地下核電站是將若干座核反應堆及其控制系統、乏燃料貯存設施與處置庫共同置於地下或部分掩埋於地下的核能聯合體。地下核電站將反應堆等涉核設施布置於地下岩體或穩定的山體內，有利於防止嚴重事故下放射性物質的大規模擴散 。地下核電站安全性高，特別是極端事故下更能保護公眾安全，增加公眾接受度。此外地下核電站選址更靈活，能更加有效地利用土地資源。
基本介紹
- 中文名：地下核電站
- 外文名：Underground nuclear power plant
- 工業門類：電力工業、核工業
- 建築類別：工業建築、地下建築
- 領域：核能、能源
- 學科：核化學、核工程
國內外發展現狀,概況,國外地下核電發展,國內地下核電發展,概念,優點,存在的問題,工程造價,已建成項目,積極倡導者,
國內外發展現狀
概況
地下核電站並不是什麼新概念，關於地下核電站的研究起步很早。
自上世紀50年代第一座地面核電站由蘇聯建成以來，隨著國際冷戰日趨緊張，為提高核電設施的安全性，世界上大多數擁核國家都開展過地下核電站研究，其中包括蘇聯、美國、西德、法國、瑞士、日本、加拿大、挪威和瑞典等。1958 年前蘇聯在西伯利亞地區克拉斯諾雅爾斯克( Krasnoyarsk )附近的“K-26設施”一一現稱作熱列茲諾戈爾斯克(Zheleznogorsk) 一一中建造了三座地下鈽生產堆中的第一座，標誌著人類建成了第一座地下核電站。20 世紀70 年代，美國、加拿大、日本及其他國家研究了地下核電廠概念，研究以己有的1000 MWe 輕水堆或加拿大的850MWe 坎杜堆(CANDU) 設計為基礎，涵蓋了技術可行性、成本和安全性分析。有些研究曾將反應堆或透平發電機及其他發電部件安裝在挖好的岩洞中。
上世紀50～80年代全世界範圍內曾系統開展過地下核電站研究機構至少有以下幾個：
一、蘇聯原子能科學院、全蘇熱工研究所
二、美國加利福尼亞州能源委員會、加州理工學院
三、西德內政部、西德於希利核研究中心
四、日本貿易與工業省、國立電力工業中心研究所
五、瑞士聯邦核反應堆研究所
六、加拿大安大略水電公司
上述機構對地下核電站的研究結論：地下核電站發生事故時能夠更好地限制氣體釋放、降低假定堆芯熔化事故造成的公共衛生影響、降低地震影響並增強對外部危險和極端假設事故的防護能力。地下核電站在技術上是可行的，不存在什麼技術障礙。不過，建設必要的洞穴、隧道、堅井和井眼等將會使成本增加、工期延長。
上世紀七十年代上述西方國家在地下核電站方面的研究熱度達到頂峰，但受到美國三里島核事故、各國電力需求增長預期沒有實現、當時現存各種電源設施滿足經濟社會發展需求等因素影響，西方國家對地下核電建設的興趣開始減弱，地下核電站的研究遂趨於停滯。九十年代以來，俄羅斯和美國又開始熱衷於在礦物鹽層中建設地下核電站的研究。
中國近年來由於地下水電工程建設經驗積累豐富，對建設大型地下洞室已基本沒有技術性障礙。隨著能源緊張背景下我國對核電建設力度空前和社會民眾就核電安全性的擔憂，水電界專家學者結合地下水電建設經驗，紛紛提出建設地下核電站的倡議和構想，其中以陸佑楣院士最為積極活躍。在他和葉其蓁院士領銜下，由中國工程院啟動了我國的地下核電站建設的重大課題研究。
國外地下核電發展
20世紀50-70年代，歐洲、美洲、前蘇聯等地區及國家為渡過“能源危機”，開始大規模發展核電站。出於設成本及建設周期等方面的考慮，地面核電站成為主要形式，僅挪威、瑞典、瑞士、前蘇聯、法國等國家進行了小型地下核電站的實驗建設。同時，從核安全形度考慮，美國、加拿大等國家開始研究將大型商業核電站布置於地下的可行性及工程方案。
世界上現有地下核電站(或核設施)均為小型試驗堆或軍用堆。相比地面核電站，將核電站布置在地下不僅增加大量的地下土建工程量，也給大型核電設備的地下安裝施工等帶來額外的成本。對早期的地下核電站而言，其地下布置增加的工期和大型地下洞室的開挖，影響了核電站的經濟性。
1958年，前蘇聯在西伯利亞中部建設了世界首座地下核電站——Zheleznogorsk核電站(原名Krasnoyarsk．26)。該地下核電站1964年投產運行，採用全埋方式，將核反應堆及汽輪發電機等整體布置於地下。其中的ADE．2反應堆採用閉式循環冷卻，冷卻水未向葉尼塞河直排 。
1959年挪威建設Halden地下核電站用於實驗研究。該地下核電站採用半埋方式，僅將反應堆部分埋設於地下。反應堆採用25 Mw 的重水反應堆。目前該電站作為歐洲核安全研究的一部分，仍在運行。
隨後瑞典建設R-1實驗地下核電站和Agesta商業地下核電站，用於發電、供熱。Agesta核電站核島部分布置於地下，常規島等布置於地上。
1965年，瑞士建設Lucens實驗用小型地下核電站。該實驗反應堆建於地下洞室內，於1968年臨界，1988年退役。1969年初，Lucens地下核電站發生過堆芯熔毀的嚴重事故，由於壓力管過熱破裂導致冷卻劑泄漏，最終造成堆芯部分熔毀。儘管地下洞室放射性污染嚴重，但由於反應堆位於地下洞室內，地下岩體的包容和保護使本次事故沒有對公眾和外界自然環境產生危害。
1966 年法國和比利時合作在法國建設Chooz A地下核電站。ChooZ A核電站位於阿登高地山體內的基岩內，反應堆和核輔助設施位於2個分別開挖的、200 m深的地下洞室內，通過地下廊道連線。該核電站1961年開工建設，1967年發電，1991年停止發電。目前ChoozA地下核電站已進入退役流程。
國內地下核電發展
鑒於中國核工業的保密現狀，在迄今解密的資料中，重慶涪陵的816地下核工程最具代表性。該工程位於重慶涪陵白濤鎮、烏江左岸的大山山體中，是中國20世紀70～80年代修建的國內最大規模的涉核地下工程，主要用於民用級核燃料生產及高水平放射性核廢物的處理。工程於1966年9月開始選址、立項，1967年開工建設。至1984年停工時，洞體已完成建築工程量的85%，安裝工程量的60%，總工期歷時約17 a。
2011年，中國工程院陸佑楣院士提出，借鑑水電站大型地下廠房建設的經驗，將傍水而建的核電站移至山中；同年，長江勘測規劃設計研究院和中國核動力研究設計院在國內率先進行了地下核電自主創新研究，並在國內首次對大型地下核電站的建設可行I生進行初步研究。從地下工程方面考慮，現有的地下洞室工程實踐和技術水平完全可以滿足大型地下核電建設的需要；從核電設計方面考慮，將大型核電站核島部分布置在地下是可行的；地下核電站增加了洞室圍岩實體屏障，由於岩層對核素的包容和禁止效果好，從設計上消除了大量放射性釋放的可能性，符合國務院發布的《核電安全規劃(201 1—2020年)》對於核電站的最新要求，可進一步提高核電的安全性，增強公眾對核電站安全的信心。大型地下核電站的建設符合中國國情，公眾可接受度高。
2013年，依託長江勘測規劃設計研究院和中國核動力研究設計院完成的中國工程院重點諮詢研究項目“核電站反應堆的輔助廠房置於地下的可行性研究”，從總體布局、洞室群穩定、生態環境影響、全生命周期的安全評價及風險分析等方面系統研究地下核電站，並完成地下核電站概念設計，提出了具有自主智慧財產權的地下核電站CUP600新機型和技術方案。研究總結了地下核電站選址技術要點，選取了多個地下核電站概念設計廠址；通過對主蒸汽管道長距離傳輸、非能動高位水池和燃料傳輸距離增長對反應堆裝卸料的影響、嚴重事故後地下廠房可達性等進行分析和研究，論證了以600 Mw地面參考電站為基礎，增設非能動安全系統，對反應堆和部分核島系統進行最佳化或適應性改進設計後，地下核電站CUP600可達到第三代核電技術水平；論證了現有大型地下工程技術水平可滿足地下核電站大型洞室群建設需求；通過設定合理的消防分區、疏散通道、自動報警系統與滅火設施，可保證地下核電消防安全；通過完善的通風、排煙、除濕系統，合理地組織氣流，地下核島可獲得與地面相當的人工環境。
概念
地下核電站是將若干座核反應堆及其控制系統、乏燃料貯存設施與處置庫共同置於地下或部分掩埋於地下的核能聯合體。
根據地下核電站存在形態可分為以下三種類型：
（1）天然洞式核電站：即建造在自然形成的山洞裡的核電站）
（2）全地下式核電站：完全建在地下岩層（含鹽層）人工洞室中的核電站
（3）半地下式核電站：一半埋在地下一半加覆蓋層的核電站，即半地下式的土丘狀結構的核電站。
優點
（1）發生事故時能夠更好地限制氣體釋放
（2）降低假定堆芯熔化事故造成的公共衛生影響
（3）降低地震影響並增強對外部危險和極端假設事故的防護能力
（4）有利於保護地表自然環境
（5）有利於解決建設場地短缺問題
（6）地下核電站退役比較容易，退役成本較少
（7）因為這類核電站可建在城市附近，因而降低了輸電費用
（8）有利於減輕公眾對核電設施安全威脅的擔憂
存在的問題
（1）建造周期長
（2）由於要開掘岩石等，所以建造成本高
（3）定期檢查比較困難
（4）作出精確的抗地震分析比較困難
另外，有些間題還有待解決，由於核電站的安全要求比水電站的安全要求嚴格，目前還沒有找到能預估基岩縫隙內的塑性變形和軟岩在屈服點以上的性能的計算方法。
工程造價
關於地下核電站的在工程造價或發電成本方面與常規核電站的差異，不同研究機構基於不同岩層條件下建設的地下核電站，得出了懸殊較大的結論：
（1）西德內政部、西德於希利核研究中心：綜合各種岩層，比常規核電站造價高5～8%；
（2）日本貿易與工業省、國立電力工業中心研究所：沉積岩，比常規核電站造價高10～20%；
（3）瑞士聯邦核反應堆研究所：阿爾卑斯山岩，比常規核電站造價高11～15%；
（4）加拿大安大略水電公司：花崗片麻岩，比常規核電站造價高31～36%；
（5）美國加利福尼亞州能源委員會、加州理工學院：花崗岩，比常規核電站造價高50～60%。
已建成項目
目前世界上已經建成的地下核電站約有12座（如加上部分以供熱或實驗為主的地下反應堆裝置，總計有20餘座地下核反應堆），其中世界上第一座地下核電站“K-26”誕生於蘇聯克拉斯諾亞爾斯克邊疆區列茲諾戈爾斯克市（現名熱列茲諾戈爾斯克市），其首座反應堆於1958年投運，1964年第三座反應堆投運後開始併網發電，並為列茲諾戈爾斯克市提供熱水和城市供暖。其餘見下圖：
已建成的地下核電站積極倡導者
（1）蘇聯傑出的核物理學家、氫彈之父——安德烈·薩哈羅夫
人類不能放棄核電，所以我們必須找到技術手段來保證其絕對安全性和排斥另一個車諾比的可能性。我贊成的解決辦法是將反應堆建在深度足夠的地下，這樣即使在最壞的情況下發生意外不會釋放放射性物質進入大氣。
（《安德烈·薩哈羅夫回憶錄》p612）
