地下核工程

国内外发展现状概况

地下核电站并不是什么新概念，关于地下核电站的研究起步很早。

自上世纪50年代第一座地面核电站由苏联建成以来，随着国际冷战日趋紧张，为提高核电设施的安全性，世界上大多数拥核国家都开展过地下核电站研究，其中包括苏联、美国、西德、法国、瑞士、日本、加拿大、挪威和瑞典等。1958 年前苏联在西伯利亚地区克拉斯诺雅尔斯克( Krasnoyarsk )附近的“K-26设施”一一现称作热列兹诺戈尔斯克(Zheleznogorsk) 一一中建造了三座地下钚生产堆中的第一座，标志着人类建成了第一座地下核电站。20 世纪70 年代，美国、加拿大、日本及其他国家研究了地下核电厂概念，研究以己有的1000 MWe 轻水堆或加拿大的850MWe 坎杜堆(CANDU) 设计为基础，涵盖了技术可行性、成本和安全性分析。有些研究曾将反应堆或透平发电机及其他发电部件安装在挖好的岩洞中。

上世纪50～80年代全世界范围内曾系统开展过地下核电站研究机构至少有以下几个：

一、苏联原子能科学院、全苏热工研究所

二、美国加利福尼亚州能源委员会、加州理工学院

三、西德内政部、西德于希利核研究中心

四、日本贸易与工业省、国立电力工业中心研究所

五、瑞士联邦核反应堆研究所

六、加拿大安大略水电公司

上述机构对地下核电站的研究结论：地下核电站发生事故时能够更好地限制气体释放、降低假定堆芯熔化事故造成的公共卫生影响、降低地震影响并增强对外部危险和极端假设事故的防护能力。地下核电站在技术上是可行的，不存在什么技术障碍。不过，建设必要的洞穴、隧道、坚井和井眼等将会使成本增加、工期延长。

上世纪七十年代上述西方国家在地下核电站方面的研究热度达到顶峰，但受到美国三里岛核事故、各国电力需求增长预期没有实现、当时现存各种电源设施满足经济社会发展需求等因素影响，西方国家对地下核电建设的兴趣开始减弱，地下核电站的研究遂趋于停滞。九十年代以来，俄罗斯和美国又开始热衷于在矿物盐层中建设地下核电站的研究。

中国近年来由于地下水电工程建设经验积累丰富，对建设大型地下洞室已基本没有技术性障碍。随着能源紧张背景下我国对核电建设力度空前和社会民众就核电安全性的担忧，水电界专家学者结合地下水电建设经验，纷纷提出建设地下核电站的倡议和构想，其中以陆佑楣院士最为积极活跃。在他和叶其蓁院士领衔下，由中国工程院启动了我国的地下核电站建设的重大课题研究。

国外地下核电发展

20世纪50-70年代，欧洲、美洲、前苏联等地区及国家为渡过“能源危机”，开始大规模发展核电站。出于设成本及建设周期等方面的考虑，地面核电站成为主要形式，仅挪威、瑞典、瑞士、前苏联、法国等国家进行了小型地下核电站的实验建设。同时，从核安全角度考虑，美国、加拿大等国家开始研究将大型商业核电站布置于地下的可行性及工程方案。

世界上现有地下核电站(或核设施)均为小型试验堆或军用堆。相比地面核电站，将核电站布置在地下不仅增加大量的地下土建工程量，也给大型核电设备的地下安装施工等带来额外的成本。对早期的地下核电站而言，其地下布置增加的工期和大型地下洞室的开挖，影响了核电站的经济性。

1958年，前苏联在西伯利亚中部建设了世界首座地下核电站——Zheleznogorsk核电站(原名Krasnoyarsk．26)。该地下核电站1964年投产运行，采用全埋方式，将核反应堆及汽轮发电机等整体布置于地下。其中的ADE．2反应堆采用闭式循环冷却，冷却水未向叶尼塞河直排。

1959年挪威建设Halden地下核电站用于实验研究。该地下核电站采用半埋方式，仅将反应堆部分埋设于地下。反应堆采用25 Mw 的重水反应堆。目前该电站作为欧洲核安全研究的一部分，仍在运行。

随后瑞典建设R-1实验地下核电站和Agesta商业地下核电站，用于发电、供热。Agesta核电站核岛部分布置于地下，常规岛等布置于地上。

1965年，瑞士建设Lucens实验用小型地下核电站。该实验反应堆建于地下洞室内，于1968年临界，1988年退役。1969年初，Lucens地下核电站发生过堆芯熔毁的严重事故，由于压力管过热破裂导致冷却剂泄漏，最终造成堆芯部分熔毁。尽管地下洞室放射性污染严重，但由于反应堆位于地下洞室内，地下岩体的包容和保护使本次事故没有对公众和外界自然环境产生危害。

1966 年法国和比利时合作在法国建设Chooz A地下核电站。ChooZ A核电站位于阿登高地山体内的基岩内，反应堆和核辅助设施位于2个分别开挖的、200 m深的地下洞室内，通过地下廊道连接。该核电站1961年开工建设，1967年发电，1991年停止发电。目前ChoozA地下核电站已进入退役流程。

国内地下核电发展

鉴于中国核工业的保密现状，在迄今解密的资料中，重庆涪陵的816地下核工程最具代表性。该工程位于重庆涪陵白涛镇、乌江左岸的大山山体中，是中国20世纪70～80年代修建的国内最大规模的涉核地下工程，主要用于民用级核燃料生产及高水平放射性核废物的处理。工程于1966年9月开始选址、立项，1967年开工建设。至1984年停工时，洞体已完成建筑工程量的85%，安装工程量的60%，总工期历时约17 a 。

2011年，中国工程院陆佑楣院士提出，借鉴水电站大型地下厂房建设的经验，将傍水而建的核电站移至山中；同年，长江勘测规划设计研究院和中国核动力研究设计院在国内率先进行了地下核电自主创新研究，并在国内首次对大型地下核电站的建设可行I生进行初步研究。从地下工程方面考虑，现有的地下洞室工程实践和技术水平完全可以满足大型地下核电建设的需要；从核电设计方面考虑，将大型核电站核岛部分布置在地下是可行的；地下核电站增加了洞室围岩实体屏障，由于岩层对核素的包容和屏蔽效果好，从设计上消除了大量放射性释放的可能性，符合国务院发布的《核电安全规划(201 1—2020年)》对于核电站的最新要求，可进一步提高核电的安全性，增强公众对核电站安全的信心。大型地下核电站的建设符合中国国情，公众可接受度高。

2013年，依托长江勘测规划设计研究院和中国核动力研究设计院完成的中国工程院重点咨询研究项目“核电站反应堆的辅助厂房置于地下的可行性研究”，从总体布局、洞室群稳定、生态环境影响、全生命周期的安全评价及风险分析等方面系统研究地下核电站，并完成地下核电站概念设计，提出了具有自主知识产权的地下核电站CUP600新机型和技术方案。研究总结了地下核电站选址技术要点，选取了多个地下核电站概念设计厂址；通过对主蒸汽管道长距离传输、非能动高位水池和燃料传输距离增长对反应堆装卸料的影响、严重事故后地下厂房可达性等进行分析和研究，论证了以600 Mw地面参考电站为基础，增设非能动安全系统，对反应堆和部分核岛系统进行优化或适应性改进设计后，地下核电站CUP600可达到第三代核电技术水平；论证了现有大型地下工程技术水平可满足地下核电站大型洞室群建设需求；通过设置合理的消防分区、疏散通道、自动报警系统与灭火设施，可保证地下核电消防安全；通过完善的通风、排烟、除湿系统，合理地组织气流，地下核岛可获得与地面相当的人工环境。

概念

地下核电站是将若干座核反应堆及其控制系统、乏燃料贮存设施与处置库共同置于地下或部分掩埋于地下的核能联合体。

根据地下核电站存在形态可分为以下三种类型：

（1）天然洞式核电站：即建造在自然形成的山洞里的核电站）

（2）全地下式核电站：完全建在地下岩层（含盐层）人工洞室中的核电站

（3）半地下式核电站：一半埋在地下一半加覆盖层的核电站，即半地下式的土丘状结构的核电站。

优点

（1）发生事故时能够更好地限制气体释放

（2）降低假定堆芯熔化事故造成的公共卫生影响

（3）降低地震影响并增强对外部危险和极端假设事故的防护能力

（4）有利于保护地表自然环境

（5）有利于解决建设场地短缺问题

（6）地下核电站退役比较容易，退役成本较少

（7）因为这类核电站可建在城市附近，因而降低了输电费用

（8）有利于减轻公众对核电设施安全威胁的担忧

存在的问题

（1）建造周期长

（2）由于要开掘岩石等，所以建造成本高

（3）定期检查比较困难

（4）作出精确的抗地震分析比较困难

另外，有些间题还有待解决，由于核电站的安全要求比水电站的安全要求严格，目前还没有找到能预估基岩缝隙内的塑性变形和软岩在屈服点以上的性能的计算方法。

工程造价

关于地下核电站的在工程造价或发电成本方面与常规核电站的差异，不同研究机构基于不同岩层条件下建设的地下核电站，得出了悬殊较大的结论：

（1）西德内政部、西德于希利核研究中心：综合各种岩层，比常规核电站造价高5～8%；

（2）日本贸易与工业省、国立电力工业中心研究所：沉积岩，比常规核电站造价高10～20%；

（3）瑞士联邦核反应堆研究所：阿尔卑斯山岩，比常规核电站造价高11～15%；

（4）加拿大安大略水电公司：花岗片麻岩，比常规核电站造价高31～36%；

（5）美国加利福尼亚州能源委员会、加州理工学院：花岗岩，比常规核电站造价高50～60%。

已建成项目

目前世界上已经建成的地下核电站约有12座（如加上部分以供热或实验为主的地下反应堆装置，共计有20余座地下核反应堆），其中世界上第一座地下核电站“K-26”诞生于苏联克拉斯诺亚尔斯克边疆区列兹诺戈尔斯克市（现名热列兹诺戈尔斯克市），其首座反应堆于1958年投运，1964年第三座反应堆投运后开始并网发电，并为列兹诺戈尔斯克市提供热水和城市供暖。其余见下图：

已建成的地下核电站

积极倡导者

（1）苏联杰出的核物理学家、氢弹之父——安德烈·萨哈罗夫

人类不能放弃核电，所以我们必须找到技术手段来保证其绝对安全性和排斥另一个切尔诺贝利的可能性。我赞成的解决办法是将反应堆建在深度足够的地下，这样即使在最坏的情况下发生意外不会释放放射性物质进入大气。

（《安德烈·萨哈罗夫回忆录》p612）

（2）美国杰出的核物理学家、氢弹之父——爱德华·特勒：

“针对核事故中防止核泄漏，我的建议是300～1000英尺的地下放置核反应堆......”，我认为公众对核设施风险的误解，只能通过地下选址这样一个明确的措施才能予以纠正。

（《爱德华·特勒回忆录》，p565）

（3）中国工程院院士、原能源部副部长、原长江三峡总公司总经理——陆佑楣

“地下核电站是未来电力发展的可行选择”。

“地下核电站既能解决内陆核电的核恐惧问题，又可以就近供应中东部地区电力负荷中心，减小输电成本”。