[科普中國]-首座四代核安全氣冷堆將發(fā)電

要了解高溫氣冷堆到底有多安全，咱們先來看看其運(yùn)行機(jī)制。

上圖黑色的小圓柱體為壓水堆的核燃料芯塊，它們一節(jié)一節(jié)地被裝入燃料棒中。而高溫氣冷堆的核燃料卻是這樣的：

圖為高溫氣冷堆的球形燃料元件，每一個都如網(wǎng)球般大小。

中國山東榮成的石島灣高溫氣冷堆預(yù)計2018年并網(wǎng)發(fā)電， 圖為工作人員正在檢查球形燃料元件，圖片來自CNI23。

球形燃料元件看上去傻大黑粗的樣子，但其實(shí)它很精密，因?yàn)樗恢故且粋€球，它里面還包含著1.2萬個“小球”。

直徑60毫米的球形燃料元件包含1.2萬個“小球”。

而內(nèi)部密密麻麻的每一個“小球”也具有精密的結(jié)構(gòu)，如下：

“小球”直徑1毫米，內(nèi)部的二氧化鈾核芯直徑0.5毫米。

以上，就是高溫氣冷堆使用的燃料元件，它們放入反應(yīng)堆時大概是這個樣子。

接下來，咱們再看看它是怎么運(yùn)作的。

如上圖，上萬個球形燃料元件在反應(yīng)堆容器里面進(jìn)行反應(yīng)，熱量由透明的氦氣帶走，通過熱交換，高達(dá)750攝氏度的高溫氦氣將自身熱量傳遞給二回路中的水。此圖為了簡明，少畫了一個鼓風(fēng)機(jī)，顯然，只有鼓風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，才能讓氦氣高速通過堆芯并帶走熱量。

高溫氣冷堆的頂部是加料口，底部有卸料口，這意味著，即使核電站還在運(yùn)行，換料時也無須停堆。

實(shí)際上，高溫氣冷堆中，其燃料元件并不是用一次就完事，而是一兩年內(nèi)多次循環(huán)使用，10次左右，直到經(jīng)過檢測，燃料不能再用為止。

圖片來自Graham Templeton。

固有安全性

就像一架戰(zhàn)斗機(jī)，它必須滿足隱身、超音速巡航等重要條件后才能稱之為第五代戰(zhàn)斗機(jī)一樣。第四代反應(yīng)堆也具有很多特征，而其中的一個重要特征是安全性進(jìn)一步提高。

從這一點(diǎn)上來說，高溫氣冷堆是滿足的，因?yàn)樗陌踩皇且揽咳说恼瓶?，而是依賴于一種物理現(xiàn)象。

1987年，10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆的建設(shè)被列入國家“863”計劃。1995年，由清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院建造，2003年1月實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行。

2004年的時候，中國10兆瓦高溫氣冷堆向60多位國際原子能專家進(jìn)行了核安全展示。

這次展示是這樣的：在反應(yīng)堆正常運(yùn)行時突然切斷電源，也就是說，鼓吹氦氣的鼓風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，冷卻系統(tǒng)被關(guān)閉，同時，也沒有人為地插入控制棒，結(jié)果，反應(yīng)堆自己停了下來，事后也沒有發(fā)生堆芯熔毀、燃料元件燒毀等事故。

山東石島灣20萬千瓦高溫氣冷堆，其技術(shù)是依據(jù)之前的10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆進(jìn)一步提升發(fā)展而來，所以它也將具有這種固有安全性。

現(xiàn)在，讓我們來看看，高溫氣冷堆的這種高安全性是怎么來的。

反應(yīng)堆中，參與裂變的是鈾235，而鈾238雖然會吸收中子，但它不會參與裂變。神奇的是，如果反應(yīng)堆溫度升高，則鈾235吸收中子的能力就會減弱，但鈾238吸收中子的能力卻會增強(qiáng)，這是一種物理現(xiàn)象，叫做“多普勒展寬”。

根據(jù)多普勒展寬，高溫氣冷堆中如果失去冷卻，那么顯然，堆內(nèi)溫度將升高，可高到一定程度時，因?yàn)殁?35吸收中子能力減弱，同時鈾238又吸引了過多中子，結(jié)果就是，沒有足夠的中子，裂變就玩不下去了。而堆內(nèi)的球形燃料元件即使經(jīng)受1650℃的高溫時也不會破損。

到這里，有人會質(zhì)疑：又不是只有高溫氣冷堆中有鈾235和鈾238，其他種類的反應(yīng)堆中也是大把大把的呀。如果氣冷堆具有這種固有安全性，那么其他堆也將具有！

確實(shí)如此，在一般的傳統(tǒng)反應(yīng)堆中，同樣也具有“多普勒展寬”效應(yīng)，但由于傳統(tǒng)反應(yīng)堆的核燃料密度較高，所以這種現(xiàn)象不占主導(dǎo)作用。

而高溫氣冷堆由于燃料密度較低，故“多普勒展寬”效應(yīng)才能發(fā)揮決定性的作用。

這也是為什么，高溫氣冷堆的功率通常較小的原因之一，比如石島灣這個是20萬千瓦，而下一個正在規(guī)劃的也才60萬千瓦。目前，高溫氣冷堆的缺點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性還有待考驗(yàn)，不過，未來如果采取模塊化設(shè)計和建造，則經(jīng)濟(jì)性將會進(jìn)一步增強(qiáng)。

幾大優(yōu)點(diǎn)

與其他堆型相比具有這么幾個優(yōu)點(diǎn)。

反應(yīng)堆的出口溫度高達(dá)750～950℃，技術(shù)進(jìn)一步提升同時安全性能得到保證時，出口溫度甚至可提升到1000～1200℃。如此高的出口溫度，這讓高溫氣冷堆除了發(fā)電以外，它還可以直接應(yīng)用于于煉鋼、制氫、煤的液化或氣化等工業(yè)生產(chǎn)中。

中國工程院院士鄭健超表示：高溫氣冷堆是安全性很高的反應(yīng)堆，而它最具吸引力的應(yīng)用前景是規(guī)模制氫。

同時，由于出口溫度高，它的發(fā)電效率可達(dá)40%以上，是目前效率最高的核反應(yīng)堆。

圖為山東石島灣核電廠，反應(yīng)堆壓力容器吊裝過程。圖片來自新華社記者郭緒雷。

根據(jù)華能集團(tuán)網(wǎng)站上的信息顯示，英國石油公司、美國杜克能源、新加坡淡馬錫等公司曾探討使用中國高溫氣冷堆的事宜。而美國橡樹嶺國立實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的報告則認(rèn)為，中國高溫氣冷堆一旦成功，將有可能占據(jù)發(fā)展中國家相當(dāng)一部分市場份額。