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日前，被稱為世界首座商業(yè)規(guī)?！安粫?huì)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(gè)并網(wǎng)發(fā)電的第四代高溫氣冷堆核電項(xiàng)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(yùn)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。
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(duì)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(shí)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?，F(xiàn)代化的壓水堆核電站是人類工業(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，我國的秦山核電站和大亞灣核電站均屬此類。
該負(fù)責(zé)人向記者介紹，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(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)過程中，通過堆芯的冷卻水和推動(dòng)汽輪機(jī)做功的水蒸氣分處一回路與二回路，放射性物質(zhì)不會(huì)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(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。
為什么石島灣高溫氣冷堆核電站“永不會(huì)熔毀”
盡管核能有著不可比擬的優(yōu)越性，但從1979年美國三里島核電站事故到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(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，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(shí)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(shí)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(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)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。
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(gè)要素的實(shí)現(xiàn)。
一是模塊式反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。其核心思想是把一個(gè)百萬千瓦的大反應(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。
與燃煤電廠不同，核反應(yīng)堆停止運(yùn)行后，裂變產(chǎn)物還會(huì)繼續(xù)衰變產(chǎn)生可觀的余熱。如果停堆后不能及時(shí)冷卻堆芯、載出余熱，核燃料的外殼就有可能因?yàn)檫^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(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，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(gè)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(qiáng)悍屬性、嚴(yán)苛的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，可以有效防止放射性物質(zhì)泄漏，從而實(shí)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(yùn)行一段時(shí)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(shí)，“燒透”的燃料球會(huì)從底部卸出。這種方式不但大大提高了運(yùn)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(shí)燒柴，一上來就往灶里放很多新柴，火勢(shì)必?zé)酶饎?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。
與此同時(shí)，通過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)”：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(huì)“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(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。
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(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)的二氧化碳排放問題發(fā)揮關(guān)鍵支撐作用?！痹撠?fù)責(zé)人表示。（記者鄧暉 通訊員詹萌）
責(zé)任編輯：胡惠雯
