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1、不会熔毁的核反响堆为何固有平安日前，被称为世界首座商业规模“不会熔毁的核反响堆”一 石岛湾高温气冷堆核电站示范工程首次并网发电。这是全球首 个并网发电的第四代高温气冷堆核电工程，标志我国在这一先进 核能技术领域成为世界领跑者。满功率运行后，每年将有14亿度发电量，可为200万名居 民提供生活用电，减少二氧化碳排放90万吨一连串数字令 人振奋。本报记者第一时间发出消息后，读者纷纷点赞。这座中国造的核反响堆为什么这么牛？为什么说它是固有 平安的？针对读者关心的问题，记者日前采访了清华大学相关负 责人。我们是如何利用核能发电的自从1938年科学家发现了核裂变，人类就进入了开发利用 核能的时代。经过各
2、国多年的探索、比选，目前世界上大局部核电站多采 用压水堆堆型，属于热中子反响堆的一种。现代化的压水堆核电 站是人类工业技术的一个高峰，在全球能源供给中发挥了重要作 用，我国的秦山核电站和大亚湾核电站均属此类。该负责人向记者介绍，以压水堆核电站为例，核能发电的主 要过程分为3步：首先，核燃料在反响堆堆芯发生核裂变链式反响产生大量的 热，将核能转换成了热能；其次，通过冷却剂（比方水）循环，把热量从堆芯带到蒸汽 发生器中，使蒸汽发生器另一侧的水受热蒸发形成水蒸气，水蒸 气进入汽轮机内膨胀带动汽轮机转子转动，就将热能转换成了机 械能；最后，汽轮机转子带动发电机的转子旋转，使发电机发电， 将机械能转换为
3、电能，从而实现核能发电。这个过程中，通过堆芯的冷却水和推动汽轮机做功的水蒸气 分处一回路与二回路，放射性物质不会通过水传递出来。而且， 核电站只需消耗很少的核燃料就可以产生巨大的能量，核能发电 的过程中几乎零碳排放，不会加剧“温室效应”，因而核能属于 非常清洁、优质的能源。为什么石岛湾高温气冷堆核电站“永不会熔尽管核能有着不可比较的优越性，但从1979年美国三哩岛 核电站事故到1986年苏联切尔诺贝利核电站事故，再到2011年 日本福岛核电站事故，这些灾难性的核事故给世界核能事业的发 展蒙上了一层阴云。越来越多的科学家意识到，平安性是核能发 展的生命线，是核能技术开展必须面对的主要矛盾。195
4、6年，美国物理学家爱德华泰勒曾提出：要使公众接 受核能，反响堆平安必须是“固有的”。也就是说，出现任何事 故，核反响堆不依靠外部操作，而仅靠自然物理规律都能够趋向 平安状态。更具体地说，要实现核能平安，必须确保三大要素：核裂变 反响的有效控制；及时导出停堆以后堆芯的余热；牢牢地把放射 性物质包容起来。该负责人介绍，如果说今天的石岛湾高温气冷堆核电站是世 界首座在工业规模上实现固有平安的模块式高温气冷堆核电站， 那么，作为这座核电站的“原型”，世纪之初在清华大学建成的 10兆瓦高温气冷实验堆，就已经在实验堆的规模上实现了固有 平安这一特性。2004年Wired杂志称其为“不会熔毁的反响堆”，是一
5、种 固有平安的核能系统，到达了当今世界核能平安的最高水平。该负责人表示，中国高温气冷堆所具有的三大核心创新技 术，很好地满足了上述三个要素的实现：一是模块式反响堆设计。其核心思想是把一个百万千瓦的大 反响堆拆分成10个小的模块，每一个模块都是一座可以独立运 行的小反响堆。与燃煤电厂不同，核反响堆停止运行后，裂变产物还会继续 衰变产生可观的余热。如果停堆后不能及时冷却堆芯、载出余热,核燃料的外壳就有可能因为过热而熔化，酿成严重事故。日本福 岛第一核电站的事故就是这类情形。因此，高温气冷堆采用小型模块式设计，每一个小模块都可 以采用很低的功率密度（约为大型压水堆核电站的1/30）,使 停堆后产生的
6、余热处于较低水平。发生任何意外时，即使不进行 人为的能动冷却，停堆后堆芯的余热也可以通过热传导、热辐射 等基本的自然现象平安地散发出去，实现了上文提到的核平安三 要素之一：及时导出停堆以后堆芯的余热，保障了固有平安。二是自主研制的“耐高温全陶瓷包覆颗粒球形核燃料元件”。 球床型高温气冷堆采用的核燃料元件是耐高温全陶瓷包覆颗粒 燃料球，其直径6厘米，最外层是石墨层，里面是弥散在基体石 墨粉中的约12000个四层全陶瓷材料包覆的、直径0. 9毫米的核 燃料颗粒。层层包覆的牢固结构、耐高温高压的强悍属性、严苛的质量 标准检验，可以有效防止放射性物质泄漏，从而实现了把放射性 物质牢牢包容起来这一核平安
7、要素。三是反响堆不停堆在线换料。通常堆型的燃料元件多为燃料 棒，核电站运行一段时间后要把反响堆停下来换料。新装入的燃 料棒能量有富余或者是过量的，存在核反响的过剩反响性，这就 给核裂变反响的有效控制带来了压力。而球床高温气冷堆的好处是装卸燃料球的过程不需要停堆， 新的燃料球从反响堆顶部填装的同时，“烧透”的燃料球会从底 部卸出。这种方式不但大大提高了运行效率，而且不用一次性装 入过多核燃料，大幅减少了堆内的过剩反响性。通俗地说，就像 平时烧柴，一上来就往灶里放很多新柴，火势必烧得更旺，但火 势不好控制；而不停堆在线换料意味着我们可以在初期少放点 柴，等它烧起来再一边添柴一边把烧完的炭取出，火势
8、够用而又 平稳平安。与此同时，通过周密的材料匹配与堆芯物理设计，模块式球 床高温气冷堆具有很大的反响性“负温度系数”：即使控制失误 无法停堆，只要反响堆温度升高，它自己就会“刹车”减少核反 应直至停堆，进一步支撑了固有平安。如此厉害的核反响堆不只能发电该负责人进一步介绍，如此厉害的核反响堆可不只能发电！高温气冷堆能够到达其他堆型达不到的冷却剂出口温度，它 不只能高效发电，还能利用高温特性开展核能的非电应用，实现 综合利用、一举多得。目前，世界能源有约40%以电的形式得到利用，其余都是非 电应用，包括以各种形式利用的工业热、民用热和交通能源等。石岛湾高温气冷堆示范电站的氮气出口温度能到达750,产生566的过热蒸汽，在高效发电之外，高温蒸汽还能用于热 电联产、稠油热采、化工、冶金等。“10兆瓦高温气冷实验堆超高温运行实验证明，高温气冷 堆有望进一步提高运行温度，目前技术水平的高温气冷堆具备运 行在950C的能力，可用于核能大规模绿色制氢，有望对解决石 化、冶金、交通等行业的二氧化碳排放问题发挥关键支撑作用。” 该负责人表示。（记者邓晖通讯员詹萌）（2022 年）