国家最高科技奖出炉，你还不知道高温气冷堆是咋回事？
近日
2020年度国家科学技术奖励大会召开
清华大学王大中院士
荣获国家最高科学技术奖
回顾他的科研耕耘之路
无论是带领团队建成
世界首座10兆瓦高温气冷实验堆
还是在其指导下
由学生、核研院院长张作义接棒
与企业合作建设世界首座
模块式球床高温气冷堆核电站示范工程——
华能山东石岛湾高温气冷堆核电站
“固有安全”和“高温气冷”
都是绕不开的话题
在不久的将来
这座核电站将逐步实现商业运行
意味着中国将第一次
在一种工业规模的先进反应堆技术上
领先世界
面对这些前沿的科技成果
你也许和很多人一样充满困惑：
什么是高温气冷堆？
它与其他核反应堆有什么不同？
为什么说它具有“固有安全性”？
“固有安全性”又是什么？
……
也许你是个对核能领域
一脸茫然的“新手小白”
别担心！读完本文
你也能进阶为掌握一定知识的
“入门级选手”！
我们是如何利用核能发电的？
自从1938年科学家发现了核裂变，人类就进入了开发利用核能的时代。
以压水堆核电站为例，核能发电的主要过程分为3步：
首先，核燃料在反应堆堆芯发生核裂变链式反应产生大量的热，将核能转换成了热能；
通过冷却剂（比如水）循环，把热量从堆芯带到蒸汽发生器中，使蒸汽发生器另一侧的水受热蒸发形成水蒸汽，水蒸汽进入汽轮机内膨胀带动汽轮机转子转动，就将热能转换成了机械能；
最后，汽轮机转子带动发电机的转子旋转，使发电机发电，将机械能转换为电能，从而实现核能发电。
这个过程中，通过堆芯的冷却水和推动汽轮机做功的水蒸汽分处一回路与二回路，放射性物质不会通过水传递出来。而且，核电站只需消耗很少的核燃料就可以产生巨大的能量，核能发电的过程中几乎零碳排放，不会加剧“温室效应”，因而核能属于非常清洁、优质的能源。
世界级难题：核能应用的安全性
你也许听说过核能开发历程中发生的几次影响巨大的核事故：
1979年美国三哩岛核电站事故
1986年苏联切尔诺贝利核电站事故
2011年日本福岛核电站事故……
这些灾难性的核事故，加上公众对核能利用的另一种形式——原子弹核爆的错位联想，让安全性担忧成为人们心中的梦魇，也给世界核能事业的发展蒙上了一层阴云。越来越多的科学家意识到，安全性是核能发展的生命线，是核能技术发展必须面对的主要矛盾。
1956年，爱德华·泰勒曾提出：要使公众接受核能，反应堆安全必须是“固有的”（inherent safety）。也就是说，出现任何事故，核反应堆不依靠外部操作，而仅靠自然物理规律都能够趋向安全状态。
更具体地说，要实现核能安全，必须确保三大要素：
要素一：核裂变反应的有效控制
要素二：及时导出停堆以后堆芯的余热
要素三：牢牢地把放射性物质包容起来
而“固有安全”，就是“反应堆不靠外部动力、信号、冷却剂，就能确保这三大要素的实现，不失控、不熔毁、放射性不泄漏”。
也就是说，即使反应堆突发故障或遭遇自然灾害，一切人为操作系统都失灵，反应堆仍然可以依靠自然规律自己趋向安全的状态。
反过来，这三个要素中的任何一个未能满足，都会造成核事件或事故，不同程度污染环境。上文中的三次灾难就各自源于这三方面的原因。
而具有“固有安全性”的高温气冷堆的出现，像一簇暗夜中的火光，不可避免地吸引了各国科学家的目光。
什么是高温气冷堆？
高温气冷堆，顾名思义，必然包含“高温”、“气冷”等与其他核反应堆不同的特点。
氦气作为冷却剂
与压水堆发电的原理一样，高温气冷堆也是通过核能-热能-机械能-电能的转化实现发电。不同的是，高温气冷堆不是通过“水冷”而是通过“气冷”的方式进行堆芯冷却和热传导，即冷却剂是气体。中国高温气冷堆的冷却剂是氦气。作为一种理想的惰性气体，氦气化学性质稳定，高温下不容易与反应堆的其他物质发生反应，并且有着较好的热力学性能。
石墨作为慢化剂
为使热中子反应堆里的核裂变反应得以持续进行，核反应过程还需要一种材料，叫慢化剂，又称中子减速剂，用以减慢中子的运动速度。不同于轻水堆、重水堆核电站以水（H2O）和重水（D2O）作为慢化剂，高温气冷堆采用石墨作为慢化剂，具有良好的耐高温特性。
高温
以氦气为冷却剂、以石墨为慢化剂，加上堆内核燃料和其它材料均采用耐高温材料，这些条件使得高温气冷堆的工作温度和冷却剂的堆芯出口温度可以达到其它堆型难以企及的高度——900～1000摄氏度。
这么高的温度有什么用？让我们接着往下看。
为什么高温气冷堆具有固有安全特性？
如果说，今天的石岛湾高温气冷堆核电站是世界首座在工业规模上实现固有安全的模块式高温气冷堆核电站，那么，作为这座核电站的“原型”，世纪之初在清华大学“200号”建成的10兆瓦高温气冷实验堆，就已经在实验堆的规模上实现了固有安全这一特性。
2004年Wired杂志称其为“不会熔毁的反应堆”，是一种固有安全的核能系统，达到了当今世界核能安全的最高水平。
中国高温气冷堆具有三大核心创新技术：
一是模块式反应堆设计
为了践行追寻固有安全的初心，高温气冷堆采用模块式设计。其核心思想是把一个百万千瓦的大反应堆拆分成10个小的模块，每一个模块都是一座可以独立运行的小反应堆。
当然反过来，这10个模块也可以把各自产生的蒸汽合并送入一台汽轮机，形成大的核电机组。
为什么要这么设计呢？与燃煤电厂不同，核反应堆停止运行后，堆芯里的裂变产物还会继续发生衰变，产生可观的余热。所以，即使停堆了，如果不能及时冷却堆芯、载出余热，堆芯内热量越积越多、温度越升越高，包裹核燃料的外壳就有可能因为过热而造成熔化，破坏放射性包容能力，酿成严重的事故后果。
日本福岛第一核电站发生的事故就是这类情形。
因此，高温气冷堆采用小型模块式设计，每一个小模块都可以采用很低的功率密度（约为大型压水堆核电站的1/30），使停堆后产生的余热处于较低水平。发生任何意外时，即使不进行人为的能动冷却，停堆后堆芯的余热也可以通过热传导、热辐射等基本的自然现象安全地散发出去，实现了余热非能动载出，避免堆芯熔化。此外，反应堆内有大量的石墨结构材料可以吸收余热，使得堆芯具有很大的热容量，停堆后温度上升缓慢。这就好比一小壶水的热容量很小，很容易就能烧开；而一大锅水的热容量较大，需要更多的热量才能烧开。
简单地说，反应堆停堆后，一方面，随着时间的推移，衰变产生的余热越来越少；另一方面，随着堆芯温度的升高，堆芯通过热辐射、热传导向外散热的能力会逐渐提高。
两方面共同发挥作用，使得堆芯温度升高一段时间以后就开始慢慢自动下降。这个过程中，反应堆的材料和燃料都在所能承受的温度范围之内，可以确保反应堆的安全，不需要人为干预。
这样一来，通过自然规律高温气冷堆就实现了上文提到的核安全三要素之一：及时导出停堆以后堆芯的余热，从一个方面支撑了固有安全。
同时，多模块组合的设计，意味着这类核电站的规模可根据不同国家、不同区域的电力需求灵活配置。20万、60万、100万等系列装机容量，只需要考虑用2个、6个还是10个模块叠加就可以实现，这使得高温气冷堆核电站具有更广阔的适应性和灵活性。
二是自主研制的“耐高温全陶瓷包覆颗粒球形核燃料元件”
球床型高温气冷堆采用的核燃料元件是耐高温全陶瓷包覆颗粒球形核燃料元件，也可以叫做燃料球。在石岛湾高温气冷堆示范电站，燃料球直径6厘米，最外层是石墨层，里面是弥散在基体石墨粉中的大约12000个四层全陶瓷材料包覆的、直径0.9毫米的核燃料颗粒。
高温气冷堆示范电站球形燃料元件示意图
你可以把它想象成，每一个燃料球和其中的燃料颗粒就像是一个球形糖果盒里装着12000颗层层夹心的巧克力球，巧克力的最中心就是核燃料——铀-235。
左为普通高尔夫球，右为球形燃料元件
层层包覆的牢固结构、耐高温高压的强悍属性、严苛的质量标准检验，使得每个燃料球都能把放射性物质牢牢包裹起来，有效防止正常运行或意外发生时放射性物质泄漏，从而实现了上文提到的另一个核安全要素：把放射性物质牢牢包容起来，进一步支撑了固有安全。
三是反应堆不停堆在线换料
通常堆型的燃料元件多为燃料棒，燃料棒插在堆内固定位置，运行一段时间后（一般为12-18个月）要把反应堆停下来，换掉部分“烧透”的燃料棒，再补充新的燃料棒。可以想见，新装入的燃料棒能量是有富余或者是过量的，存在核反应的过剩反应性，这就给固有安全三要素之一：有效控制核裂变反应带来了压力。切尔诺贝利核事故就是早期设计有缺陷、在这方面出了纰漏，而又叠加人为操作错误造成的惨痛教训。
而球床高温气冷堆的好处是，在反应堆运行过程中，新燃料球从反应堆顶部填装到反应堆中，球靠重力自然落入堆芯并往下流动，反应过的燃料球再从反应堆底部卸出，整个装卸料过程不需要停堆，实现反应堆不停堆在线换料。这种方式不但大大提高了运行效率，而且不用阶段性装入过多核燃料，大幅减少了堆内的过剩反应性，因而大大降低了有效控制核裂变反应的难度。
通俗地说，就像我们平时烧柴，一上来就往灶里放很多新柴，火势必烧得更旺，但火势不好控制；而不停堆在线换料意味着我们可以在初期少放点柴，等它烧起来再一边添柴一边把烧完的炭取出，火势够用而又平稳安全。
高温气冷堆示范电站一个模块示意图
那么，如上文所述就能完全确保核裂变反应的有效控制吗？
这还不够。
要保证任何情况下都能有效控制核裂变反应，还需要反应性的“负温度系数”设计。通过周密的材料匹配与堆芯物理设计，模块式球床高温气冷堆具有很大的反应性“负温度系数”，堆芯温度升高会引起反应性自动下降。也就是说，一旦温度升高，核反应过程就能自己减速、甚至 “刹车”停下来。换句话说，即使因为人为或自然灾害导致控制失误或丧失，没能人为能动停堆，只要反应堆温度升高，它自己就会减少核反应直至自动停堆。
一般反应堆里，核裂变反应的控制都是通过控制棒来实现的，紧急停堆或发生事故时控制棒会快速落下，促使反应堆快速停止核裂变反应，否则就有事故风险。而模块式球床高温气冷堆即使控制棒卡住无法落下也没关系，依靠自然规律实现了核裂变反应的有效控制，从第三个方面支撑了固有安全。
现在还有一个问题，反应堆温度升高后是会自动停堆，可是最终停堆前，堆内的材料能熬过这个温度升高的过程吗？
答案是：没问题。由于反应堆内使用了大量石墨结构材料，燃料元件也是耐高温的全陶瓷材料，和其他反应堆相比，高温气冷堆足够耐高温，完全不在怕的！
不把安全寄托在人为的操作或各种安全保护装置上，而是依靠自然规律让反应堆自己就能逐渐趋于安全状态，泰勒的固有安全的设想，半个世纪后在中国变成了现实。
高温气冷堆如何造福社会？
说回高温。
高温气冷堆能够达到其它堆型达不到的冷却剂出口温度，让它不只能高效发电，还能利用高温特性发展核能的非电应用，实现综合利用、一举多得。
目前，世界能源有约40%以电的形式得到利用，其余都是非电应用，包括以各种形式利用的工业热、民用热和交通能源等。各个行业对高温工艺热有很大需求。
石岛湾高温气冷堆示范电站的氦气出口温度能达到750℃，产生566℃的过热蒸汽，在高效发电之外，高温蒸汽还能用于热电联产、稠油热采、化工、冶金等。10兆瓦高温气冷实验堆超高温运行实验证明，高温气冷堆有望进一步提高运行温度, 目前技术水平的高温气冷堆具备运行在950℃的能力，可用于核能大规模绿色制氢，有望对解决石化、冶金、交通等行业的二氧化碳排放问题发挥关键支撑作用。
高温气冷堆的用途示意（引自美国NGNP项目）
今年9月12日，石岛湾高温气冷堆核电站示范工程成功实现首次临界，并计划年底首次并网发电。商运以后，它将带来每年14亿度的发电量，预计每年可以减少二氧化碳（CO2）排放90万吨，有望为我国加快“双碳”战略实施，为中国乃至世界能源结构优化升级、生态环境保护治理、应对全球气候变化贡献重要的“绿色力量”。
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文｜詹萌
鸣谢 | 核研院
排版｜龚昕冉 皇甫硕龙
编辑｜龚昕冉 赵姝婧