近日
2020年度國家科學技術獎勵大會召開
清華大學王大中院士
榮獲國家最高科學技術獎
回顧他的科研耕耘之路
無論是帶領團隊建成
世界首座10兆瓦高溫氣冷實驗堆
還是在其指導下
由學生、核研院院長張作義接棒
與企業合作建設世界首座
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商業運行
意味著中國將第一次
在一種工業規模的先進反應堆技術上
領先世界
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域
一臉茫然的“新手小白”
別擔心！讀完本文
你也能進階為掌握一定知識的
“入門級選手”！
我們是如何利用核能發電的？
自從1938年科學家發現了核裂變，人類就進入了開發利用核能的時代。
經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，屬于熱中子反應堆的一種。現代化的壓水堆核電站是人類工業技術的一個高峰，在全球能源供給中發揮了重要作用，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，核能發電的主要過程分為3步：
首先，核燃料在反應堆堆芯發生核裂變鏈式反應產生大量的熱，將核能轉換成了熱能；
通過冷卻劑（比如水）循環，把熱量從堆芯帶到蒸汽發生器中，使蒸汽發生器另一側的水受熱蒸發形成水蒸汽，水蒸汽進入汽輪機內膨脹帶動汽輪機轉子轉動，就將熱能轉換成了機械能；
最后，汽輪機轉子帶動發電機的轉子旋轉，使發電機發電，將機械能轉換為電能，從而實現核能發電。
這個過程中，通過堆芯的冷卻水和推動汽輪機做功的水蒸汽分處一回路與二回路，放射性物質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生巨大的能量，核能發電的過程中幾乎零碳排放，不會加劇“溫室效應”，因而核能屬于非常清潔、優質的能源。
世界級難題：核能應用的安全性
你也許聽說過核能開發歷程中發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年蘇聯切爾諾貝利核電站事故
2011年日本福島核電站事故……
這些災難性的核事故，加上公眾對核能利用的另一種形式——原子彈核爆的錯位聯想，讓安全性擔憂成為人們心中的夢魘，也給世界核能事業的發展蒙上了一層陰云。越來越多的科學家意識到，安全性是核能發展的生命線，是核能技術發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，反應堆安全必須是“固有的”（inherent safety）。也就是說，出現任何事故，核反應堆不依靠外部操作，而僅靠自然物理規律都能夠趨向安全狀態。
更具體地說，要實現核能安全，必須確保三大要素：
要素一：核裂變反應的有效控制
要素二：及時導出停堆以后堆芯的余熱
要素三：牢牢地把放射性物質包容起來
而“固有安全”，就是“反應堆不靠外部動力、信號、冷卻劑，就能確保這三大要素的實現，不失控、不熔毀、放射性不泄漏”。
也就是說，即使反應堆突發故障或遭遇自然災害，一切人為操作系統都失靈，反應堆仍然可以依靠自然規律自己趨向安全的狀態。
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，不同程度污染環境。上文中的三次災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，像一簇暗夜中的火光，不可避免地吸引了各國科學家的目光。
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”等與其他核反應堆不同的特點。
氦氣作為冷卻劑
與壓水堆發電的原理一樣，高溫氣冷堆也是通過核能-熱能-機械能-電能的轉化實現發電。不同的是，高溫氣冷堆不是通過“水冷”而是通過“氣冷”的方式進行堆芯冷卻和熱傳導，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，氦氣化學性質穩定，高溫下不容易與反應堆的其他物質發生反應，并且有著較好的熱力學性能。
石墨作為慢化劑
為使熱中子反應堆里的核裂變反應得以持續進行，核反應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規模上實現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”，世紀之初在清華大學“200號”建成的10兆瓦高溫氣冷實驗堆，就已經在實驗堆的規模上實現了固有安全這一特性。
2004年Wired雜志稱其為“不會熔毀的反應堆”，是一種固有安全的核能系統，達到了當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新技術：
一是模塊式反應堆設計
為了踐行追尋固有安全的初心，高溫氣冷堆采用模塊式設計。其核心思想是把一個百萬千瓦的大反應堆拆分成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堆。
當然反過來，這10個模塊也可以把各自產生的蒸汽合并送入一臺汽輪機，形成大的核電機組。
為什么要這么設計呢？與燃煤電廠不同，核反應堆停止運行后，堆芯里的裂變產物還會繼續發生衰變，產生可觀的余熱。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，釀成嚴重的事故后果。
日本福島第一核電站發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），使停堆后產生的余熱處于較低水平。發生任何意外時，即使不進行人為的能動冷卻，停堆后堆芯的余熱也可以通過熱傳導、熱輻射等基本的自然現象安全地散發出去，實現了余熱非能動載出，避免堆芯熔化。此外，反應堆內有大量的石墨結構材料可以吸收余熱，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，反應堆停堆后，一方面，隨著時間的推移，衰變產生的余熱越來越少；另一方面，隨著堆芯溫度的升高，堆芯通過熱輻射、熱傳導向外散熱的能力會逐漸提高。
兩方面共同發揮作用，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，反應堆的材料和燃料都在所能承受的溫度范圍之內，可以確保反應堆的安全，不需要人為干預。
這樣一來，通過自然規律高溫氣冷堆就實現了上文提到的核安全三要素之一：及時導出停堆以后堆芯的余熱，從一個方面支撐了固有安全。
同時，多模塊組合的設計，意味著這類核電站的規模可根據不同國家、不同區域的電力需求靈活配置。20萬、60萬、100萬等系列裝機容量，只需要考慮用2個、6個還是10個模塊疊加就可以實現，這使得高溫氣冷堆核電站具有更廣闊的適應性和靈活性。
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
層層包覆的牢固結構、耐高溫高壓的強悍屬性、嚴苛的質量標準檢驗，使得每個燃料球都能把放射性物質牢牢包裹起來，有效防止正常運行或意外發生時放射性物質泄漏，從而實現了上文提到的另一個核安全要素：把放射性物質牢牢包容起來，進一步支撐了固有安全。
三是反應堆不停堆在線換料
通常堆型的燃料元件多為燃料棒，燃料棒插在堆內固定位置，運行一段時間后（一般為12-18個月）要把反應堆停下來，換掉部分“燒透”的燃料棒，再補充新的燃料棒。可以想見，新裝入的燃料棒能量是有富余或者是過量的，存在核反應的過剩反應性，這就給固有安全三要素之一：有效控制核裂變反應帶來了壓力。切爾諾貝利核事故就是早期設計有缺陷、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。
而球床高溫氣冷堆的好處是，在反應堆運行過程中，新燃料球從反應堆頂部填裝到反應堆中，球靠重力自然落入堆芯并往下流動，反應過的燃料球再從反應堆底部卸出，整個裝卸料過程不需要停堆，實現反應堆不停堆在線換料。這種方式不但大大提高了運行效率，而且不用階段性裝入過多核燃料，大幅減少了堆內的過剩反應性，因而大大降低了有效控制核裂變反應的難度。
通俗地說，就像我們平時燒柴，一上來就往灶里放很多新柴，火勢必燒得更旺，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，還需要反應性的“負溫度系數”設計。通過周密的材料匹配與堆芯物理設計，模塊式球床高溫氣冷堆具有很大的反應性“負溫度系數”，堆芯溫度升高會引起反應性自動下降。也就是說，一旦溫度升高，核反應過程就能自己減速、甚至 “剎車”停下來。換句話說，即使因為人為或自然災害導致控制失誤或喪失，沒能人為能動停堆，只要反應堆溫度升高，它自己就會減少核反應直至自動停堆。
一般反應堆里，核裂變反應的控制都是通過控制棒來實現的，緊急停堆或發生事故時控制棒會快速落下，促使反應堆快速停止核裂變反應，否則就有事故風險。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系，依靠自然規律實現了核裂變反應的有效控制，從第三個方面支撐了固有安全。
現在還有一個問題，反應堆溫度升高后是會自動停堆，可是最終停堆前，堆內的材料能熬過這個溫度升高的過程嗎？
答案是：沒問題。由于反應堆內使用了大量石墨結構材料，燃料元件也是耐高溫的全陶瓷材料，和其他反應堆相比，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裝置上，而是依靠自然規律讓反應堆自己就能逐漸趨于安全狀態，泰勒的固有安全的設想，半個世紀后在中國變成了現實。
高溫氣冷堆如何造福社會？
說回高溫。
高溫氣冷堆能夠達到其它堆型達不到的冷卻劑出口溫度，讓它不只能高效發電，還能利用高溫特性發展核能的非電應用，實現綜合利用、一舉多得。
目前，世界能源有約40%以電的形式得到利用，其余都是非電應用，包括以各種形式利用的工業熱、民用熱和交通能源等。各個行業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到750℃，產生566℃的過熱蒸汽，在高效發電之外，高溫蒸汽還能用于熱電聯產、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，高溫氣冷堆有望進一步提高運行溫度, 目前技術水平的高溫氣冷堆具備運行在950℃的能力，可用于核能大規模綠色制氫，有望對解決石化、冶金、交通等行業的二氧化碳排放問題發揮關鍵支撐作用。
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首次臨界，并計劃年底首次并網發電。商運以后，它將帶來每年14億度的發電量，預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”戰略實施，為中國乃至世界能源結構優化升級、生態環境保護治理、應對全球氣候變化貢獻重要的“綠色力量”。
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