[科普中国]-首座四代核安全气冷堆将发电

要了解高温气冷堆到底有多安全，咱们先来看看其运行机制。

上图黑色的小圆柱体为压水堆的核燃料芯块，它们一节一节地被装入燃料棒中。而高温气冷堆的核燃料却是这样的：

图为高温气冷堆的球形燃料元件，每一个都如网球般大小。

中国山东荣成的石岛湾高温气冷堆预计2018年并网发电， 图为工作人员正在检查球形燃料元件，图片来自CNI23。

球形燃料元件看上去傻大黑粗的样子，但其实它很精密，因为它不止是一个球，它里面还包含着1.2万个“小球”。

直径60毫米的球形燃料元件包含1.2万个“小球”。

而内部密密麻麻的每一个“小球”也具有精密的结构，如下：

“小球”直径1毫米，内部的二氧化铀核芯直径0.5毫米。

以上，就是高温气冷堆使用的燃料元件，它们放入反应堆时大概是这个样子。

接下来，咱们再看看它是怎么运作的。

如上图，上万个球形燃料元件在反应堆容器里面进行反应，热量由透明的氦气带走，通过热交换，高达750摄氏度的高温氦气将自身热量传递给二回路中的水。此图为了简明，少画了一个鼓风机，显然，只有鼓风机高速运转，才能让氦气高速通过堆芯并带走热量。

高温气冷堆的顶部是加料口，底部有卸料口，这意味着，即使核电站还在运行，换料时也无须停堆。

实际上，高温气冷堆中，其燃料元件并不是用一次就完事，而是一两年内多次循环使用，10次左右，直到经过检测，燃料不能再用为止。

图片来自Graham Templeton。

固有安全性

就像一架战斗机，它必须满足隐身、超音速巡航等重要条件后才能称之为第五代战斗机一样。第四代反应堆也具有很多特征，而其中的一个重要特征是安全性进一步提高。

从这一点上来说，高温气冷堆是满足的，因为它的安全不是依靠人的掌控，而是依赖于一种物理现象。

1987年，10兆瓦高温气冷实验堆的建设被列入国家“863”计划。1995年，由清华大学核能与新能源技术研究院建造，2003年1月实现满功率运行。

2004年的时候，中国10兆瓦高温气冷堆向60多位国际原子能专家进行了核安全展示。

这次展示是这样的：在反应堆正常运行时突然切断电源，也就是说，鼓吹氦气的鼓风机停转，冷却系统被关闭，同时，也没有人为地插入控制棒，结果，反应堆自己停了下来，事后也没有发生堆芯熔毁、燃料元件烧毁等事故。

山东石岛湾20万千瓦高温气冷堆，其技术是依据之前的10兆瓦高温气冷实验堆进一步提升发展而来，所以它也将具有这种固有安全性。

现在，让我们来看看，高温气冷堆的这种高安全性是怎么来的。

反应堆中，参与裂变的是铀235，而铀238虽然会吸收中子，但它不会参与裂变。神奇的是，如果反应堆温度升高，则铀235吸收中子的能力就会减弱，但铀238吸收中子的能力却会增强，这是一种物理现象，叫做“多普勒展宽”。

根据多普勒展宽，高温气冷堆中如果失去冷却，那么显然，堆内温度将升高，可高到一定程度时，因为铀235吸收中子能力减弱，同时铀238又吸引了过多中子，结果就是，没有足够的中子，裂变就玩不下去了。而堆内的球形燃料元件即使经受1650℃的高温时也不会破损。

到这里，有人会质疑：又不是只有高温气冷堆中有铀235和铀238，其他种类的反应堆中也是大把大把的呀。如果气冷堆具有这种固有安全性，那么其他堆也将具有！

确实如此，在一般的传统反应堆中，同样也具有“多普勒展宽”效应，但由于传统反应堆的核燃料密度较高，所以这种现象不占主导作用。

而高温气冷堆由于燃料密度较低，故“多普勒展宽”效应才能发挥决定性的作用。

这也是为什么，高温气冷堆的功率通常较小的原因之一，比如石岛湾这个是20万千瓦，而下一个正在规划的也才60万千瓦。目前，高温气冷堆的缺点是经济性还有待考验，不过，未来如果采取模块化设计和建造，则经济性将会进一步增强。

几大优点

与其他堆型相比具有这么几个优点。

反应堆的出口温度高达750～950℃，技术进一步提升同时安全性能得到保证时，出口温度甚至可提升到1000～1200℃。如此高的出口温度，这让高温气冷堆除了发电以外，它还可以直接应用于于炼钢、制氢、煤的液化或气化等工业生产中。

中国工程院院士郑健超表示：高温气冷堆是安全性很高的反应堆，而它最具吸引力的应用前景是规模制氢。

同时，由于出口温度高，它的发电效率可达40%以上，是目前效率最高的核反应堆。

图为山东石岛湾核电厂，反应堆压力容器吊装过程。图片来自新华社记者郭绪雷。

根据华能集团网站上的信息显示，英国石油公司、美国杜克能源、新加坡淡马锡等公司曾探讨使用中国高温气冷堆的事宜。而美国橡树岭国立实验室发表的报告则认为，中国高温气冷堆一旦成功，将有可能占据发展中国家相当一部分市场份额。