今年年初，全國(guó)科學(xué)技術(shù)大會(huì)在京隆重召開，這是我國(guó)科技界的一次盛會(huì)。會(huì)上提出了《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》，在十六個(gè)重大專項(xiàng)中有一項(xiàng)令我國(guó)核能界格外關(guān)注，那就是“大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站”。什么是高溫氣冷堆？它在我國(guó)的科學(xué)界和工業(yè)界將扮演什么重要的角色？

HTR-10，中國(guó)人的驕傲

核能的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)最偉大的科學(xué)成果之一，它的能量密度（單位質(zhì)量燃料發(fā)出的能量）之高是其它常規(guī)能源所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及的。目前核能的和平利用主要是使用核能發(fā)電。核電是一種清潔的無空氣污染的新能源，并且有可能大規(guī)模地替代現(xiàn)有的火力發(fā)電，為解決我國(guó)能源供應(yīng)短缺，改善能源結(jié)構(gòu)，減輕環(huán)境污染做出貢獻(xiàn)。現(xiàn)在，在我國(guó)大陸范圍內(nèi)，正在運(yùn)行的核電站有坐落在浙江省的秦山核電站和廣東省的大亞灣核電站，采用的核反應(yīng)堆堆型為壓水堆和重水堆。從國(guó)際上看，壓水堆、沸水堆和重水堆技術(shù)相對(duì)成熟，目前在核電市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位。

高溫氣冷堆是20世紀(jì)60年代問世的一種新型反應(yīng)堆?！澳K化球床高溫氣冷堆”是在核反應(yīng)堆家族中脫穎而出的先進(jìn)堆型，我國(guó)清華大學(xué)承擔(dān)的“10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆（HTR-10）”就是這種反應(yīng)堆。

10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆（HTR-10）是國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）能源領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目之一，由清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院承擔(dān)。HTR-10于1992年經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)立項(xiàng)，1995年動(dòng)工建造，2000年12月建成達(dá)到首次臨界，2003年1月達(dá)到滿功率運(yùn)行并網(wǎng)發(fā)電。HTR-10是當(dāng)今世界上唯一一座正在運(yùn)行的具有固有安全性的球床式高溫氣冷堆，堆芯熱功率為10兆瓦。上圖為建成后的HTR-10的廠房外觀照片，左邊的主建筑為反應(yīng)堆廠房，里面安裝著反應(yīng)堆本體和蒸汽發(fā)生器（稱為一回路系統(tǒng)）；右邊的輔助建筑為汽輪機(jī)廠房，反應(yīng)堆廠房產(chǎn)生的蒸汽傳入汽輪機(jī)廠房，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行發(fā)電。

10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆是我國(guó)自主研究開發(fā)先進(jìn)核電技術(shù)所取得的一項(xiàng)重大成果，它的成功標(biāo)志著我國(guó)在高溫氣冷堆技術(shù)領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先的地位。目前，HTR-10正在進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)行考驗(yàn)和各種性能試驗(yàn)，其中包括固有安全性試驗(yàn)，為高溫氣冷堆的工業(yè)化和商業(yè)化做技術(shù)積累。值得一提的是，HTR-10的固有安全性試驗(yàn)引了起國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的高度關(guān)注，在HTR-10上成功地進(jìn)行了固有安全性試驗(yàn)被認(rèn)為是核反應(yīng)堆發(fā)展史上的一個(gè)重大事件。在試驗(yàn)中，可以假設(shè)各種事故，然后用反應(yīng)堆模擬各種事故，從而驗(yàn)證反應(yīng)堆的安全性。高溫氣冷堆可以直接用試驗(yàn)的方式向公眾演示其安全性，這是其他反應(yīng)堆所做不到的。

什么是高溫氣冷堆

高溫氣冷堆的一回路系統(tǒng)的一側(cè)為反應(yīng)堆壓力殼，另一側(cè)為蒸汽發(fā)生器壓力殼，兩殼由熱氣導(dǎo)管壓力殼相連，從而構(gòu)成密閉的反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)充滿作為冷卻劑的純凈氦氣，由氦循環(huán)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)循環(huán)流動(dòng)。反應(yīng)堆壓力殼內(nèi)部的結(jié)構(gòu)材料為石墨，中心的空腔為反應(yīng)堆堆芯。

堆芯中裝填著球形燃料元件，燃料球直徑約為60毫米，由石墨基體和彌散在其中的燃料顆粒組成。燃料顆粒直徑小于1毫米，中心為核燃料，外層為包覆材料，稱之為全陶瓷型包覆燃料顆粒。全陶瓷型包覆燃料顆粒在1600℃范圍內(nèi)可以保持完整性，在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中將絕大多數(shù)的核反應(yīng)裂變產(chǎn)物阻擋在包覆層內(nèi)，從而極大地提高了反應(yīng)堆的安全性，是高溫氣冷堆的核心技術(shù)。

簡(jiǎn)單地說，高溫氣冷堆采用全陶瓷型包覆顆粒燃料元件，以石墨為慢化劑和堆芯結(jié)構(gòu)材料，以氦氣為冷卻劑。反應(yīng)堆堆芯的核燃料裂變發(fā)出的熱量由自上而下流動(dòng)的氦氣從堆芯底部帶出，熱氦氣通過熱氣導(dǎo)管中心管后到達(dá)蒸汽發(fā)生器。蒸汽發(fā)生器管中的水經(jīng)高溫氦氣加熱后成為水蒸氣，然后送入旁邊的汽輪機(jī)廠房，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。經(jīng)過蒸汽發(fā)生器后的氦氣降低了溫度，然后由氦氣循環(huán)風(fēng)機(jī)加壓，通過熱氣導(dǎo)管外管后繞到堆芯上部，完成熱力循環(huán)。

與其它反應(yīng)堆相比，高溫氣冷堆的運(yùn)行溫度要高出許多，堆芯出口溫度可達(dá)950℃甚至更高。因此，用高溫氣冷堆發(fā)電，可以大幅度地提高發(fā)電效率；用它作為熱源，則可以應(yīng)用到另一個(gè)新能源領(lǐng)域，即用高溫氣冷堆制氫來利用氫能。

高溫氣冷堆為什么特別安全

高溫氣冷堆在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上有許多獨(dú)到之處，其中被人們一致肯定的是高溫氣冷堆所獨(dú)具的安全性。設(shè)計(jì)者們從以下三個(gè)方面來保證高溫氣冷堆的安全性。

首先，有三重屏障阻止放射性釋放。第一道屏障是包覆燃料顆粒，反應(yīng)堆運(yùn)行中的裂變產(chǎn)物絕大多數(shù)被阻擋在包覆層內(nèi)。第二道是一回路壓力邊界，反應(yīng)堆壓力殼、蒸汽發(fā)生器壓力殼和熱氣導(dǎo)管壓力殼構(gòu)成密閉的一回路壓力邊界，將氦氣和其他放射性物質(zhì)封閉在內(nèi)。第三道是包容體，反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)置于特殊設(shè)計(jì)的混凝土艙室中，可以阻留和控制放射性氣體向大氣釋放。

其次，有很強(qiáng)的反應(yīng)堆溫度負(fù)反饋性。高溫氣冷堆堆芯被設(shè)計(jì)成其核反應(yīng)的強(qiáng)弱與堆芯溫度成負(fù)反饋關(guān)系，也就是說隨著堆芯溫度的升高，核反應(yīng)會(huì)相應(yīng)地減弱，從而提高了反應(yīng)堆的安全。通常，反應(yīng)堆的運(yùn)行由安裝在頂部的控制棒來調(diào)節(jié)?？刂瓢粝蛏习危朔磻?yīng)增強(qiáng)；向下插，核反應(yīng)減弱或停止。高溫氣冷堆的溫度負(fù)反饋性很強(qiáng)，即使在控制棒失效的情況下也能自動(dòng)地使反應(yīng)堆停堆。

最后，余熱載出的固有安全性。正常工況下，高溫氣冷堆堆芯的熱量由氦氣傳輸?shù)秸羝l(fā)生器，然后由水蒸氣帶出堆外。如果反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)失效，例如冷卻劑氦氣喪失，反應(yīng)堆堆芯的熱量也能夠通過燃料表面，堆芯結(jié)構(gòu)材料，反應(yīng)堆壓力殼和艙室混凝土壁面自主地傳至大氣。在任何事故情況下，反應(yīng)堆堆芯的熱量都可以通過這種方式自動(dòng)導(dǎo)出堆外，從而保證堆芯燃料溫度低于1600℃，防止核事故的發(fā)生。這種特性稱之為固有安全性，具有固有安全性的高溫氣冷堆，嚴(yán)格說來，稱之為模塊式高溫氣冷堆。

與其他反應(yīng)堆一樣，高溫氣冷堆也有一套可靠的系統(tǒng)和設(shè)備來保證反應(yīng)堆的運(yùn)行和安全。但是，即使是這些系統(tǒng)全部失效，高溫氣冷堆也能依靠自己本身的物理特性保證反應(yīng)堆的絕對(duì)安全。因此，固有安全性是高溫氣冷堆最顯著的優(yōu)點(diǎn)。

呼喚核能的春天

近年來，國(guó)際核能界的科學(xué)家根據(jù)核能發(fā)展的需要制定出了下一代的核能系統(tǒng)的框架，稱之為“第四代核能系統(tǒng)”。第四代核能系統(tǒng)與現(xiàn)有核電市場(chǎng)的反應(yīng)堆系統(tǒng)相比較，其安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求大幅度提高。高溫氣冷堆技術(shù)和在此基礎(chǔ)上發(fā)展出的超高溫氣冷堆概念，成為第四代核能系統(tǒng)有競(jìng)爭(zhēng)力的候選堆型，并且是最有可能在不遠(yuǎn)的將來實(shí)現(xiàn)的堆型。

目前，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院的研究者們，在10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆成功的基礎(chǔ)上，正在進(jìn)行兩項(xiàng)前瞻性的工作。一是進(jìn)行大型商用高溫氣冷堆電站的設(shè)計(jì)研究工作，稱之為高溫氣冷堆示范電站工程。二是將現(xiàn)有10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆進(jìn)行改造，用一回路中的氦氣直接推動(dòng)氦氣輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，以提高發(fā)電效率，稱之為高溫氣冷堆氦氣透平發(fā)電項(xiàng)目。這兩項(xiàng)工作對(duì)高溫氣冷堆技術(shù)的提升和產(chǎn)業(yè)化將起到積極的推動(dòng)作用。

核能的巨大威力是人們耳熟能詳?shù)?。核武器的威脅像一把懸在人類頭上的達(dá)摩克利斯寶劍，核電站事故的悲劇曾撕裂了無數(shù)人的心扉。然而，在石油等傳統(tǒng)能源日益短缺的今天，人們?cè)诤魡局踩?、環(huán)保、高效率的新能源，有什么理由讓我們忘卻或忽視蘊(yùn)藏著無盡能量的核動(dòng)力呢？只要核科技能不斷地進(jìn)步，沉寂了多年的核動(dòng)力，有望迎來新的春天。對(duì)于許多國(guó)家，尤其是我國(guó)這樣的人口大國(guó)來說，這是可喜的進(jìn)步，十幾億人民的能源需求有可能得到更好的滿足。

致謝

本文承蒙馬栩泉教授審改，作者在此表示衷心的感謝。

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核電站和反應(yīng)堆

核電站就是利用核能發(fā)電的工廠，而反應(yīng)堆則是核電站的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是使核裂變反應(yīng)在人為的控制下進(jìn)行，并將產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成熱能傳出堆外。反應(yīng)堆堆芯中裝填有核燃料，周圍充滿慢化劑和冷卻劑。慢化劑的作用是將堆芯中能量很高的快中子慢化成能量較低的熱中子，熱中子與核燃料撞擊引起核裂變反應(yīng)。核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的熱量由冷卻劑載出，進(jìn)入蒸汽發(fā)生器。蒸汽發(fā)生器另一側(cè)的水被加熱成蒸汽，推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器部分稱為一回路系統(tǒng)，相當(dāng)于常規(guī)火電站的鍋爐。蒸汽發(fā)生器另一側(cè)的水和水蒸氣，以及汽輪發(fā)電機(jī)部分稱為二回路系統(tǒng)。目前，在國(guó)內(nèi)外核電市場(chǎng)上，技術(shù)比較成熟的反應(yīng)堆有壓水堆、沸水堆和重水堆。

壓水堆的慢化劑和冷卻劑均為水，與核燃料一起置于能承受高壓的壓力殼中。一回路的高壓水在高溫下也能保持液態(tài)，通過循環(huán)流動(dòng)將核燃料產(chǎn)生的熱量傳給蒸汽發(fā)生器。壓水堆體積較緊湊，用途較廣。沸水堆的慢化劑和冷卻劑也是水，與核燃料一起置于壓力殼中。但是壓力殼內(nèi)壓力較低，因此一回路水可以汽化，直接驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組。沸水堆去掉了二回路，從而使整個(gè)系統(tǒng)得到了簡(jiǎn)化。重水堆的慢化劑和冷卻劑均為重水。核燃料置于許多壓力管中，這些壓力管又浸放在作為慢化劑的重水池中。作為冷卻劑的重水則從壓力管內(nèi)流過，將核燃料產(chǎn)生的熱量帶入蒸汽發(fā)生器。由于重水具有良好的中子物理特性，因此重水堆可以直接使用天然核燃料。

【責(zé)任編輯】唐宇