被稱為世界首座商業(yè)規(guī)模“不會熔毀的核反應(yīng)堆”——石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程首次并網(wǎng)發(fā)電。這是全球首個并網(wǎng)發(fā)電的第四代高溫氣冷堆核電項目，標(biāo)志我國在這一先進(jìn)核能技術(shù)領(lǐng)域成為世界領(lǐng)跑者。
滿功率運行后，每年將有14億度發(fā)電量，可為200萬名居民提供生活用電，減少二氧化碳排放90萬噸……一連串?dāng)?shù)字令人振奮。本報記者第一時間發(fā)出消息后，讀者紛紛點贊。
這座中國造的核反應(yīng)堆為什么這么牛？為什么說它是固有安全的？針對讀者關(guān)心的問題，記者日前采訪了清華大學(xué)相關(guān)負(fù)責(zé)人。
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，人類就進(jìn)入了開發(fā)利用核能的時代。
經(jīng)過各國多年的探索、比選，目前世界上大部分核電站多采用壓水堆堆型，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工業(yè)技術(shù)的一個高峰，在全球能源供給中發(fā)揮了重要作用，我國的秦山核電站和大亞灣核電站均屬此類。
該負(fù)責(zé)人介紹，以壓水堆核電站為例，核能發(fā)電的主要過程分為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；
其次，通過冷卻劑（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)形成水蒸氣，水蒸氣進(jìn)入汽輪機內(nèi)膨脹帶動汽輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，就將熱能轉(zhuǎn)換成了機械能；
最后，汽輪機轉(zhuǎn)子帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使發(fā)電機發(fā)電，將機械能轉(zhuǎn)換為電能，從而實現(xiàn)核能發(fā)電。
這個過程中，通過堆芯的冷卻水和推動汽輪機做功的水蒸氣分處一回路與二回路，放射性物質(zhì)不會通過水傳遞出來。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)電的過程中幾乎零碳排放，不會加劇“溫室效應(yīng)”，因而核能屬于非常清潔、優(yōu)質(zhì)的能源。
為什么石島灣高溫氣冷堆核電站“永不會熔毀”
盡管核能有著不可比擬的優(yōu)越性，但從1979年美國三哩島核電站事故到1986年蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故，再到2011年日本福島核電站事故，這些災(zāi)難性的核事故給世界核能事業(yè)的發(fā)展蒙上了一層陰云。越來越多的科學(xué)家意識到，安全性是核能發(fā)展的生命線，是核能技術(shù)發(fā)展必須面對的主要矛盾。
1956年，美國物理學(xué)家愛德華·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”。也就是說，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，要實現(xiàn)核能安全，必須確保三大要素：核裂變反應(yīng)的有效控制；及時導(dǎo)出停堆以后堆芯的余熱；牢牢地把放射性物質(zhì)包容起來。
該負(fù)責(zé)人介紹，如果說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)建成的10兆瓦高溫氣冷實驗堆，就已經(jīng)在實驗堆的規(guī)模上實現(xiàn)了固有安全這一特性。
2004年Wired雜志稱其為“不會熔毀的反應(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。
該負(fù)責(zé)人表示，中國高溫氣冷堆所具有的三大核心創(chuàng)新技術(shù)，很好地滿足了上述三個要素的實現(xiàn)：
一是模塊式反應(yīng)堆設(shè)計。其核心思想是把一個百萬千瓦的大反應(yīng)堆拆分成10個小的模塊，每一個模塊都是一座可以獨立運行的小反應(yīng)堆。
與燃煤電廠不同，核反應(yīng)堆停止運行后，裂變產(chǎn)物還會繼續(xù)衰變產(chǎn)生可觀的余熱。如果停堆后不能及時冷卻堆芯、載出余熱，核燃料的外殼就有可能因為過熱而熔化，釀成嚴(yán)重事故。日本福島第一核電站的事故就是這類情形。
因此，高溫氣冷堆采用小型模塊式設(shè)計，每一個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，即使不進(jìn)行人為的能動冷卻，停堆后堆芯的余熱也可以通過熱傳導(dǎo)、熱輻射等基本的自然現(xiàn)象安全地散發(fā)出去，實現(xiàn)了上文提到的核安全三要素之一：及時導(dǎo)出停堆以后堆芯的余熱，保障了固有安全。
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燃料球，其直徑6厘米，最外層是石墨層，里面是彌散在基體石墨粉中的約12000個四層全陶瓷材料包覆的、直徑0.9毫米的核燃料顆粒。
層層包覆的牢固結(jié)構(gòu)、耐高溫高壓的強悍屬性、嚴(yán)苛的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)檢驗，可以有效防止放射性物質(zhì)泄漏，從而實現(xiàn)了把放射性物質(zhì)牢牢包容起來這一核安全要素。
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，核電站運行一段時間后要把反應(yīng)堆停下來換料。新裝入的燃料棒能量有富余或者是過量的，存在核反應(yīng)的過剩反應(yīng)性，這就給核裂變反應(yīng)的有效控制帶來了壓力。
而球床高溫氣冷堆的好處是裝卸燃料球的過程不需要停堆，新的燃料球從反應(yīng)堆頂部填裝的同時，“燒透”的燃料球會從底部卸出。這種方式不但大大提高了運行效率，而且不用一次性裝入過多核燃料，大幅減少了堆內(nèi)的過剩反應(yīng)性。通俗地說，就像平時燒柴，一上來就往灶里放很多新柴，火勢必?zé)酶?，但火勢不好控制；而不停堆在線換料意味著我們可以在初期少放點柴，等它燒起來再一邊添柴一邊把燒完的炭取出，火勢夠用而又平穩(wěn)安全。
與此同時，通過周密的材料匹配與堆芯物理設(shè)計，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)”：即使控制失誤無法停堆，只要反應(yīng)堆溫度升高，它自己就會“剎車”減少核反應(yīng)直至停堆，進(jìn)一步支撐了固有安全。
如此厲害的核反應(yīng)堆不只能發(fā)電
該負(fù)責(zé)人進(jìn)一步介紹，如此厲害的核反應(yīng)堆可不只能發(fā)電！
高溫氣冷堆能夠達(dá)到其他堆型達(dá)不到的冷卻劑出口溫度，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。
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。
“10兆瓦高溫氣冷實驗堆超高溫運行實驗證明，高溫氣冷堆有望進(jìn)一步提高運行溫度，目前技術(shù)水平的高溫氣冷堆具備運行在950℃的能力，可用于核能大規(guī)模綠色制氫，有望對解決石化、冶金、交通等行業(yè)的二氧化碳排放問題發(fā)揮關(guān)鍵支撐作用。”該負(fù)責(zé)人表示。
