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经合组织核能机构发布2021版《现有及先进反应堆核安全研究支撑设施》

来源:中核战略规划研究总院 日期:2021年11月08日

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经合组织核能机构(OECD/NEA)2021年9月8日发布报告《现有及先进反应堆核安全研究支撑设施》。报告对现有及先进反应堆设计进行了回顾,并阐述了不同类型反应堆面临的安全问题、相关技术研究需求与研究支撑设施的现状,最后报告分别就短期和长期内核安全研究支撑设施的需求和保护措施提出建议。报告中探讨的反应堆既包括核能机构成员国目前在运的压水堆、沸水堆、重水堆等水冷堆,也包括气冷堆、钠冷快堆、熔盐堆和模块化小堆等先进反应堆。

这份报告建立在核能机构先前工作的基础之上。核能机构核设施安全委员会 2017年6月决定成立一个安全研究高级专家组 (SESAR),以更新先前对实现核安全所需的能力和设施进行的评估。核能机构在2001年就这一主题发布了报告《经合组织成员国核安全研究:面临风险的主要设施和项目》,2007年又基于一项后续活动发布了第二份报告《经合组织成员国核安全研究:现有及先进反应堆支撑设施》。核能机构此次发布报告是上述两份报告的后续报告。与先前两份报告相比,2021版报告在下述方面进行了更新:首先,这份报告将一些先进反应堆类型纳入研究范畴,如高温堆和钠冷快堆;其次,该报告指出了几种拟议的熔盐堆和模块化小堆设计中普遍存在的安全问题;最后,虽然维护实验数据库一直被视为关键问题,但是以前的报告并未就此提供具体措施,而新版报告就实验数据保存提出了一些直接建议。

自核能机构2007年发布报告《经合组织成员国核安全研究:现有及先进反应堆研究支撑设施》以来,一些研究设施已然关闭。因此,重要研究基础(即设备、能力和专业常识)的流失仍然是一个令人担忧的问题,这也是当前开展研究的主要原因。然而,核能机构2017年开展的项目使一些关键设施在2007年至2019年间得以保留。这些现存关键设施的情况在报告第1章和第4章进行了专门讨论。

在阐述现有和先进反应堆的安全问题时,2021版报告明确了核工业特有的技术问题以及核工业与其他工业共同面临的技术问题。其中核工业特有的问题包括热工水力学、核燃料、反应堆物理学、严重事故和安全壳意外现象、以及设备和结构的完整性。非核工业特有的问题包括人力和组织因素、工厂控制和监测、网络安全、外部事件、以及火灾评估。第一座问题的解决需要其他行业提供重要支撑,因此可能不需要由核设施安全委员会制订相应解决措施。总的来说,在制定参考建议时,这组问题重点关注的设施具有特定功能,不仅能用于解决第二代反应堆设计的安全问题,同时也有潜力支撑解决新兴第三代和第四代设计的安全问题。设施的独特性、更换成本(大于500万欧元)和运营成本是评估和制订解决措施的重要参考因素。

1. 短期结论和建议

核能机构在这份报告中分别就短期和长期内核安全研究设施的建设和维护提出建议。为评估短期问题,核能机构对这些设施——尤其是那些独特、用途广泛且在2021至2024年期间可能被关闭的设施——进行了检查,并鼓励核设施安全委员会尽可能多的支撑与这些设施有关的联合项目。

在热工水力领域,有三处设施短期内面临风险。其中包括支撑压水堆热工水力工作的德国初级冷却剂回路测试设备(PKL)和日本大型热工水力台架(LSTF),以及支撑轻水堆和沸水堆热工水力安全研究和严重事故与安全壳意外现象研究的瑞士PANDA设施。应该明确的是,尽管PANDA和PKL早在2001年就被确认为存在短期风险,然而这两处设施近年来一直通过核能机构联合项目应用于开展多项重要的核设施安全委员会研究计划。PANDA和PKL设施的运营部门预计将在当前项目结束之前(PANDA为2021年,PKL为2020年)提出新项目。核能机构在报告中对LSTF设施做出了相似的判断,称有迹象表明日本可能会在不久的将来提出一个新的联合项目。

在严重事故和安全壳意外现象技术领域,前文提到的PANDA设施、VERDON设施(法国)和被确定为近期面临风险的THAI设施(德国),均已在2007年的报告中被确定为处于危险之中,或被认定需要进行长期监测。未来计划利用上述各个设施开展核能机构联合项目,以证明它们在未来几年继续运行的合理性。CHROMIA平台(法国国家辐射防护和核安全研究所的裂变产物释放和运输设施)也面临风险,并且与THAI设施一样,该平台近年来也被广泛应用于核能机构联合项目中。一个新的核能机构联合项目ESTER正在进行中,该项目将同时使用CHROMIA和VERDON设施。另一个新的核能机构联合项目THEMIS也在进行中,并将使用THAI设施。

2007年以来,几座应用于核燃料和材料测试的大型多功能反应堆已经关闭。加拿大的国家研究通用反应堆和挪威的哈尔登反应堆均于2018年关闭,造成了全球范围材料和燃料测试方面的重大损失。此外,日本一个主要用于材料试验的试验反应堆(JMTR)也已经关闭。鉴于上述情况,尽管各国已经认定一些设施处于短期风险中或需要长期监测,但是国家仍需为维护或翻新此类老化或有专门用途的反应堆提供大量支撑。

目前在全世界范围内,包括 CABRI、BR-2、LVR-15、MIR、TREAT、HFR和ATR在内的各类反应堆已被确定为合适的替代设施,用于补充因关闭现有反应堆而损失的测试能力。日本的STACEY设施先前也被确定为一座替代设施,但该设施目前已关闭。此外,瑞士的CROCUS设施也可能将用作替代设施。

核能机构核科学委员会对亚临界和零功率反应堆的审查发现,自2007年报告发布以来,几座研究堆已经关闭,核能机构建议密切监测其余反应堆,其中包括比利时的VENUS,加拿大的ZED-2、捷克共和国的LR-0和日本的KUCA,这些设施近期均未存在即将关闭的危险。核能机构最近提出建立FIDES网络,旨在通过这些措施来保护现有基础设施。借助该网络以及各种辐照活动的联合项目,成员国可以参与多种与材料和燃料相关的反应堆试验计划。

最后,虽然2007年评估活动的范围仅集中在核工业特有设施上,但在本次评估中,IRSN的GALAXIE消防平台被认定为在近期内面临风险。尽管存在其他消防研究设施,但GALAXIE平台能将独立发挥效用的中型和大型设施集中在同一地点,并提供从PRISME等核能机构三期联合项目中获得的经验;因此,它特别适合解决核工业独有的一些消防安全问题,例如手套箱火灾、通过通风系统传播、电缆桥架中引发的火灾等。在当前的PRISME项目于2021年结束后,核能机构将提出一个新的联合项目。

2. 长期结论与建议

针对前两份报告结论和建议所涉及的许多因素,相关方面已采取有效措施保留处于风险中的关键设施。核能机构2021版报告中指出,在长期内应继续采取这些措施,并考虑以下因素:

  • 设施的运营和替代成本(将核设施安全委员会活动限制在需多国支撑的大型设施上)。
  • 与报告中推荐的长期保存设施清单保持一致。
  • 鉴别实验项目是否有用(即项目能否为解决一个或多个安全问题提供有用信息)的能力。
  • 长期规划以确保最重要的设施获得长期保护的最高优先级(而非基于先到先得原则)的能力。这将包括评估长期资源影响(即考虑合作计划的成本对其他项目可用资源的影响)和东道国就该设施制订的长期计划。
  • 行业参与。
  • 东道国支撑核能机构项目的承诺和能力。

基于先前安全研究高级专家组的评估和本报告第3.1节中包含的安全问题,研究机构制定了一个关键研究设施基础设施需求表,并按反应堆类型列出了可以满足这些需求的现有设施。报告在第4章中就该列表进行讨论。这些设施是独一无二、难以替代的,并在解决其技术领域问题方面发挥着重要作用。在制定长期基础设施保护战略时,核设施安全委员会宜继续关注这些设施,并酌情采取行动,确保关键设施可用于每种反应堆类型,从而满足关键研究基础设施的需求。以上建议也适用于第2章确定的为新反应堆类型开发的设施。与上述短期建议类似,东道国的承诺和长期设施计划对于保留哪些设施有重要影响。

3. 通用结论与建议

最后,核能机构在报告中提出了一系列短期和长期通用的结论和建议,具体包括:

  • 鼓励核设施安全委员会成员国继续对处于风险中的设施提供良好支撑,这已经推动了一些有价值项目的产生(例如 PKL、PANDA、GALAXIE)。
  • 正如2007年报告中所建议的,由于运行和替代成本高昂,应对试验堆的可用性进行特别审查。新的辐照实验框架 (FIDES) 和相关的联合实验计划 (JEEP) 是维持全球试验能力的重要步骤。
  • 不管新的辐照实验框架和联合实验计划是否成功,成员国必须持续关注面临风险的小型特有设施。
  • 核科学委员会(NSC)应密切关注用于支撑临界和反应堆物理规范的设施。
  • 哈尔登反应堆的关闭和随后的项目活动凸显了在国际数据库中保存关键实验数据的必要性。因此,该小组制定了一系列专门针对数据保存的建议:
  • 核能机构联合安全研究项目应明确其数据保存计划,并应规定需要将原始数据的副本发送给国家能源局进行存储。
  • 应要求核设施安全委员会工作组确定其领域的关键数据集。其中一些工作可能是通过代码验证矩阵和数据集完成的,用以支撑标准的确定和实施。
  • 建立一个跨职能(如核设施安全委员会、核科学委员会等)的核能机构任务组,以考虑应该采取哪些措施来保存关键实验数据集。这可能包括数据库的可能方案、如何筛选数据集、原始数据需要附带哪些信息等。
  • 核设施安全委员会工作组应选择适当的途径来保存每个关键数据集,并通过一些措施(如核设施安全委员会活动提案表、联合项目等)将其落实到位。

(中核战略规划研究总院 李晨曦)

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