近日

2020年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會召開

清華大學(xué)王大中院士

榮獲國家最高科學(xué)技術(shù)獎

回顧他的科研耕耘之路

無論是帶領(lǐng)團(tuán)隊建成

世界首座10兆瓦高溫氣冷實驗堆

還是在其指導(dǎo)下

由學(xué)生、核研院院長張作義接棒

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”

都是繞不開的話題

在不久的將來

這座核電站將逐步實現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行

意味著中國將第一次

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？

為什么說它具有“固有安全性”？

“固有安全性”又是什么？

……

也許你是個對核能領(lǐng)域

一臉茫然的“新手小白”

別擔(dān)心！讀完本文

你也能進(jìn)階為掌握一定知識的

“入門級選手”！

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，人類就進(jìn)入了開發(fā)利用核能的時代。

經(jīng)過世界各國多年的探索、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?，F(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。

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；

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)形成水蒸汽，水蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)膨脹帶動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，就將熱能轉(zhuǎn)換成了機(jī)械能；

最后，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子帶動發(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(jī)做功的水蒸汽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。

世界級難題：核能應(yīng)用的安全性

你也許聽說過核能開發(fā)歷程中發(fā)生的幾次影響巨大的核事故：

1979年美國三哩島核電站事故

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，加上公眾對核能利用的另一種形式——原子彈核爆的錯位聯(lián)想，讓安全性擔(dān)憂成為人們心中的夢魘，也給世界核能事業(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，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”（inherent safety）。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：

要素一：核裂變反應(yīng)的有效控制

要素二：及時導(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

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

也就是說，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)。

反過來，這三個要素中的任何一個未能滿足，都會造成核事件或事故，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核能-熱能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)發(fā)電。不同的是，高溫氣冷堆不是通過“水冷”而是通過“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)過程還需要一種材料，叫慢化劑，又稱中子減速劑，用以減慢中子的運(yùn)動速度。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，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)“200號”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。

中國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

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。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(dú)立運(yùn)行的小反應(yīng)堆。

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

為什么要這么設(shè)計呢？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為過熱而造成熔化，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)了余熱非能動載出，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；而一大鍋水的熱容量較大，需要更多的熱量才能燒開。

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

兩方面共同發(fā)揮作用，使得堆芯溫度升高一段時間以后就開始慢慢自動下降。這個過程中，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，通過自然規(guī)律高溫氣冷堆就實現(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，從一個方面支撐了固有安全。

同時，多模塊組合的設(shè)計，意味著這類核電站的規(guī)?？筛鶕?jù)不同國家、不同區(qū)域的電力需求靈活配置。20萬、60萬、100萬等系列裝機(jī)容量，只需要考慮用2個、6個還是10個模塊疊加就可以實現(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，每一個燃料球和其中的燃料顆粒就像是一個球形糖果盒里裝著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，使得每個燃料球都能把放射性物質(zhì)牢牢包裹起來，有效防止正常運(yùn)行或意外發(fā)生時放射性物質(zhì)泄漏，從而實現(xiàn)了上文提到的另一個核安全要素：把放射性物質(zhì)牢牢包容起來，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)行一段時間后（一般為12-18個月）要把反應(yīng)堆停下來，換掉部分“燒透”的燃料棒，再補(bǔ)充新的燃料棒?？梢韵胍?，新裝入的燃料棒能量是有富余或者是過量的，存在核反應(yīng)的過剩反應(yīng)性，這就給固有安全三要素之一：有效控制核裂變反應(yīng)帶來了壓力。切爾諾貝利核事故就是早期設(shè)計有缺陷、在這方面出了紕漏，而又疊加人為操作錯誤造成的慘痛教訓(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，反應(yīng)過的燃料球再從反應(yīng)堆底部卸出，整個裝卸料過程不需要停堆，實現(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多核燃料，大幅減少了堆內(nèi)的過剩反應(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，就像我們平時燒柴，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(diǎn)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。

高溫氣冷堆示范電站一個模塊示意圖

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。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)”，堆芯溫度升高會引起反應(yīng)性自動下降。也就是說，一旦溫度升高，核反應(yīng)過程就能自己減速、甚至 “剎車”停下來。換句話說，即使因為人為或自然災(zāi)害導(dǎo)致控制失誤或喪失，沒能人為能動停堆，只要反應(yīng)堆溫度升高，它自己就會減少核反應(yīng)直至自動停堆。

一般反應(yīng)堆里，核裂變反應(yīng)的控制都是通過控制棒來實現(xiàn)的，緊急停堆或發(fā)生事故時控制棒會快速落下，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。而模塊式球床高溫氣冷堆即使控制棒卡住無法落下也沒關(guān)系，依靠自然規(guī)律實現(xiàn)了核裂變反應(yīng)的有效控制，從第三個方面支撐了固有安全。

現(xiàn)在還有一個問題，反應(yīng)堆溫度升高后是會自動停堆，可是最終停堆前，堆內(nèi)的材料能熬過這個溫度升高的過程嗎？

答案是：沒問題。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，半個世紀(jì)后在中國變成了現(xiàn)實。

高溫氣冷堆如何造福社會？

說回高溫。

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。各個行業(yè)對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(yùn)行實驗證明，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。

高溫氣冷堆的用途示意（引自美國NGNP項目）

今年9月12日，石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程成功實現(xiàn)首次臨界，并計劃年底首次并網(wǎng)發(fā)電。商運(yùn)以后，它將帶來每年14億度的發(fā)電量，預(yù)計每年可以減少二氧化碳（CO2）排放90萬噸，有望為我國加快“雙碳”戰(zhàn)略實施，為中國乃至世界能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級、生態(tài)環(huán)境保護(hù)治理、應(yīng)對全球氣候變化貢獻(xiàn)重要的“綠色力量”。