愛華網(wǎng)??? 摘要：我國掌握的高溫氣冷堆是最新的核電技術(shù)，其“固有安全”性開啟了世界核歷史上的第二核紀(jì)元。落實(shí)強(qiáng)化自主創(chuàng)新的國策，加大對(duì)高溫氣冷堆技術(shù)方向的投入，鞏固我國在核電技術(shù)革命中的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，積極促進(jìn)高溫氣冷堆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，必將引領(lǐng)我國核電產(chǎn)業(yè)朝著自主、健康的方向發(fā)展。 ??? 2006年12月，中國第三代核電技術(shù)全盤引進(jìn)路線，在經(jīng)歷兩年多的國際招標(biāo)之后，終于塵埃落地，美國西屋公司的AP1000中標(biāo)。這次核電技術(shù)的引進(jìn)思路是：“引進(jìn)國外‘成熟先進(jìn)的第三代技術(shù)’，在外國核電供應(yīng)商為我國建設(shè)四臺(tái)第三代核電機(jī)組后，從2010年開始這種引進(jìn)機(jī)型的批量建設(shè)，并于2020年達(dá)到裝機(jī)容量4000萬千瓦的目標(biāo)。中國核電將以此類堆型為主，從而實(shí)現(xiàn)一步跨越、統(tǒng)一技術(shù)路線。”——但三代技術(shù)一定是未來核能產(chǎn)業(yè)主要的發(fā)展方向嗎？在技術(shù)上是否有更值得關(guān)注的選擇？其實(shí)也許更具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)選擇正在孕育。而且不是在西方傳統(tǒng)的核能發(fā)達(dá)國家，而是在中國本土。我國獨(dú)立掌握的高溫氣冷堆核能技術(shù)可以說已經(jīng)開啟了世界核能史上的第二核紀(jì)元，高溫氣冷堆的產(chǎn)業(yè)化也必將引領(lǐng)著我國核電產(chǎn)業(yè)健康快速的發(fā)展。 一、世界新型核能反應(yīng)堆的三種思路
??? 三哩島和切爾諾貝利兩次嚴(yán)重核事故后，核能技術(shù)的走向成為一個(gè)引起世界各國關(guān)注的問題?？傮w上看，核電行業(yè)在核事故后著手研制的新型反應(yīng)堆，基本遵循三種思路：改進(jìn)型、革新型、革命型。第三代輕水堆都屬于堆型變化相對(duì)較小的前兩類。其中改進(jìn)型是在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用國際上已成熟的技術(shù)，增加安全裕量，增加對(duì)付嚴(yán)重事故的安全措施，提高安全性；通過增加單機(jī)容量，利用規(guī)模效益改善經(jīng)濟(jì)性，補(bǔ)償因提高安全性而引起的經(jīng)濟(jì)性下降?？傮w來說，改進(jìn)型的輕水堆采取了“加”系統(tǒng)的方式，通過安全冗余設(shè)計(jì)和添加更多的安全設(shè)施確保整個(gè)反應(yīng)堆的安全。屬于改進(jìn)型的堆型主要有ABB-CE公司的系統(tǒng)80+（system80+）、通用電氣公司的先進(jìn)型沸水堆（ABWR）以及法國和德國聯(lián)合開發(fā)的歐洲壓水堆（EPR）。 ??? 而革新型的輕水堆相對(duì)來說技術(shù)變化要更多一些，但也仍然是基于原有的成熟技術(shù)。這種類型輕水堆的主要特點(diǎn)是，依靠自然規(guī)律（重力、自然循環(huán)等）的非能動(dòng)安全（passive safety）設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)、減少設(shè)備，既提高安全性，又改善經(jīng)濟(jì)性。屬于革新型的主要是西屋公司的AP600以及之后發(fā)展出來的AP1000。AP系列的非能動(dòng)安全技術(shù)是一個(gè)整體性的概念，具體來說，它是由非能動(dòng)的堆芯冷卻系統(tǒng)和非能動(dòng)的安全殼冷卻系統(tǒng)構(gòu)成的一套應(yīng)對(duì)各類事故的安全體系。其中，AP600的堆芯、壓力殼、堆內(nèi)構(gòu)件和燃料元件與已經(jīng)投入運(yùn)行多年的西屋壓水堆基本相同。它的創(chuàng)新之處主要是裝備了自然循環(huán)熱交換器，并依靠非能動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行安全殼冷卻。而AP1000與AP600設(shè)計(jì)思路基本相同，是在提高輸出功率的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來的。 ??? 雖然革新型的三代輕水堆在安全性和經(jīng)濟(jì)性上都有了很大的提高，但是無論是改進(jìn)型的EPR、ABWR、SYSTEM80+，還是革新型的AP600、AP1000，都仍然沿用了原來壓水堆或沸水堆的基本設(shè)計(jì)思路，離當(dāng)初學(xué)術(shù)界提出的固有安全反應(yīng)堆還有很大距離。為了理解這種區(qū)別，必須首先區(qū)分“非能動(dòng)安全”和“固有安全”兩個(gè)本質(zhì)上截然不同的技術(shù)概念。所謂“非能動(dòng)安全”是指某一類實(shí)現(xiàn)核電安全性的具體方式，與傳統(tǒng)的附加動(dòng)力設(shè)備實(shí)現(xiàn)安全的方式不同，“非能動(dòng)安全”是指是建立在慣性原理（如泵的惰轉(zhuǎn)）、重力法則（如位差）、熱傳遞法則等基礎(chǔ)上的非能動(dòng)設(shè)備（無緣設(shè)備）的安全性，即安全功能的實(shí)現(xiàn)不需要依賴外來的動(dòng)力。而“固有安全”是相對(duì)于過去“概率安全”的反應(yīng)堆提出的，它的定義是：當(dāng)反應(yīng)堆出現(xiàn)異常工況時(shí)，不依靠人為操作或外部設(shè)備的強(qiáng)制性干預(yù)，只是由反應(yīng)堆的自然安全性和非能動(dòng)安全性控制反應(yīng)性或移出堆芯熱量，使反應(yīng)堆趨于正常運(yùn)行和安全停閉。 ??? 固有安全的反應(yīng)堆在設(shè)計(jì)上要確保在出現(xiàn)任何情況時(shí)都不會(huì)造成堆芯熔化事故。在發(fā)生上述正反應(yīng)性引入事故條件下，堆功率上升導(dǎo)致燃料元件的溫度升高，但負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)能迅速抑制其功率的上升，燃料最高溫度遠(yuǎn)低于燃料元件最高溫度限值，這樣堆芯熔化就從物理原理上不會(huì)發(fā)生了。其中高溫氣冷堆就是這種固有安全設(shè)計(jì)的典范。高溫氣冷堆采用涂敷顆粒燃料，以石墨作慢化劑。優(yōu)異的包覆顆粒燃料是獲得其良好安全性的基礎(chǔ)。鈾燃料被分成為許多小的顆粒，經(jīng)過精密加工成多層包覆直徑小于1mm的顆粒狀燃料，顆粒狀燃料均勻彌散在石墨慢化材料的基體中，制造成直徑為6cm的球形燃料元件。石墨的熔點(diǎn)在3000度以上，而氦氣作冷卻劑的化學(xué)穩(wěn)定性和傳熱性都很好，停堆后能將余熱安全帶出，極大提高了安全性。除了所選用的材料，最為關(guān)鍵的是這種堆型通過結(jié)構(gòu)上的精巧設(shè)計(jì)可以做到在幾乎任何情況下都可以實(shí)現(xiàn)安全停堆。模塊化設(shè)計(jì)的固有安全性使反應(yīng)堆不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的核泄漏，不會(huì)出現(xiàn)危及周圍環(huán)境的事故，也不再需要廠外應(yīng)急措施。 二、高溫期冷堆，來自德國概念的中國原創(chuàng) ??? 雖然中國發(fā)展高溫氣冷堆已經(jīng)走到了世界前列，但這項(xiàng)技術(shù)并非完全意義上的本土原創(chuàng)。上世紀(jì)60年代，西方國家已經(jīng)開發(fā)過早期的高溫氣冷堆。當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)出的反應(yīng)堆直徑很小，但是高度很高，通過結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)也可以達(dá)到固有安全。不過實(shí)驗(yàn)堆功率很小，如果要建造百萬千瓦電站，必須繼續(xù)提高功率提高經(jīng)濟(jì)性。但這樣一來反應(yīng)堆的體積就會(huì)過于龐大工藝上很難實(shí)現(xiàn)，最終沒有做成。同許多早期人們?cè)?jīng)嘗試過的堆型一樣，高溫氣冷堆也很快徹底敗在了如日中天的壓水堆手下。 ??? 直到1979年美國出現(xiàn)了三哩島事故，持續(xù)了幾十年的核能狂熱才開始在西方逐漸降溫。三哩島事故雖然只是一次偶然事故，卻暴露出已經(jīng)被工業(yè)界視為主流技術(shù)的壓水堆存在的“先天缺陷”，即無論采取怎樣的事故緩解和安全保護(hù)機(jī)制，從設(shè)計(jì)上講這類堆型永遠(yuǎn)存在失水而導(dǎo)致堆芯熔化的隱患。從那時(shí)起，除了繼續(xù)改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)，一些高瞻遠(yuǎn)矚的科學(xué)家和工程師開始重新考慮那些曾經(jīng)被人們考慮過的概念堆型。 ??? 當(dāng)時(shí)兩個(gè)在西門子工作的德國人連夜通過電話溝通，要設(shè)計(jì)出一個(gè)絕對(duì)安全的反應(yīng)堆。他們?cè)谠懈邷貧饫涠逊桨傅幕A(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了第一臺(tái)模塊式高溫氣冷堆。模塊化設(shè)計(jì)的單堆功率較小，單堆功率20萬千瓦左右，再將多堆組合起來，在經(jīng)濟(jì)上可與其他大型核電機(jī)組相競(jìng)爭(zhēng)，這種設(shè)計(jì)也因此被命名為模塊化設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)的高溫氣冷堆既可以保證安全性又實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，因此概念一出現(xiàn)便獲得了業(yè)界的重視，德國技術(shù)人員也做了大量的后續(xù)設(shè)計(jì)研發(fā)工作，但到了80年代，切爾諾貝利核事故讓西方的核電產(chǎn)業(yè)徹底進(jìn)入冬眠期。特別是在德國，在反核運(yùn)動(dòng)高漲和綠黨興起的背景下，高溫氣冷堆在他的故鄉(xiāng)無奈地失去了建造的機(jī)會(huì)。然而這個(gè)有可能改變核電產(chǎn)業(yè)命運(yùn)的機(jī)會(huì)卻被清華人抓住了。 三、清華人的研發(fā)之路 ??? 1979年中國改革開放后，德國的高溫堆之父曾來清華做演講，宣傳他的設(shè)計(jì)思想，引起了很多人的興趣。據(jù)后來參與過項(xiàng)目的老工程師回憶，其實(shí)早在文革期間清華就查到過相關(guān)資料，已經(jīng)在關(guān)注這個(gè)堆型。上世紀(jì)80年代，時(shí)任清華核研院院長的呂應(yīng)中將低溫供熱堆和高溫氣冷堆作為將來發(fā)展的主攻方向。而后來的清華校長，當(dāng)時(shí)還是普通教師的王大中到聯(lián)邦德國利希核中心做訪問學(xué)者期間參與研究的正好也是高溫氣冷堆。他首次提出了雙區(qū)球床堆的新概念——環(huán)形堆芯模塊式高溫氣冷堆，可使模塊堆的單堆功率提高一倍以上，獲得德國發(fā)明專利，并同時(shí)獲得美國和日本專利。在德國的研究過程中，王大中感受到這種堆型是具有前瞻性的，決定將其帶回中國繼續(xù)堅(jiān)持做下去。 ??? 回國后，在他的帶領(lǐng)和積極推動(dòng)下，經(jīng)過三年多的論證，10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆項(xiàng)目獲得國務(wù)院的批準(zhǔn)，開始實(shí)施，并列入80年代末的863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目。清華開始與德國合作研制，從引進(jìn)設(shè)計(jì)專利和燃料元件的制造工藝做起，逐步實(shí)施這個(gè)革命性的堆型。雖然可以從德國老師那學(xué)到不少東西，但畢竟是造出一座世界上從沒有過的新型反應(yīng)堆，各種技術(shù)細(xì)節(jié)、工藝實(shí)現(xiàn)上的困難都難以預(yù)料。 ??? 清華建造的高溫氣冷實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆采用的是球床設(shè)計(jì)。這種反應(yīng)堆的腔體內(nèi)要放置數(shù)量眾多的球型石墨燃料元件。如何在不停堆的條件下，不斷地將燃耗過的燃料球取出，換入新的燃料球是工程上需要解決的問題。清華核研院的工程師采取了一種新的球形燃料元件輸送形式，利用脈沖氣流讓燃料元件從卸料管中排出。就好像用風(fēng)給燃料球向下的外力，使其逐個(gè)滾落，不用停止反應(yīng)堆就可以維修換料。燃料元件裝卸系統(tǒng)研制課題組研制了十多年，實(shí)驗(yàn)做了十幾萬次，用了數(shù)十萬個(gè)燃料球最終得到了滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 ??? 此外，燃料的加工是高溫氣冷堆的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。球型石墨燃料元件內(nèi)部彌漫的燃料小球加工難度非常大，這種燃料小球稱為“包覆顆?！?，它的制造也是保證高溫堆具有優(yōu)異安全性的核心技術(shù)。制作包覆顆粒要先把核燃料制成直徑0.5毫米的核芯，再在其外面包上四層包覆層，每層只有幾十微米厚，而且要嚴(yán)格控制每層的厚度、密度和各向同心性，最后制成的球形顆粒直徑只有0.9毫米。8000個(gè)這樣的小顆粒均勻彌散在直徑5厘米的石墨基體里，再在其外部圍上一層厚5毫米的石墨球殼，才能制成直徑6厘米的球形燃料元件。制造工序達(dá)36道，半成品、成品檢驗(yàn)的性能指標(biāo)34項(xiàng)，包覆顆粒制造不合格率要求小于萬分之一，只要有一項(xiàng)性能不合格，這批產(chǎn)品就不能出廠。為了在工藝上實(shí)現(xiàn)這些看似普通的小球，核研院花了十幾年的心血：全部采用了自主研發(fā)的全凝膠法、化學(xué)氣相沉積法、準(zhǔn)等靜壓法等制備工藝；從實(shí)驗(yàn)室到小規(guī)模生產(chǎn)，再到建立規(guī)范完整的工藝流程，最后形成批量化；產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，不合格率降到了十萬分之五的低水平以下，最終具備了向商用核電站供應(yīng)燃料的目標(biāo)。 ??? 2004年9月30日，在國際原子能機(jī)構(gòu)的組織和安排下，世界第一座模塊式球床高溫氣冷核反應(yīng)堆在北京首次對(duì)外進(jìn)行了核安全實(shí)驗(yàn)演示，來自30多個(gè)國家的60余位國際原子能專家在現(xiàn)場(chǎng)觀看了“不插入控制棒下反應(yīng)堆喪失冷卻”的核安全實(shí)驗(yàn)演示。這次實(shí)驗(yàn)演示可能會(huì)在將來的某一天載入核能技術(shù)發(fā)展的史冊(cè)，因?yàn)檫@是世界范圍內(nèi)第一次用正在運(yùn)行中的實(shí)際反應(yīng)堆進(jìn)行核事故的模擬，能夠經(jīng)受住這樣的實(shí)驗(yàn)是因?yàn)檫@種新堆型采用了固有安全的設(shè)計(jì)理念，即從設(shè)計(jì)上確保在出現(xiàn)任何情況時(shí)都可以讓運(yùn)行中的反應(yīng)堆安全停下來，而不會(huì)造成堆芯熔化事故。 四、高溫氣冷堆的產(chǎn)業(yè)化新道路 ??? 核研院科研團(tuán)隊(duì)的堅(jiān)持不懈自主開發(fā)終于看到了結(jié)果。清華大學(xué)核研院工程技術(shù)人員為主的團(tuán)隊(duì)，完成了全部43項(xiàng)子課題的研究，其中15項(xiàng)達(dá)到國際水平、27項(xiàng)達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。10兆瓦模塊式高溫氣冷堆于2000年建成，2003年滿功率運(yùn)行成功。當(dāng)時(shí)最早做出10兆瓦堆時(shí)，清華大學(xué)并沒有想過產(chǎn)業(yè)化問題。但能源形勢(shì)等一系列的因素讓這項(xiàng)誕生在高校院墻里的技術(shù)很快就有了產(chǎn)業(yè)化的機(jī)會(huì)。 ??? 2003年前后，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展對(duì)能源的需求猛增，缺電的現(xiàn)實(shí)直接導(dǎo)致了國家對(duì)核電的政策發(fā)生轉(zhuǎn)變，國家發(fā)展核電的基調(diào)開始由“適度發(fā)展”調(diào)整為“積極發(fā)展”。政府能源規(guī)劃擬定了到2020年實(shí)現(xiàn)核能發(fā)電4000萬千瓦的總體目標(biāo)。這就意味著今后的十幾年每年都需要有2-3座百萬千萬級(jí)的核電站動(dòng)工建設(shè)。但是，這樣的大規(guī)模發(fā)展不得不讓人們更加關(guān)注核安全的問題，畢竟在核科學(xué)領(lǐng)域曾擁有過最強(qiáng)實(shí)力的兩個(gè)國家美國和前蘇聯(lián)都在核事故上跌過跟頭。而現(xiàn)在無論國內(nèi)已建成的核電站，還是將要從美國、法國引進(jìn)的先進(jìn)型“第三代壓水堆”，都仍然是“概率安全性”的，也就意味著發(fā)生嚴(yán)重事故的概率只能通過設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營等各個(gè)環(huán)節(jié)的把關(guān)而降到人們可以接受的低水平，但理論上仍不能達(dá)到零。歷經(jīng)十年艱苦科研攻關(guān)，如今高溫氣冷堆已經(jīng)一步步走向了產(chǎn)業(yè)化的門口。 ??? 2003年8月中核能源公司成立，目標(biāo)專門是為了實(shí)施高溫氣冷堆的產(chǎn)業(yè)化。中核建集團(tuán)和清華各占50%股份，注冊(cè)資本1億元人民幣。涉及核工程的三四十個(gè)單位。公司的定位是核島EPC（Engineer Purchase Construct），專做模塊化高溫氣冷堆和低溫供熱堆兩件事。2004年3月中國華能集團(tuán)、中國核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)、清華大學(xué)達(dá)成合作意向，共同推進(jìn)高溫氣冷堆的產(chǎn)業(yè)化工作，并力爭(zhēng)在2010年建成一座示范電站。三方聯(lián)合成立“高溫氣冷堆核電示范工程籌備組”，正式開展高溫氣冷堆核電示范工程的工程化推進(jìn)工作。 ??? 2009年，20萬千瓦高溫氣冷堆示范電站即將在山東省榮成市石島灣動(dòng)工，示范電站以清華大學(xué)的1萬千瓦實(shí)驗(yàn)堆為基礎(chǔ)，按比例擴(kuò)大規(guī)模建造，預(yù)計(jì)2013年11月投產(chǎn)發(fā)電。這意味著國際上最新一代的先進(jìn)反應(yīng)堆將有可能首先在中國實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。 ??? 如今，美國西屋的AP1000和法國的EPR壓水堆都已進(jìn)入中國市場(chǎng)，雖然經(jīng)過改進(jìn)，但它們所代表的壓水堆技術(shù)軌道已經(jīng)遇到了高溫氣冷堆為代表的第四代堆型的強(qiáng)大挑戰(zhàn)。中國下一步只要繼續(xù)推進(jìn)已經(jīng)掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高溫氣冷堆技術(shù)，不僅能盡快實(shí)現(xiàn)核能技術(shù)的趕超，而且將為世界核能探索出一條新的道路?！ ?nbsp;
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