“雙碳”目標驅動核電站建設交叉學科發(fā)展研究

摘要：綠色低碳高效的核能發(fā)電是我國實現“碳達峰，碳中和”戰(zhàn)略目標（簡稱“雙碳”目標）的重要途徑之一，然而核能科學與土木工程交叉學科（核電站建設）發(fā)展緩慢成為制約核能發(fā)展的關鍵問題。以滿足“雙碳”目標的國家需求為導向，構建了“核紅色文化”“知識新體系”和“核建筑新科技”三位一體發(fā)展新模式。提出了課程思政與核安全文化的互動融合，構建了“核紅色文化”及其教育；表明了核能安全與結構性能提升的內在統(tǒng)一，構建了核建筑全壽命低碳發(fā)展的新知識體系；歸納了“雙碳”目標與核建設新技術的關系，形成了核建設科技創(chuàng)新發(fā)展模式。研究成果為核電站建設交叉學科提供了快速發(fā)展路徑。

關鍵詞：“雙碳”目標；核電站建設；核能應用；土木工程；交叉學科

中圖分類號：G643 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2024）06-0058-08

為了應對全球氣候變暖、南北極冰川融化、極端惡劣天氣等事件對全人類生存環(huán)境的影響，習近平總書記于2020年9月22日在聯合國第75屆大會上率先宣布了“2030碳峰值、2060碳中和”目標。隨后，我國成立了碳達峰、碳中和工作領導小組，發(fā)布了《2030年前碳達峰行動方案》《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030年）》等系列措施［1］，旨在推動我國的能源結構轉型，促進清潔能源推廣，提高能源利用效率，降低碳排放水平，實現“雙碳”目標。

核能發(fā)電是“零碳”綠色能源體系的基荷電源，是唯一可大規(guī)模替代煤炭發(fā)電，并可以提供全時段穩(wěn)定高效能源的電源形式［2］。全球統(tǒng)計數據表明，2020年核電提供了全球約1/3的綠色電力，減少了29億噸的當量碳排放量，相當于10%全球能源碳排放量；而我國的核電當量減排量僅2.74億噸［3］。在“雙碳”目標推動下，我國核電建設必將穩(wěn)步發(fā)展。僅2022年，我國核準了10臺核電機組，創(chuàng)下了近十年來核準核電站數量最高的紀錄［4］。隨著“華龍一號”和“AP1000”核電站等成功發(fā)電，我國正在逐漸成為核電強國和核能碳減排大國。

隨著核能發(fā)電快速發(fā)展，核電站建設人才教育缺乏已經成為制約核能發(fā)展的關鍵問題。這主要源于兩方面：一是，核電站建設需要大量的核建設人才。核電站屬于大型工程項目，一臺核電機組從澆灌第一罐混凝土到商業(yè)運行，一般需要5～6年，需要各類建設技術和管理人員上千人。由于核電站建設的特殊安全和技術要求，導致對人才專業(yè)性要求高，可替代性差［5］。二是，我國缺少培養(yǎng)核電站人才的高校。雖然有超過300所大學開設了土木工程本科專業(yè)，涵蓋了建筑、公路、橋梁、水利和環(huán)境等領域，但目前還沒有關于核電站建設的本科專業(yè)或研究生專業(yè)的高校［6］。根據我國核能行業(yè)協會預計，“十四五”期間我國保持每年6～8臺核電機組開工計劃，因此，核建設人才的培養(yǎng)問題愈發(fā)突出。

為了滿足我國核電站建設人才培養(yǎng)的需求，以“雙碳”目標國家需求為驅動力，提出以核電站全壽期安全和核電站建設人才培養(yǎng)為兩個中心，建立“紅色核文化”“知識新體系”與“建筑新科技”的“三結合、兩中心、一目標”交叉學科發(fā)展模式，旨在實現文化傳承、學術引領和科技創(chuàng)新的互動發(fā)展，研究成果可為核電站建設交叉學科提供快速發(fā)展路徑。

一、核紅色文化

安全文化是核行業(yè)文化典型代表，由國際原子能機構（IAEA）總結蘇聯切爾諾貝利事故后提出，已經成為全世界核電站的基本管理原則之一［7］。而課程思政是落實黨中央要求“立德樹人”的重要途徑，也是培養(yǎng)我國合格建設者和可靠接班人的重要舉措。自2004年以來，廣大教育工作者對課程思政的基本內涵、價值意蘊、邏輯關系和實施路徑等關鍵內容進行了深入的研究和廣泛的討論，課程思政建設得以快速發(fā)展［8］。眾所周知，我國核工業(yè)隨著原子彈的誕生而產生，伴隨國防工業(yè)的發(fā)展而壯大。因此，“滿足國家需求”是我國核電行業(yè)文化具有的顯著的紅色基因。2014年國家核安全局會同國家能源局和國防科工局聯合發(fā)布了《核安全文化政策聲明》，2017年國家核安全局發(fā)布了《核安全文化特征》《中華人民共和國核安全法》，對核安全文化建設、核安全文化教育機制等提出了明確要求?！昂思t色文化”概念的提出基于《核安全文化政策聲明》《核安全文化特征》《中華人民共和國核安全法》的指導和要求，可在基礎性教育層面對上述文件進行補充。基于此，本文旨在探索課程思政與核安全文化的協同發(fā)展，通過在核電站建設過程中注入紅色文化和核安全理念，為培養(yǎng)符合“雙碳”目標需求的核電站建設人才提供文化育人土壤。

（一） 我國核文化的紅色基因

“紅色文化”在我國核工業(yè)的起源、成長和發(fā)展過程中一直發(fā)揮著引領作用?；仡櫄v史，我國核工業(yè)起步于20世紀50年代末，當時面臨著西方的制裁和技術封鎖，同時遭受蘇聯專家撤走的打擊和連續(xù)的自然災害。在一系列困難面前，依靠“獨立自主”“自力更生”和“艱苦奮斗”的精神，我國逐漸建立了核能開發(fā)、核燃料生產、核設施建設和運營等完整的核工業(yè)體系。隨著改革開放的發(fā)展，我國核行業(yè)憑借“軍工報國，為國爭光”的信念，成功從軍工行業(yè)轉向民用核電站。秦山核電站的自主設計、自主建造和自主運行，以及向巴基斯坦成功出口恰?，敽穗娬?，表明我國核工業(yè)已具備了百萬千瓦級核電站全產業(yè)鏈研發(fā)設計的能力。

進入21世紀，面對日本福島核事故的不利影響，我國核工業(yè)依據“引進、消化、吸收、創(chuàng)新和自主創(chuàng)造”的發(fā)展路線，成功研發(fā)出擁有自主知識產權的“華龍一號”等堆型三代核電技術。華龍一號在核安全、經濟性、可靠性和可持續(xù)發(fā)展等方面取得了顯著成就，創(chuàng)下了世界核電站建設速度、發(fā)電速度和海外出口堆型等多項世界紀錄，體現了“為國爭光，勇攀高峰”的紅色文化精神。我國核工業(yè)發(fā)展的歷程鑄就了獨特的具有紅色基因的核安全文化——“核紅色文化”，包含“自力更生，艱苦奮斗，軍工報國，甘于奉獻，為國爭光，勇攀高峰”的精神內涵。當前，“雙碳”目標又成為我國核行業(yè)服務國家需求的新征程。與國外核安全文化相比，我國核紅色文化具有以下優(yōu)點。

1. 國家利益至上

西方國家核安全文化強調個人權利、透明度和民主參與；而我國核安全文化強調國家利益。我國將核安全視為國家安全的一部分，對核安全的重視程度較高。

2. 安全管理嚴格

西方國家核安全責任分配相對分散，政府、運營商和民眾等各方共同參與，因此核安全管理過度依賴法律法規(guī)和獨立監(jiān)管機構。而我國核安全行為和決策以國家利益為基準，核安全的主導和管理由政府和核電企業(yè)承擔，政府在核安全決策和監(jiān)管方面發(fā)揮主導作用，核電企業(yè)在保證核安全方面發(fā)揮保障作用。通過政府和企業(yè)共同管理，保證全體民眾在核安全中發(fā)揮作用。

3. 安全紀律嚴格

西方國家核安全文化主要強調事故預防、風險管理和事故應急響應等，側重制度建設、技術創(chuàng)新和經驗教訓的總結，但對人為事故的管理偏弱。而我國核安全文化更加強調安全的科學性，嚴格執(zhí)行安全紀律、安全生產和法律規(guī)定，注重貫徹安全記錄、安全培訓和安全行為。

我國核安全文化的特征凸顯了滿足國家需求的“紅色文化”，在核能應用價值觀和行為習慣中強調國家利益、安全管理和紀律嚴格等核安全精神［9］。我國核紅色文化為核安全建設提供了有力保障。

（二） 課程思政與核紅色文化的協同育人

為了充分發(fā)揮核紅色文化在核電站建設課程思政中的作用，將核紅色文化元素融入課程思政教學。核紅色文化可以增強學生的愛國主義情感和社會責任感，推動學生為滿足國家需要而主動學習。核紅色文化為核建設課程思政提供了生動的案例和新的實踐方式，豐富了專業(yè)思政課程的教學內容和實踐方法，為解決核建設課程思政“立德樹人”的根本問題提供了全新的思路與切實可行的途徑［9］。

核安全文化是培養(yǎng)核建設人才的必備教育內容。通過核建設課程思政的教學，可以將核紅色文化植入學生的文化習慣。根據習近平總書記提出的“思政教育要從維護國家意識形態(tài)安全、培養(yǎng)社會主義建設者和接班人的高度來抓好”指示，提出“核紅色文化與國家需求結合”“核思政教育與新技術結合”“核建設發(fā)展與個人發(fā)展結合”三結合教育模式，實現了核紅色文化與課程思政的互動發(fā)展。

1. 核紅色文化以滿足國家需求為基本內涵

通過課程思政，重點講述核建設發(fā)展的核心價值觀、優(yōu)良傳統(tǒng)和人物事跡等內容。結合當前實際情況，強調核能發(fā)電在實現“雙碳”目標中不可替代的作用，闡明核建設如何滿足國家不同時代的需求。通過培養(yǎng)學生對核紅色文化精神的繼承和發(fā)揚，強化他們的愛國主義情感、社會責任感和學習參與核建設的自豪感。

2. 核思政教育與新技術結合

在核建設思政教育過程中，采用動畫多媒體的形式生動地講述核安全意識、核安全行為和核安全管理等思政教學內容，培養(yǎng)學生的安全意識和責任意識等。同時，重點介紹核能建設領域的人工智能應用和技術創(chuàng)新，使學生了解核電站建設與高新技術發(fā)展結合的應用情況及案例等，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和應對未來挑戰(zhàn)的能力。

3. 核建設發(fā)展與個人發(fā)展結合

將核建設與國家需求“雙碳”目標相結合，引導核電站建設學生將個人發(fā)展與國家發(fā)展需求相融合。通過講授核能發(fā)展在“雙碳”目標中不可替代作用，闡明核能在國家能源安全中的重要貢獻和應用前景，激發(fā)學生對核能事業(yè)的興趣和熱愛，并引導其將個人的發(fā)展目標與國家的需求相結合。

通過上述三結合教學模式，可以幫助學生深入理解核能發(fā)展與國家需求、個人發(fā)展和時代同步的密切關系，使其成為具有核紅色文化基因的核能建設人才。

二、核電站建設的新知識體系

核電站建設在廠址選取、安全理念、設計方法、建造過程和退役治理等全壽期階段與常規(guī)火力發(fā)電有顯著的差異。同時，智能人工技術、結構振動控制等新技術和“雙碳”目標等新需求也將產生核電站建設新的知識點。基于這些考慮，本文研究構建了適應核建設需求的人才培養(yǎng)新知識體系。

（一） 核電站建設的特殊需求

核電站建筑有很多特殊功能需求。以大型壓水堆核電站為例，它的主要功能系統(tǒng)包括：產生熱能的核反應堆系統(tǒng)，熱能轉化為蒸汽的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，控制反應堆溫度的冷卻系統(tǒng)，防止事故發(fā)生的安全系統(tǒng)，放射性廢物處理系統(tǒng)，以及輻射防護系統(tǒng)等，如圖1所示［10］。圖1中，第1道屏障為燃料芯塊和包殼，將核燃料及其裂變產物封閉起來，防止燃料裂變產物和放射性物質進入一回路水中；第2道屏障為壓力容器和一回路壓力邊界，能包容高溫和高壓的反應堆冷卻劑，防止放射性物質泄漏到反應堆廠房中；第3道屏障為安全殼，既能抵御外部破壞，還能在最嚴重事故情況下防止放射性物質進入環(huán)境。這些系統(tǒng)協同作用，確保核能發(fā)電安全可靠地運行。為了滿足核電站各個系統(tǒng)的安全工作，核建筑除了提供強度、剛度和穩(wěn)定性等結構功能外，還必須滿足以下特殊需求。

（1）輻射屏蔽功能：為了保護工作人員和公眾免受輻射的危害，核電站的某些建筑物，如安全殼，必須保證完整性、密封性和安全性，防止放射性物質泄漏［11］。

（2）核設備工作和維修功能：核建筑必須為核電站的各種設備和系統(tǒng)提供可靠支撐，并提供便于多種設備的檢修、維護和日常運營的操作平臺。

（3）防災安全功能：核建筑需要具備良好的抗震、抗風等防災功能，防止地震、風暴等自然災害引發(fā)的核電站破壞；還需要具備防火、防爆、防大飛機撞擊等功能，防止人為事故對核電站造成嚴重不利影響。

（4）核退役功能：由于核建筑物在核電站運行過程中可能受到放射性物質的污染，核建筑應該具有良好的防止放射性物質污染和便于去污等性能，且具有核退役結構耐久性和污染控制性能等核退役功能。

（5）核建筑碳減排功能：因為核能發(fā)電的零碳工作建立在核建筑安全工作的基礎上，所以提高核建筑安全性能就是保證核能減排功能。同時，建筑結構的裝配式、模塊化和綠色建材等低碳研究成果，也可以應用于提升核建筑碳減排功能。

傳統(tǒng)建筑結構不能滿足核電站特殊需求。核建設教育需要建立包括核電站建筑的廠址選取評價方法、荷載及事故防災方法、結構分析與設計等設計方法，從設計源頭確保核電站建筑安全性和功能性；需要科學地選取建筑結構與材料，滿足核電站高溫、高壓和輻射等特殊環(huán)境的要求；需要注重環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展，以確保核電站建設與周邊環(huán)境的協調與平衡；需要掌握核工程管理知識，以確保核建設復雜工程順利完成；需要掌握核電站運營與維護知識，以確保核系統(tǒng)運行和設備的維護；需要了解核電站退役治理方法、放射性廢物的處理與儲存技術等方面的知識，以確保核電站的安全退役。從核電站全壽期角度看，需要建立滿足核電站建設需求的知識新體系，為核電站建設和運營提供全面支持。

（二） 核電站建設的課程體系

以滿足核建設特殊需求為主線，基于核電站全壽期安全和核電站建設人才培養(yǎng)為兩個中心，本文構建了“基礎理論課+交叉融合課+能力拓展課+校企共建課”四位一體課程體系。同時，根據“雙碳”目標的新需求對文獻［12］的相關內容進行了補充優(yōu)化，該體系包括以下幾個方面。

1. 基礎理論課程

旨在夯實學生的基礎理論知識、基礎知識和基本能力。主要包括反應堆結構力學、有限元原理與結構分析、核反應堆工程等課程，為學生分析和設計核建設提供堅實的發(fā)展基礎。

2. 交叉融合課程

實現核學科、土木工程學科交叉融合，包括核能安全與結構工程的交叉專業(yè)知識融合。主要包括核電建設安全文化、核電站設計方法、核電站安全防護等課程。該類課程提高了學生掌握交叉學科的核心知識和思維能力。

3. 能力拓展課程

旨在培養(yǎng)學生專業(yè)能力和創(chuàng)新科技素養(yǎng)。以學生為中心開設核電站新型結構與地震安全、智能核電站結構等課程，增設核電站與減少碳排放創(chuàng)新課程服務國家“雙碳”目標。

4. 校企共建實踐課程

著重解決核電建設領域的難點和痛點問題，如核電站抗震設計、安全殼結構設計、核電站結構安全分析等。采用“企業(yè)專家為主、校內教師為輔、校內外教師共同授課”的全新模式提升學生解決復雜現場問題的能力。

“四位一體”的課程體系包括基礎理論課程、交叉融合課程、能力拓展課程和校企共建課程等全方位培養(yǎng)模式。該課程體系為培養(yǎng)滿足核電站建設交叉學科人才提供了良好的知識育人模式。

三、核電站建筑新技術

隨著建筑信息模型（BIM）技術、數字核電、智能運維等的發(fā)展，應用新科技提高核電站建設安全性成為備受關注的課題。同時，“雙碳”目標需求驅動核電站建筑減碳新技術的發(fā)展。

（一） 核電站智能建筑

核建筑的核心功能是滿足核電站的安全需求，防止其受到損傷。結構健康監(jiān)測技術是一種防止結構損傷的新技術，已成功應用于航空航天、交通運輸和路橋隧道等領域。結構健康監(jiān)測通過無損傳感技術獲取結構及其響應信息，分析環(huán)境和載荷特征、結構幾何特征、材料性能及其演化規(guī)律等，識別結構損傷特征，提供災害預警、維修和報廢等策略和過程，反演給出結構設計和建造等優(yōu)化信息［13］。針對核電站傳統(tǒng)檢測方式存在的測量誤差大、檢測效率低、作業(yè)安全風險大、智能化程度低及缺乏系統(tǒng)管理等問題，結構健康監(jiān)測可以實現實時監(jiān)測，識別結構損傷，預防事故發(fā)生。核電站結構健康監(jiān)測可以有效地降低事故發(fā)生概率、提高設計水平和結構性能，從而提高核電站的安全性。

核電站智能建筑是結構健康監(jiān)測發(fā)展的必然趨勢。智能建筑綜合了結構健康監(jiān)測、數字孿生和人工智能等技術，實現結構的自感知、自監(jiān)測、自適應和自修復等智能安全能力。核電站智能結構是通過集成傳感器、執(zhí)行器、控制系統(tǒng)和數據處理技術，使核建筑結構具備實時監(jiān)測和評估結構的狀態(tài)和健康狀況的能力，并根據監(jiān)測數據自主地做出響應和調整，以確保結構的安全性和性能。

（二） 核建筑防災減災新技術

目前全世界核電站普遍采用傳統(tǒng)的結構的抗震設計方法，即通過選取合適核電廠址，嚴格抗震設計與分析，力圖保證核電站結構和設備的地震安全。但由于核電站系統(tǒng)的復雜性與地震的不確定性，核電站抗震安全仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。例如，日本是一個地震多發(fā)國家，近年來發(fā)生了多起核電站地震事故。一方面是日本地震的多發(fā)性；另一方面是核電站采用了傳統(tǒng)結構。因此，核電站急需發(fā)展新型隔震減震結構［14］。

基礎隔震結構具有隔離地震能量輸入、減小結構損傷等優(yōu)點，在建筑、橋梁和交通等領域得到廣泛應用。由于基礎隔震結構符合最新核電堆型的非能動安全技術要求，因此基礎隔震核電站是重點發(fā)展方向之一。1984年法國的Cruas NPPs、1985年南非的Koeberg NPPs大型壓水堆和2007年法國的Jules Horowitz小型堆等都采用了隔震技術。目前，水平隔震方面取得了良好的效果，但三維隔震減震核電站新型結構還沒有公開報道。發(fā)展核電站新型三維隔震減震結構將是核電站發(fā)展的重要方向。

（三） 核電站碳減排增強新技術

根據經濟合作與發(fā)展組織（簡稱經合組織）核能機構2021年發(fā)布《核電廠長期運行與脫碳戰(zhàn)略》研究報告，指出，延壽技術可以有效地延緩核電廠關停時間，使得核電廠能夠提供更多的電力能源，因此可以有效減小其他化石燃料電廠的碳排放。與開展新的核電建設相比，核電廠延壽具有更高的經濟性和碳減排能力。對于役齡接近設計壽期的核電機組，核電廠延壽在碳減排中可以發(fā)揮更好的貢獻。

結構健康監(jiān)測對核電站的結構進行定期評估和檢測，可以有效地防止結構破壞；通過監(jiān)測結構的變形、應力、振動等參數，可以評估結構性能，預測結構壽命和承載能力。結構健康監(jiān)測可以為核電站的維修和維護提供重要信息，指導維修人員采取合理的修復措施，延長核電站的使用壽命。結構健康監(jiān)測可以幫助核電站結構保持良好的工作狀態(tài)，延長核電站壽命并確保其安全運行。

隔震減震結構在延長核電站壽命方面也發(fā)揮重要作用。隔震結構能夠顯著降低地震對核電站結構的沖擊和破壞，提高核電站結構的抗震能力。同時，隔震減震結構通過減小地震引起的結構振動響應和應力，可以降低結構的疲勞損傷和累積損傷，延緩結構老化過程。當某些隔震支座在地震作用下發(fā)生破壞，也可以通過替換技術，恢復隔震結構的減震性能。隔震減震結構有助于保障核電站的在災害作用下的安全運行，進而有效地延長核電站壽命。

四、結語

核能發(fā)電及其綜合應用是保證人民美好生活的重要綠色低碳新能源形式，而核電站建設人才培養(yǎng)和科技發(fā)展是核電發(fā)電的重要保障。本文提出的核建設交叉學科“三位一體”發(fā)展新模式，為核行業(yè)滿足“雙碳”目標的國家需求提供了發(fā)展路徑。

（一） 核紅色文化的概念

核紅色文化幫助學生深入理解核能發(fā)展、國家需求和個人發(fā)展的密切關系，助力培養(yǎng)核能建設人才的育人土壤。同時，核紅色文化拓展了我國核安全的文化內涵。

（二） 核建筑的新知識體系

從核電站系統(tǒng)功能需求出發(fā)，總結了核建筑特有的結構性能要求?；诤四馨踩c結構性能提升的內在統(tǒng)一，建立了滿足核電站全壽期安全和核電站建設人才培養(yǎng)需求的新知識體系，為培養(yǎng)核建設人才提供了完備的課程體系。

（三） 核建設的新技術

介紹了結構健康監(jiān)測、隔震減震等新技術在提高核電站結構安全水平方面的重要作用，強調了延壽技術、核能綜合應用和智能核電站建筑在增加核電站碳減排方面的巨大潛力，揭示了核電站建筑的發(fā)展趨勢和動力。

隨著核能的不斷發(fā)展和應用，核建設人才培養(yǎng)和新技術將推動核電站的安全性、高效性和可持續(xù)發(fā)展，研究成果為核電站建設和發(fā)展提供了新的思路。

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（責任編輯 鄧云）

基金項目：煙臺市校地融合發(fā)展項目（22MZ03CD012）；中核集團領創(chuàng)科研項目（KY90200210017）