近日

2020年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)召開(kāi)

清華大學(xué)王大中院士

榮獲國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)

回顧他的科研耕耘之路

無(wú)論是帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建成

世界首座10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆

還是在其指導(dǎo)下

由學(xué)生、核研院院長(zhǎng)張作義接棒

與企業(yè)合作建設(shè)世界首座

模塊式球床高溫氣冷堆核電站示范工程——

華能山東石島灣高溫氣冷堆核電站

“固有安全”和“高溫氣冷”

都是繞不開(kāi)的話題

在不久的將來(lái)

這座核電站將逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行

意味著中國(guó)將第一次

在一種工業(yè)規(guī)模的先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)上

領(lǐng)先世界

面對(duì)這些前沿的科技成果

你也許和很多人一樣充滿困惑：

什么是高溫氣冷堆？

它與其他核反應(yīng)堆有什么不同？

為什么說(shuō)它具有“固有安全性”？

“固有安全性”又是什么？

……

也許你是個(gè)對(duì)核能領(lǐng)域

一臉茫然的“新手小白”

別擔(dān)心！讀完本文

你也能進(jìn)階為掌握一定知識(shí)的

“入門(mén)級(jí)選手”！

我們是如何利用核能發(fā)電的？

自從1938年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了核裂變，人類(lèi)就進(jìn)入了開(kāi)發(fā)利用核能的時(shí)代。

經(jīng)過(guò)世界各國(guó)多年的探索、比選，目前世界上大部分核電站均采用壓水堆堆型，屬于熱中子反應(yīng)堆的一種。現(xiàn)代化的壓水堆核電站是人類(lèi)工業(yè)技術(shù)的一個(gè)高峰，在全球能源供給中發(fā)揮了重要作用，我國(guó)的秦山核電站和大亞灣核電站均屬此類(lèi)。

以壓水堆核電站為例，核能發(fā)電的主要過(guò)程分為3步：

首先，核燃料在反應(yīng)堆堆芯發(fā)生核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生大量的熱，將核能轉(zhuǎn)換成了熱能；

通過(guò)冷卻劑（比如水）循環(huán)，把熱量從堆芯帶到蒸汽發(fā)生器中，使蒸汽發(fā)生器另一側(cè)的水受熱蒸發(fā)形成水蒸汽，水蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)膨脹帶動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，就將熱能轉(zhuǎn)換成了機(jī)械能；

最后，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使發(fā)電機(jī)發(fā)電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，從而實(shí)現(xiàn)核能發(fā)電。

這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)堆芯的冷卻水和推動(dòng)汽輪機(jī)做功的水蒸汽分處一回路與二回路，放射性物質(zhì)不會(huì)通過(guò)水傳遞出來(lái)。而且，核電站只需消耗很少的核燃料就可以產(chǎn)生巨大的能量，核能發(fā)電的過(guò)程中幾乎零碳排放，不會(huì)加劇“溫室效應(yīng)”，因而核能屬于非常清潔、優(yōu)質(zhì)的能源。

世界級(jí)難題：核能應(yīng)用的安全性

你也許聽(tīng)說(shuō)過(guò)核能開(kāi)發(fā)歷程中發(fā)生的幾次影響巨大的核事故：

1979年美國(guó)三哩島核電站事故

1986年蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故

2011年日本福島核電站事故……

這些災(zāi)難性的核事故，加上公眾對(duì)核能利用的另一種形式——原子彈核爆的錯(cuò)位聯(lián)想，讓安全性擔(dān)憂成為人們心中的夢(mèng)魘，也給世界核能事業(yè)的發(fā)展蒙上了一層陰云。越來(lái)越多的科學(xué)家意識(shí)到，安全性是核能發(fā)展的生命線，是核能技術(shù)發(fā)展必須面對(duì)的主要矛盾。

1956年，愛(ài)德華·泰勒曾提出：要使公眾接受核能，反應(yīng)堆安全必須是“固有的”（inherent safety）。也就是說(shuō)，出現(xiàn)任何事故，核反應(yīng)堆不依靠外部操作，而僅靠自然物理規(guī)律都能夠趨向安全狀態(tài)。

更具體地說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)核能安全，必須確保三大要素：

要素一：核裂變反應(yīng)的有效控制

要素二：及時(shí)導(dǎo)出停堆以后堆芯的余熱

要素三：牢牢地把放射性物質(zhì)包容起來(lái)

而“固有安全”，就是“反應(yīng)堆不靠外部動(dòng)力、信號(hào)、冷卻劑，就能確保這三大要素的實(shí)現(xiàn)，不失控、不熔毀、放射性不泄漏”。

也就是說(shuō)，即使反應(yīng)堆突發(fā)故障或遭遇自然災(zāi)害，一切人為操作系統(tǒng)都失靈，反應(yīng)堆仍然可以依靠自然規(guī)律自己趨向安全的狀態(tài)。

反過(guò)來(lái)，這三個(gè)要素中的任何一個(gè)未能滿足，都會(huì)造成核事件或事故，不同程度污染環(huán)境。上文中的三次災(zāi)難就各自源于這三方面的原因。

而具有“固有安全性”的高溫氣冷堆的出現(xiàn)，像一簇暗夜中的火光，不可避免地吸引了各國(guó)科學(xué)家的目光。

什么是高溫氣冷堆？

高溫氣冷堆，顧名思義，必然包含“高溫”、“氣冷”等與其他核反應(yīng)堆不同的特點(diǎn)。

氦氣作為冷卻劑

與壓水堆發(fā)電的原理一樣，高溫氣冷堆也是通過(guò)核能-熱能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)發(fā)電。不同的是，高溫氣冷堆不是通過(guò)“水冷”而是通過(guò)“氣冷”的方式進(jìn)行堆芯冷卻和熱傳導(dǎo)，即冷卻劑是氣體。中國(guó)高溫氣冷堆的冷卻劑是氦氣。作為一種理想的惰性氣體，氦氣化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，高溫下不容易與反應(yīng)堆的其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，并且有著較好的熱力學(xué)性能。

石墨作為慢化劑

為使熱中子反應(yīng)堆里的核裂變反應(yīng)得以持續(xù)進(jìn)行，核反應(yīng)過(guò)程還需要一種材料，叫慢化劑，又稱(chēng)中子減速劑，用以減慢中子的運(yùn)動(dòng)速度。不同于輕水堆、重水堆核電站以水（H2O）和重水（D2O）作為慢化劑，高溫氣冷堆采用石墨作為慢化劑，具有良好的耐高溫特性。

高溫

以氦氣為冷卻劑、以石墨為慢化劑，加上堆內(nèi)核燃料和其它材料均采用耐高溫材料，這些條件使得高溫氣冷堆的工作溫度和冷卻劑的堆芯出口溫度可以達(dá)到其它堆型難以企及的高度——900～1000攝氏度。

這么高的溫度有什么用？讓我們接著往下看。

為什么高溫氣冷堆具有固有安全特性？

如果說(shuō)，今天的石島灣高溫氣冷堆核電站是世界首座在工業(yè)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)固有安全的模塊式高溫氣冷堆核電站，那么，作為這座核電站的“原型”，世紀(jì)之初在清華大學(xué)“200號(hào)”建成的10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆，就已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)堆的規(guī)模上實(shí)現(xiàn)了固有安全這一特性。

2004年Wired雜志稱(chēng)其為“不會(huì)熔毀的反應(yīng)堆”，是一種固有安全的核能系統(tǒng)，達(dá)到了當(dāng)今世界核能安全的最高水平。

中國(guó)高溫氣冷堆具有三大核心創(chuàng)新技術(shù)：

一是模塊式反應(yīng)堆設(shè)計(jì)

為了踐行追尋固有安全的初心，高溫氣冷堆采用模塊式設(shè)計(jì)。其核心思想是把一個(gè)百萬(wàn)千瓦的大反應(yīng)堆拆分成10個(gè)小的模塊，每一個(gè)模塊都是一座可以獨(dú)立運(yùn)行的小反應(yīng)堆。

當(dāng)然反過(guò)來(lái)，這10個(gè)模塊也可以把各自產(chǎn)生的蒸汽合并送入一臺(tái)汽輪機(jī)，形成大的核電機(jī)組。

為什么要這么設(shè)計(jì)呢？與燃煤電廠不同，核反應(yīng)堆停止運(yùn)行后，堆芯里的裂變產(chǎn)物還會(huì)繼續(xù)發(fā)生衰變，產(chǎn)生可觀的余熱。所以，即使停堆了，如果不能及時(shí)冷卻堆芯、載出余熱，堆芯內(nèi)熱量越積越多、溫度越升越高，包裹核燃料的外殼就有可能因?yàn)檫^(guò)熱而造成熔化，破壞放射性包容能力，釀成嚴(yán)重的事故后果。

日本福島第一核電站發(fā)生的事故就是這類(lèi)情形。

因此，高溫氣冷堆采用小型模塊式設(shè)計(jì)，每一個(gè)小模塊都可以采用很低的功率密度（約為大型壓水堆核電站的1/30），使停堆后產(chǎn)生的余熱處于較低水平。發(fā)生任何意外時(shí)，即使不進(jìn)行人為的能動(dòng)冷卻，停堆后堆芯的余熱也可以通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱輻射等基本的自然現(xiàn)象安全地散發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)了余熱非能動(dòng)載出，避免堆芯熔化。此外，反應(yīng)堆內(nèi)有大量的石墨結(jié)構(gòu)材料可以吸收余熱，使得堆芯具有很大的熱容量，停堆后溫度上升緩慢。這就好比一小壺水的熱容量很小，很容易就能燒開(kāi)；而一大鍋水的熱容量較大，需要更多的熱量才能燒開(kāi)。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，反應(yīng)堆停堆后，一方面，隨著時(shí)間的推移，衰變產(chǎn)生的余熱越來(lái)越少；另一方面，隨著堆芯溫度的升高，堆芯通過(guò)熱輻射、熱傳導(dǎo)向外散熱的能力會(huì)逐漸提高。

兩方面共同發(fā)揮作用，使得堆芯溫度升高一段時(shí)間以后就開(kāi)始慢慢自動(dòng)下降。這個(gè)過(guò)程中，反應(yīng)堆的材料和燃料都在所能承受的溫度范圍之內(nèi)，可以確保反應(yīng)堆的安全，不需要人為干預(yù)。

這樣一來(lái)，通過(guò)自然規(guī)律高溫氣冷堆就實(shí)現(xiàn)了上文提到的核安全三要素之一：及時(shí)導(dǎo)出停堆以后堆芯的余熱，從一個(gè)方面支撐了固有安全。

同時(shí)，多模塊組合的設(shè)計(jì)，意味著這類(lèi)核電站的規(guī)?？筛鶕?jù)不同國(guó)家、不同區(qū)域的電力需求靈活配置。20萬(wàn)、60萬(wàn)、100萬(wàn)等系列裝機(jī)容量，只需要考慮用2個(gè)、6個(gè)還是10個(gè)模塊疊加就可以實(shí)現(xiàn)，這使得高溫氣冷堆核電站具有更廣闊的適應(yīng)性和靈活性。

二是自主研制的“耐高溫全陶瓷包覆顆粒球形核燃料元件”

球床型高溫氣冷堆采用的核燃料元件是耐高溫全陶瓷包覆顆粒球形核燃料元件，也可以叫做燃料球。在石島灣高溫氣冷堆示范電站，燃料球直徑6厘米，最外層是石墨層，里面是彌散在基體石墨粉中的大約12000個(gè)四層全陶瓷材料包覆的、直徑0.9毫米的核燃料顆粒。

高溫氣冷堆示范電站球形燃料元件示意圖

你可以把它想象成，每一個(gè)燃料球和其中的燃料顆粒就像是一個(gè)球形糖果盒里裝著12000顆層層夾心的巧克力球，巧克力的最中心就是核燃料——鈾-235。

左為普通高爾夫球，右為球形燃料元件

層層包覆的牢固結(jié)構(gòu)、耐高溫高壓的強(qiáng)悍屬性、嚴(yán)苛的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，使得每個(gè)燃料球都能把放射性物質(zhì)牢牢包裹起來(lái)，有效防止正常運(yùn)行或意外發(fā)生時(shí)放射性物質(zhì)泄漏，從而實(shí)現(xiàn)了上文提到的另一個(gè)核安全要素：把放射性物質(zhì)牢牢包容起來(lái)，進(jìn)一步支撐了固有安全。

三是反應(yīng)堆不停堆在線換料

通常堆型的燃料元件多為燃料棒，燃料棒插在堆內(nèi)固定位置，運(yùn)行一段時(shí)間后（一般為12-18個(gè)月）要把反應(yīng)堆停下來(lái)，換掉部分“燒透”的燃料棒，再補(bǔ)充新的燃料棒?？梢韵胍?jiàn)，新裝入的燃料棒能量是有富余或者是過(guò)量的，存在核反應(yīng)的過(guò)剩反應(yīng)性，這就給固有安全三要素之一：有效控制核裂變反應(yīng)帶來(lái)了壓力。切爾諾貝利核事故就是早期設(shè)計(jì)有缺陷、在這方面出了紕漏，而又疊加人為操作錯(cuò)誤造成的慘痛教訓(xùn)。

而球床高溫氣冷堆的好處是，在反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中，新燃料球從反應(yīng)堆頂部填裝到反應(yīng)堆中，球靠重力自然落入堆芯并往下流動(dòng)，反應(yīng)過(guò)的燃料球再?gòu)姆磻?yīng)堆底部卸出，整個(gè)裝卸料過(guò)程不需要停堆，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆不停堆在線換料。這種方式不但大大提高了運(yùn)行效率，而且不用階段性裝入過(guò)多核燃料，大幅減少了堆內(nèi)的過(guò)剩反應(yīng)性，因而大大降低了有效控制核裂變反應(yīng)的難度。

通俗地說(shuō)，就像我們平時(shí)燒柴，一上來(lái)就往灶里放很多新柴，火勢(shì)必?zé)酶?，但火?shì)不好控制；而不停堆在線換料意味著我們可以在初期少放點(diǎn)柴，等它燒起來(lái)再一邊添柴一邊把燒完的炭取出，火勢(shì)夠用而又平穩(wěn)安全。

高溫氣冷堆示范電站一個(gè)模塊示意圖

那么，如上文所述就能完全確保核裂變反應(yīng)的有效控制嗎？

這還不夠。

要保證任何情況下都能有效控制核裂變反應(yīng)，還需要反應(yīng)性的“負(fù)溫度系數(shù)”設(shè)計(jì)。通過(guò)周密的材料匹配與堆芯物理設(shè)計(jì)，模塊式球床高溫氣冷堆具有很大的反應(yīng)性“負(fù)溫度系數(shù)”，堆芯溫度升高會(huì)引起反應(yīng)性自動(dòng)下降。也就是說(shuō)，一旦溫度升高，核反應(yīng)過(guò)程就能自己減速、甚至 “剎車(chē)”停下來(lái)。換句話說(shuō)，即使因?yàn)槿藶榛蜃匀粸?zāi)害導(dǎo)致控制失誤或喪失，沒(méi)能人為能動(dòng)停堆，只要反應(yīng)堆溫度升高，它自己就會(huì)減少核反應(yīng)直至自動(dòng)停堆。

一般反應(yīng)堆里，核裂變反應(yīng)的控制都是通過(guò)控制棒來(lái)實(shí)現(xiàn)的，緊急停堆或發(fā)生事故時(shí)控制棒會(huì)快速落下，促使反應(yīng)堆快速停止核裂變反應(yīng)，否則就有事故風(fēng)險(xiǎn)。而模塊式球床高溫氣冷堆即使控制棒卡住無(wú)法落下也沒(méi)關(guān)系，依靠自然規(guī)律實(shí)現(xiàn)了核裂變反應(yīng)的有效控制，從第三個(gè)方面支撐了固有安全。

現(xiàn)在還有一個(gè)問(wèn)題，反應(yīng)堆溫度升高后是會(huì)自動(dòng)停堆，可是最終停堆前，堆內(nèi)的材料能熬過(guò)這個(gè)溫度升高的過(guò)程嗎？

答案是：沒(méi)問(wèn)題。由于反應(yīng)堆內(nèi)使用了大量石墨結(jié)構(gòu)材料，燃料元件也是耐高溫的全陶瓷材料，和其他反應(yīng)堆相比，高溫氣冷堆足夠耐高溫，完全不在怕的！

不把安全寄托在人為的操作或各種安全保護(hù)裝置上，而是依靠自然規(guī)律讓反應(yīng)堆自己就能逐漸趨于安全狀態(tài)，泰勒的固有安全的設(shè)想，半個(gè)世紀(jì)后在中國(guó)變成了現(xiàn)實(shí)。

高溫氣冷堆如何造福社會(huì)？

說(shuō)回高溫。

高溫氣冷堆能夠達(dá)到其它堆型達(dá)不到的冷卻劑出口溫度，讓它不只能高效發(fā)電，還能利用高溫特性發(fā)展核能的非電應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)綜合利用、一舉多得。

目前，世界能源有約40%以電的形式得到利用，其余都是非電應(yīng)用，包括以各種形式利用的工業(yè)熱、民用熱和交通能源等。各個(gè)行業(yè)對(duì)高溫工藝熱有很大需求。

石島灣高溫氣冷堆示范電站的氦氣出口溫度能達(dá)到750℃，產(chǎn)生566℃的過(guò)熱蒸汽，在高效發(fā)電之外，高溫蒸汽還能用于熱電聯(lián)產(chǎn)、稠油熱采、化工、冶金等。10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆超高溫運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明，高溫氣冷堆有望進(jìn)一步提高運(yùn)行溫度, 目前技術(shù)水平的高溫氣冷堆具備運(yùn)行在950℃的能力，可用于核能大規(guī)模綠色制氫，有望對(duì)解決石化、冶金、交通等行業(yè)的二氧化碳排放問(wèn)題發(fā)揮關(guān)鍵支撐作用。

高溫氣冷堆的用途示意（引自美國(guó)NGNP項(xiàng)目）

今年9月12日，石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程成功實(shí)現(xiàn)首次臨界，并計(jì)劃年底首次并網(wǎng)發(fā)電。商運(yùn)以后，它將帶來(lái)每年14億度的發(fā)電量，預(yù)計(jì)每年可以減少二氧化碳（CO2）排放90萬(wàn)噸，有望為我國(guó)加快“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施，為中國(guó)乃至世界能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)治理、應(yīng)對(duì)全球氣候變化貢獻(xiàn)重要的“綠色力量”。