◆鄭明光 / 文

編者按

4月10日舉辦的2019年度第一期質量大講堂公益活動中，CAP1400重大專項總設計師、國際質科院院士、上海核工程研究設計院鄭明光院長以《推動核能高質量發(fā)展 建設美麗中國》為題發(fā)表演講，介紹了作為清潔能源之一的核能，在緩解不可再生資源匱乏、實現(xiàn)國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的重要作用，分享了我國四代核電技術的發(fā)展和核電安全管理的嚴謹、核電高科技的魅力。本文根據(jù)現(xiàn)場速記整理。

很多人不了解核能，也有很多人對核電帶有恐懼，其實，人類所有已知的能量形式，比如太陽能、水能、石油、煤炭等，最終的來源都是核能，是太陽內部核聚變產(chǎn)生的核能轉化成太陽能，最后通過不同的形式轉化為我們所需要的電能。

中國發(fā)展更需要核能

2018年，全球核電總裝機容量超過4億千瓦，約占電力總裝機容量的11%，年發(fā)電量占總發(fā)電量的19%。

目前，我國發(fā)電裝機容量已達到19億千瓦。其中，水電裝機容量大概是3.5億千瓦，風電1.84億千瓦，煤電10.1億千瓦，光伏1.7億千瓦，其中核電0.45億千瓦，占比約2.4%。

我國每年的總耗電量大約在6.4萬億～7萬億千瓦之間。目前，火電發(fā)電量占比仍然在70%，中國要青山綠水，要美麗中國，要幸福生活，火電不能繼續(xù)擴大了。最終落腳應是清潔能源。所以，未來的能源發(fā)展還需要多樣化，需要不同種類能源的加入來調整、優(yōu)化能源結構。一方面，火電需要提高效能、清潔燃燒，適當降低比例；另一方面，需要形式多樣的清潔能源來填補未來發(fā)展的空間——核能就是其中之一。因為核能具有資源消耗少、環(huán)境影響小、供應能力強高效穩(wěn)定等特點，而水能、風能、太陽能等都會受到自然條件、天氣條件等限制。

鈾是目前自然界中能找到的最重元素，鈾-235是放射性同位素。鈾-235原子核在吸收一個中子以后，分裂成兩個質量較小的原子核，同時放出2～3個中子和大量的能量。而新產(chǎn)生的中子，再去轟擊另一個鈾-235原子核，便引起新的裂變。這就是鏈式裂變反應，核能就連續(xù)不斷地被釋放出來。一公斤鈾-235全部發(fā)生核裂變放出的能量相當于2700噸標準煤的能量。

一個百萬千瓦的電廠，如果是火力發(fā)電每天要燒一萬噸煤，每天需要四十節(jié)車皮來供應。如果是核能發(fā)電，一年使用的燃料不到30噸，只是幾輛卡車的運輸量，而且是一年多時間才換一次燃料，對環(huán)境沒有太高要求，也沒有任何影響。所以，核電的能量密度高，部署相對容易，是快速改變能源結構、保障供給安全的良好途徑。尤其在缺乏一次性能源但經(jīng)濟發(fā)達、用電需求量大的我國東南沿海地區(qū)，核電的實用價值非常好。

核電的基本原理是從核能轉化成熱能，熱能轉化成機械能，機械能轉化成電能。在能量轉化的過程中，后端熱能轉化為電能的過程和普通發(fā)電廠一模一樣，沒什么好擔心的，而前端反應堆中核能轉熱能的過程，是大家最為擔心的，伴隨產(chǎn)生的放射性物質。作為核電站最核心部分的反應堆，現(xiàn)有的技術已經(jīng)足以保證正常情況下，不會有放射性物質被泄漏出來。那么切爾諾貝利、福島核事故又是怎么發(fā)生的呢？

從質量的角度上來講，這幾次事故都違反了質量方針。特別是1986年切爾諾貝利事故是違反操作規(guī)程和安全要求，最終造成了反應堆的爆炸，引起了放射性的擴散。福島事故從某種程度上講，是人類對于自然特點的理解還不夠正確，把核電站造得比較低，海嘯過來后把淹沒了核電站，反應堆不能有效燃燒，結果就出現(xiàn)核泄露。

基于已發(fā)生的教訓，各國對現(xiàn)有核電站都進行了不同程度的改進，安全防范能力都進一步提升。

核電技術的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段，第一代驗證了核能發(fā)電的技術可性行；第二代在進一步證明核能發(fā)電技術可行性的同時，使核電的商業(yè)性前景明朗化；第三代進一步明確了防范嚴重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求，安全性和經(jīng)濟性程度更高，是今后相當長時間發(fā)展的主要方向；第四代重點強化資源利用率、防止核擴散和多功能等要求，目前還處在原型堆技術研發(fā)階段。

當前主流的第三代核電技術，我們叫做“非能動核電技術”，利用的一些自然規(guī)律。大家知道，水是往低處流的，還有水遇熱會蒸發(fā)，遇冷會凝結。第三代非能動技術利用了這些特點，當反應堆熱量排出的時候，水溫會升高，會變成蒸汽，帶動相應的物體被加熱，遇冷的時候，蒸汽又冷凝成水，水往低處走就會流到堆心里，促使反應堆余熱導出。

福島核電站用的是“能動核電技術”，需要利用水泵、電機（能動）把水打到反應堆去。這樣，包括能動核電電機的可靠性、泵的可靠性、水源的即時有效性等，都會受到環(huán)境的影響。比如，海嘯來了以后，就把電機淹掉了，導致了電機的失效、福島的災難。

因此，“非能動核電技術”在安全標準上，在對事故的防御能力上，在對防止放射性擴散的標準上，比“能動核電技術”高出兩個量級，且可以數(shù)字化自動化運行，可靠性更高。

電力的安全就是國家安全，如委內瑞拉電網(wǎng)被攻擊，整個國家就亂了。2035年，我國想邁入世界先進國家行列，電力裝機容量就必須達到35億千瓦以上的水平，核電占比能達到國家總發(fā)電能力的20%，甚至更多一些，就對我國的總能源供應、電力供應起到了關鍵作用。

核電安全從源頭、設計環(huán)節(jié)抓起

高質量發(fā)展必須守住安全底線，核電每一步成長都與安全、質量密切相關。

中國核電于1970年起步，近50年保持安全平穩(wěn)運行。當年春節(jié)前夕，周恩來總理聽取了上海市關于華東地區(qū)缺電、上海市經(jīng)常停電、極大地阻礙了經(jīng)濟發(fā)展的情況匯報，指示說：“從長遠來看，華東地區(qū)缺煤少油，要解決上海和華東地區(qū)用電問題，要靠原子能發(fā)電。” 2月8日，上海市傳達周總理關于同意上海市研制核電站的指示精神，并動員、部署開展核電技術方案研究。上海核工院的前身——728院就是在1970年2月8日這個特殊日子成立的，中國第一座核電站也以這個特殊日子作為工程代號，命名為“728工程”。

秦山核電站的建立對我國的核電標準體系、核電質量體系、材料設備及相關技術的建設都起到了奠基性的作用，為此“728工程”獲得了國家科技進步特等獎。

1991年，秦山核電站并網(wǎng)發(fā)電，成為我國獨立自主研發(fā)設計的第一座核電站。與秦山核電站并肩前行的上海核工院隨后又設計研發(fā)了中國第一個出口核電站——恰希瑪核電站。

2007年，黨中央、國務院作出“引進先進技術、統(tǒng)一技術路線、高起點實現(xiàn)我國核電自主化”這一重大國家戰(zhàn)略決策，上海核工院又承擔起我國引進、消化、吸收三代先進核電技術AP1000，以及創(chuàng)新研發(fā)國家重大專項大型先進壓水堆CAP1400核電站的歷史重任。時至今日，我國已實現(xiàn)了核電技術的完全自主知識產(chǎn)權和獨立出口權，并構建了完整的三代核電產(chǎn)業(yè)鏈，使我國核電產(chǎn)業(yè)具備了在更高層次上參與國際競爭的實力。

質量和安全是核電的生命線，而質量和安全必須從源頭、從設計環(huán)節(jié)抓起。上海核工院以保障核安全為核心，建立了多標一體整合型管理體系和信息化平臺。大家知道，如果標準體系太多，實際操作中的效能就會降低。核電企業(yè)是知識密集型企業(yè)，有很多的管理標準，安全體系標準、性能管控標準、國家相關法規(guī)、質量體系標準等。為了提高管理效能，特別是實現(xiàn)卓越績效管理，核工院將所有的管理標準體系融為一體，實施了簡約、高效、管理職能全覆蓋的整合型管理體系，幫助不同層級的管理者和員工簡單、熟練地掌握標準體系。整個效能的提高，對于安全的保障起到了積極的作用。同時，核工院搭建了設計質量管理平臺。在充分考慮核電質量安全的前提下，將管理程序、管理手冊、實施細則等e化至設計質量管理平臺，做到凡事有章可循、凡事有人負責、凡事有人監(jiān)督、凡事有據(jù)可查。這個平臺已運行10年，有效確保了設計質量。每份設計文件至少要經(jīng)過10道審核程序以確保核安全萬無一失，也確保了核電設計文件優(yōu)良率100%（見圖1）。

圖1 整合型管理體系和設計質量管理平臺

未來，核工院里提出了管控現(xiàn)代化、設計數(shù)字化、服務精細化、運行智能化的要求。

在核電技術發(fā)展方面，我們致力于我國核電技術從跟隨到自主創(chuàng)新的根本性轉變，初步建立了先進核能標準體系。目前，形成國際標準1項、國內標準2項、行業(yè)標準158項、企業(yè)標準349項。其中，IEC 63186的成功立項，是我國核電領域第一次在國際化標準組織中主導標準制定。

實施數(shù)字化質量管控變革

環(huán)境問題是近幾年全世界面臨的最大威脅，尤其是2018年全球出現(xiàn)了前所未有的熱浪、風暴和洪水。如果碳排放不降低的話，這個趨勢還會加劇。如果放任不管的話，大約到2035年整個地球的平均溫度將上升2℃，由此引起的動蕩將不得了。最容易預測的結果，首先就是臺風將變得更加恐怖。大家知道，海水溫度上升一度，海水的表面蒸發(fā)量增加7%，這7%的蒸發(fā)量將形成巨大的臺風；原來12級臺風已經(jīng)很大了，今后有可能出現(xiàn)更高級別、破壞力更大的臺風。

將來如何做出改變？核電的發(fā)展是好路徑，太陽能、風能、水電也是非常好的補充。

工業(yè)4.0是一個全新的時代，需要質量4.0、設計4.0等作為支撐。在數(shù)字化時代，核電如何實現(xiàn)高質量發(fā)展？數(shù)字化的過程，讓我們的思考方式發(fā)生了根本性的轉變。原先，核工院制定文件、審批文件等，都有一個流程，設計數(shù)字化以后，就變成了計算機實現(xiàn)。那么，這個過程中間的判斷、法規(guī)制度的落實、專家經(jīng)驗判斷的植入，以及質量保證要求的落地，如何潤物無聲地融入其中呢？我認為，就是我們需要深入思考和實踐的一個問題。數(shù)字化的優(yōu)勢明顯，基于數(shù)字化的核電質量管理也在不斷顛覆傳統(tǒng)模式。核電領域的質量4.0是“工具級”向“體系級”提升的數(shù)字化，是“點到點”向“點面點”提升的信息化，是“設備級”向“系統(tǒng)級”提升的智能化。計算機能夠自動設計、自動選擇、自動分析，變化到哪里計算就能到哪里，大大減少人因事故發(fā)生的可能性，提高了安全性和效能。因此，對原來的數(shù)字化設計體系進行全流程的重構，是必要的。

大數(shù)據(jù)的建設是一個比較長的過程，實現(xiàn)得越快，發(fā)揮的效能就越快越高越好。依靠大數(shù)據(jù)、信息化，核工院正在進行從傳統(tǒng)質量管理向數(shù)據(jù)質量管控的變革。我們有幾個大的板塊，比如數(shù)字化研發(fā)、數(shù)字化設計、數(shù)字化驗證等。通過數(shù)字化設計技術打造型號設計母機，形成設計4.0，確保核電百年安全。但任何一個新的技術或工程設計，都是需要驗證的，驗證一般有幾種方式，第一種是試驗驗證，第二種是分析論證，第三種是比對，或者其他專家的宏觀判斷等。如果每次都要做試驗驗證的話，無論時間成本還是經(jīng)濟成本等都太高。數(shù)字化試驗可以把歷史的經(jīng)驗、調試數(shù)據(jù)等形成數(shù)據(jù)庫，對新的設計進行比對調和，這樣大大降低了驗證的成本，同時提高了效能。

數(shù)字化實踐以后，核工院的整體效能大大提高。比如，第一個核電機組（秦山核電站）的研發(fā)工作，我們當時花了20多年時間，但現(xiàn)在我們一年之內基本上可以開發(fā)兩三個機組，滿足社會發(fā)展的需要，而且未來能夠滿足訂單式的需求。這些都得益于數(shù)字化理念帶來的效率提高。

未來如何過度到真正的4.0時代？4.0時代是一個智能化的時代，對于核電來說，智能化起碼要滿足四個要求：智能診斷——在實際運行時，設備的性能、安全、質量等是不是能夠滿足要求，通過一些模型來進行比對判斷；智能監(jiān)測——通過可視化人機界面、數(shù)據(jù)等查看設備狀態(tài)；智能控制——原本都是系統(tǒng)設備來控制，智能化以后，會根據(jù)大數(shù)據(jù)、理論模型進行比對，分析當前的控制狀態(tài)，綜合性提高控制效能，并對異常狀態(tài)進行自主糾偏和恢復；智能表達——這是真正重要的，比如某核電機組運行了多年后，哪些設備有故障，哪些設備有問題，哪些設備需要預防性維修，智能表達能降低操作員的操作難度，提高對系統(tǒng)、對設備，甚至對整個專業(yè)技術的理解能力。從某種程度上，更好地保證了安全性。

最后，介紹一下我主持設計研發(fā)的重大專項CAP1400。CAP1400型壓水堆核電機組是在消化、吸收、全面掌握我國引進的第三代先進核電AP1000非能動技術的基礎上，通過再創(chuàng)新開發(fā)出的具有我國自主知識產(chǎn)權、功率更大的非能動大型先進壓水堆核電機組。單機容量150萬千瓦，每年可以發(fā)130億度電；設備運行壽命60年，實際可以運行100年；采用非能動安全系統(tǒng)，增加了電站抗擊地震、外部水淹等極端自然災難的能力，嚴重事故概率降低了100倍；在電廠斷電狀態(tài)下，反應堆可在事故發(fā)生后72小時內無須人工干預，自動保證安全。這個重大專項的實施，帶動了我國核電產(chǎn)業(yè)跨越到第三代水平，全力支撐創(chuàng)新型國家建設，也幫助核工院構建起了八大體系，包括協(xié)同創(chuàng)新體系、先進核電自主設計體系、先進核電軟件體系、先進核電標準體系、先進核電裝備供應鏈體系等。

核能是清潔、安全的，不太熟悉的人對于核電的發(fā)展可以充分放心。核電領域的相關人員對于核電有一種責任心，始終保持核電發(fā)展的底線，始終堅持安全第一、質量第一的原則，在整個設計、產(chǎn)品研發(fā)、質量管控過程中都落實這一目標。上海核工院作為中央第一代領導人關心下建立起來的企業(yè)，是伴隨著我國核電發(fā)展的實踐壯大起來的，現(xiàn)在和將來還要做更大貢獻。

編后語

鄭明光院長的演講，讓我們對未來發(fā)展核電充滿了信心。事實上，全球核電新增裝機容量近年來不斷擴大，去年創(chuàng)了新高，達到15吉瓦。目前18個國家在建的55座新反應堆中有5座是2018年開始建設的。我國在日本福島事件后已有三年未批準上馬新反應堆，但2019年開始，這一“零審批”狀態(tài)出現(xiàn)松動，已有項目獲批。我們相信，安全高效發(fā)展核電是全面進入清潔能源時代的必然選擇，是我國綠色低碳發(fā)展所不可或缺的。但安全與質量仍是底線，必須牢牢把握。