以市场需求为导向，引导高效可靠的用能方式，推动能源转型。目前，中国华能山东石岛湾、海南昌江、福建霞浦三大沿海核电基地发展格局已经全面形成，华能核能技术研究院（华能高温堆技术研究中心）进入实体化运行阶段。

使命与挑战

华能集团在面向国家重大需求的战略高科技研究领域，勇挑现代产业链“链主”重担，以产学研合作打通创新链条，发挥产业集聚效应，整合设计研发、工程建设、设备制造、生产运营等产业链上下游500余家单位，先后攻克了核电领域多项世界性、行业性“卡脖子”关键技术，积极安全有序发展核电，使设备国产化率达到93.4%，仅首次使用的设备就有2200多台（套），创新型设备600余台（套），其中包括全球首台高温气冷堆螺旋盘管式直流蒸汽发生器等，并初步搭建起我国自主创新的第四代高温气冷堆标准体系和知识产权保护体系。

2021年12月20日，高温气冷堆核电站示范工程1号反应堆完成发电机初始负荷运行试验评价，首次并网成功，发出第一度电，标志着全球首个具有第四代先进核能系统特征的球床模块式高温气冷堆，在中国华能实现了从“实验室”到“工程应用”的质的飞跃。这对推动我国在第四代先进核能技术领域抢占全球领先优势、提升核能技术自主创新能力、满足国家积极发展核电的战略需求，具有非常重大的战略意义。

■ 按照应急管理计划，开展场外应急辐射监测演练

核能绿色安全优势

发展核电可大大减少大气污染物和温室气体排放，有利于环境质量的改善和社会经济的可持续发展。高温气冷堆作为第四代核能系统，具有良好的固有安全性，在事故下不会对公众造成损害。

其一，安全特性。高温气冷堆具有固有安全性和非能动安全性，保证在任何事故下，反应堆燃料元件的温度不超过设计限值（1620℃），不会发生堆芯熔化和放射性物质大量释放的严重后果，其安全特征有以下四个方面。

一是燃料高温性能优异。高温气冷堆采用全陶瓷型包覆颗粒燃料元件，辐照试验证明，在目标燃耗、1620℃高温下致密的SiC包覆层仍能保持其完整性，将放射性裂变产物几乎全部阻留在燃料颗粒内。

二是堆芯热容量大。高温气冷堆堆芯为石墨燃料元件，功率密度低，四周为石墨反射层，正常运行时以250℃的冷氦气流经石墨反射层中的流道，使其保持在较低的温度，如发生失冷失压事故，堆芯和石墨反射层温度上升的热容量能吸纳大量的衰变余热，延缓堆芯燃料温度的上升。

三是余热非能动载出。在正常停堆的工况下，堆芯余热可通过主传热系统，由蒸汽发生器传给二回路的启动和停堆回路，再传到大气环境最终热阱。在事故停堆的工况下，堆芯余热可仅借助于热传导、热辐射等自然机理非能动地导出，从燃料元件，经过反射层石墨砌体、堆芯壳和反应堆压力容器将热量传至余热排出系统，通过自然循环方式把热量传至大气环境最终热阱，保证燃料最高温度不超过1620℃。

四是负反应性温度系数具有很大的反应性补偿能力。反应堆具有较大的燃料和慢化剂负反应性温度系数，在正常情况下燃料元件的温度与其允许的温度限值之间有相当大的裕度，当发生正反应性引入事故时，反应堆可以通过较大的燃料温升，依靠自身的负反应性温度系数的反应性补偿能力实现自动停堆。

其二，放射性气体排放控制。高温气冷堆的安全壳和承压设备间包容了反应堆一回路压力边界及所有与一回路压力边界相连的全部氦气系统，阻止裂变气体及裂变产物向周围环境扩散，实现了对放射性气体的控制排放。

在正常运行工况下，反应堆舱室内空气中微量的氩受中子活化，以及一回路氦气的少量泄漏，使安全壳和承压设备间的空气有微弱放射性，为防止该气体向安全壳和承压设备间以外的环境扩散，采用负压排风系统，使在安全壳和承压设备间内的压力保持对周围环境-10Pa的负压，排风被高效空气过滤器净化后经排风烟囱向高空排放。

在破管事故工况下可分为以下两种状况：

一回路系统管路的破管事故中，对于小破口（Ф≤10mm） 管道的双端断裂破管事故，依靠事故负压排风系统即可将所排出的气体经高效过滤器及除碘器过滤后经排风中心烟囱向大气有序排放。

对于大破口（Ф＞10mm ）管道的双端断裂破管事故，则会造成一回路气体的快速泄漏，但此类管道均被包容在安全壳或承压设备间中，有较大扩容空间，从而减缓安全壳或承压设备间内压力的上升速度。当安全壳或其他舱室内达到压力限值时，泄压系统爆破膜会自动爆破，安全壳或承压设备间的气体会快速向环境排放。当一回路气体不再向外明显排放，安全壳或承压设备间内的压力降至接近大气压时，主控室操作人员远程控制关断泄压管上的两道电动截止阀，启动事故负压排风系统，使安全壳或承压设备间内气体通过净化排放，并保证安全壳或承压设备间的负压状态，确保事故状态下放射性气体最小化排放。

全域辐射环境监测

因核电厂核辐射的特殊性，为保证核电厂周围辐射环境安全，国家对其实施全方位监督监测。核电厂辐射环境监测的目的在于获取区域内辐射背景水平，掌握区域辐射环境质量状况和变化趋势；判断环境中放射性污染及其来源；为环境辐射水平和公众剂量提供评价依据。目前，通过国家核安全局官网，可以查询到在运核电站实时辐射环境监测数据。

核电厂自主辐射监测系统与辐射环境现场监督性监测系统（以下简称监督性监测系统）构成全域辐射环境监测体系。

核电厂自主监测。为满足石岛湾厂址核电项目建设和运行的需要，有效落实石岛湾厂址统一环境监测管理，厂址业主签署环境监测站共用技术方案，按照“分工协作、统一管理、设备共用、数据共享、对上级监管各自负责”的原则，双方共同建立环境监测管理与监测队伍，共用包括环境监测站、监测仪器、试剂器材、监测车辆等设备设施。

流出物监测管理。运行期间流出物监测的主要监测对象是核电厂向环境排放的气载和液态放射性流出物。与压水堆项目相比，高温气冷堆废液的产生量和排放量都小得多，放化实验室兼具流出物监测功能。气载放射性流出物监测系统从示范工程烟囱中抽取一定比例的气体进行气溶胶、碘及惰性气体的在线连续监测，并对气溶胶、碘、惰性气体、3H 和14C 进行取样，样品送至放化实验室进行检测分析。液态流出物监测系统在废液处理系统的两个监测水箱处设置取样口，对待排的水进行取样，送至放化实验室进行核素监测。液态流出物监测系统在排放管道设置低放液体γ活度监测仪，对排放液体进行在线连续监测。

共用环境监测站。共用环境监测站作为石岛湾厂址辐射环境监测体系的重要组成部分，站内包含总α/β测量室、γ谱仪测量室、液闪测量室、样品前处理室等各种实验室，配备高纯锗γ谱仪、低本底液闪计数器等测量分析设施设备，用于监测核电厂正常运行期间整个厂址周围环境介质中的放射性水平，为评价核电厂对环境的影响提供依据。监测内容主要包括陆地环境中γ辐射/贯穿辐射水平、陆地环境介质中放射性核素比活度、海洋环境介质中放射性核素比活度。环境介质主要包括空气、地表水和地下水、饮用水、陆生和水生生物、海水和海洋生物、土壤、水体底泥、降水和沉降灰等。高温堆环境监测人员按照环境监测大纲，开展周围50千米范围内环境监测。

环境γ辐射监测系统。高温气冷堆环境γ辐射监测系统主要测量核电站正常运行和核事故期间周围环境γ辐射剂量率，并将测量数据实时传送至环境监测数据管理信息网络；为向公众说明核电厂环境辐射影响大小提供依据；对事故时电站异常释放影响进行快速评估，为应急措施决策提供依据。按照关键居民组居住区域、最大风频下风向厂区边界区域和烟羽照射区域等选点原则，高温气冷堆环境γ辐射监测系统共建设8个监测子站，其中厂区3个子站、厂外5个子站。目前，石岛湾厂区监测子站协同按照全厂址统一布置考虑，厂区内站点各自单独考虑。双方系统互相预留相关数据发送和接收接口，数据共享，形成统一的厂址环境γ辐射监测数据。

监督性监测系统。监督性监测系统由外围辐射环境监测系统和流出物监测系统组成。外围辐射环境监测系统由监测子站和前沿站构成，主要用于对环境辐射水平及相关气象参数、样品中放射性物质等进行监测和采样分析，系统兼顾核事故应急环境辐射监测。石岛湾核电厂址监督性监测系统按满足石岛湾厂址高温气冷堆示范工程、CAP1400示范工程以及“华龙一号”扩建工程共用需求进行规划建设。根据核电站厂址主导下风向、居民密集区、站址便利性等选点原则，石岛湾厂址监督性监测系统共建设了12个监测子站。前沿站设置环境实验室、数据汇总中心。环境实验室用于对核电厂周围进行样品采集、处理、测量分析；数据汇总中心对监测子站及流出物监测数据进行汇总处理并对外传输。2020年12月，监督性监测系统完成预验收，并移交至山东省核与辐射安全监测中心进行运行和管理。

2021年8月21日，高温气冷堆核电站示范工程首批核燃料装入反应堆，高温堆进入“带核运行”状态。石岛湾核电厂址全域辐射环境监测全面启动。截至2022年4月，环境监测数据均处于本底水平，未出现数据异常。放射性流出物排放比活度未超过排放限制值，各核素组月排放总量均未超过年排放限值的1/12，连续三个月排放总量未超过年排放限值的1/4，满足流出物正常排放管理要求。

应急辐射监测。华能石岛湾核电公司构建了完善的应急组织体系、应急管理体系和应急设施设备。应急环境监测响应期间，通过环境γ辐射剂量计自动监测并实时获取、固定站样品采集、TLD应急辐射监测、应急外环境巡测、环境监测站应急样品分析及适时海上应急监测等应急监测手段，及时掌握事故现场污染状况，准确上报监测结果，为最大限度地控制和减少事故造成的后果和危害提供科学依据。

华能石岛湾核电公司遵循“常备不懈、积极兼容、统一指挥、大力协同、保护公众、保护环境”的核事故应急管理工作方针，按照应急管理计划，开展各项突发事件应急演习和场内核事故应急演习，加强电站应急响应能力，确保在发生事故时能及时响应，快速有效地控制事故并减轻其后果，切实履行保护电厂、保护环境、保护电厂职工、保护公众安全的职责。

辐射影响评价

根据2021年8月高温堆示范工程装料以来放射性物质的排放量、厂址环境特征以及公众生活习惯和食物链等参数，采用适合厂址特征的放射性物质在周围大气和水体中的传输、扩散和沉积模式以及公众辐射剂量计算模式，计算周围80千米范围内各子区公众的个人有效剂量和集体有效剂量，并对关键居民组、关键照射途径和关键核素进行计算分析和评价。辐射影响评价的方法是以模式计算为主，采用放射性流出物实际监测值作为核素的源项，选择适当的环境迁移模式和剂量估算模式以及相应的计算参数，通过专门的计算软件完成居民剂量计算，对环境质量做出分析和评价。2021年高温堆示范工程流出物排放所致公众辐射影响有限，远远小于国标规定值。

总结

高温气冷堆在核能发电、热电冷联产及高温工艺热规模制氢等领域商业化应用前景广阔，是我国优化能源结构、保障能源供给安全、实现“双碳”目标的重要路径。华能石岛湾高温气冷堆示范工程成功并网发电，标志着我国实现了全球第四代核电技术的“中国引领”。华能石岛湾公司坚持以生态优先、绿色发展为导向的高质量发展思路，多种措施并举，全方位监控，助力生态文明，大力实施低碳清洁发展战略；不忘初心，牢记使命，始终坚持“安全第一、质量第一”的方针，持续深化核安全管理能力建设，安全高效推进石岛湾核电基地开发建设，为推动我国核电自主化发展及山东省新旧动能转换和半岛蓝色经济区建设做出积极贡献。

高温气冷堆核电站示范工程将继续做好华能集团核能发展的先锋军、第四代核能人才的孵化器，进一步强化成果凝练，推动设计优化，制定国家层面的相关标准、规范、导则等，及时出台高温气冷堆批量化、规模化发展规划。华能集团也将积极推动高温气冷堆商业化推广应用工作，通过深化研究、技术进步，不断降低工程造价，为高温气冷堆商业化推广应用提供良好环境。