核反應堆為啥要一直冷卻（不會熔毀的核反應堆）

2023-05-10 02:32:38 2

日前，被稱為世界首座商業規模「不會熔毀的核反應堆」——石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程首次併網發電。這是全球首個併網發電的第四代高溫氣冷堆核電項目，標誌我國在這一先進核能技術領域成為世界領跑者。

滿功率運行後，每年將有14億度發電量，可為200萬名居民提供生活用電，減少二氧化碳排放90萬噸……一連串數字令人振奮。本報記者第一時間發出消息後，讀者紛紛點讚。

這座中國造的核反應堆為什麼這麼牛？為什麼說它是固有安全的？針對讀者關心的問題，記者日前採訪了清華大學相關負責人。

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。

經過各國多年的探索、比選，目前世界上大部分核電站多採用壓水堆堆型，屬於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。

該負責人向記者介紹，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；

其次，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氣，水蒸氣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；

最後，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氣分處一迴路與二迴路，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」，因而核能屬於非常清潔、優質的能源。

為什麼石島灣高溫氣冷堆核電站「永不會熔毀」

儘管核能有著不可比擬的優越性，但從1979年美國三哩島核電站事故到1986年蘇聯車諾比核電站事故，再到2011年日本福島核電站事故，這些災難性的核事故給世界核能事業的發展蒙上了一層陰雲。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，美國物理學家愛德華·泰勒曾提出：要使公眾接受核能，反應堆安全必須是「固有的」。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：核裂變反應的有效控制；及時導出停堆以後堆芯的餘熱；牢牢地把放射性物質包容起來。

該負責人介紹，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，那麼，作為這座核電站的「原型」，世紀之初在清華大學建成的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雜誌稱其為「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。

該負責人表示，中國高溫氣冷堆所具有的三大核心創新技術，很好地滿足了上述三個要素的實現：

一是模塊式反應堆設計。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。

與燃煤電廠不同，核反應堆停止運行後，裂變產物還會繼續衰變產生可觀的餘熱。如果停堆後不能及時冷卻堆芯、載出餘熱，核燃料的外殼就有可能因為過熱而熔化，釀成嚴重事故。日本福島第一核電站的事故就是這類情形。

因此，高溫氣冷堆採用小型模塊式設計，每一個小模塊都可以採用很低的功率密度（約為大型壓水堆核電站的1/30），使停堆後產生的餘熱處於較低水平。發生任何意外時，即使不進行人為的能動冷卻，停堆後堆芯的餘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，實現了上文提到的核安全三要素之一：及時導出停堆以後堆芯的餘熱，保障了固有安全。

二是自主研製的「耐高溫全陶瓷包覆顆粒球形核燃料元件」。球床型高溫氣冷堆採用的核燃料元件是耐高溫全陶瓷包覆顆粒燃料球，其直徑6釐米，最外層是石墨層，裡面是彌散在基體石墨粉中的約12000個四層全陶瓷材料包覆的、直徑0.9毫米的核燃料顆粒。

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，可以有效防止放射性物質洩漏，從而實現了把放射性物質牢牢包容起來這一核安全要素。

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，核電站運行一段時間後要把反應堆停下來換料。新裝入的燃料棒能量有富餘或者是過量的，存在核反應的過剩反應性，這就給核裂變反應的有效控制帶來了壓力。

而球床高溫氣冷堆的好處是裝卸燃料球的過程不需要停堆，新的燃料球從反應堆頂部填裝的同時，「燒透」的燃料球會從底部卸出。這種方式不但大大提高了運行效率，而且不用一次性裝入過多核燃料，大幅減少了堆內的過剩反應性。通俗地說，就像平時燒柴，一上來就往灶裡放很多新柴，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。

與此同時，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「負溫度係數」：即使控制失誤無法停堆，只要反應堆溫度升高，它自己就會「剎車」減少核反應直至停堆，進一步支撐了固有安全。

如此厲害的核反應堆不只能發電

該負責人進一步介紹，如此厲害的核反應堆可不只能發電！

高溫氣冷堆能夠達到其他堆型達不到的冷卻劑出口溫度，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，其餘都是非電應用，包括以各種形式利用的工業熱、民用熱和交通能源等。

石島灣高溫氣冷堆示範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，高溫蒸汽還能用於熱電聯產、稠油熱採、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，可用於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。」該負責人表示。（本報記者 鄧暉 本報通訊員 詹萌）

來源：光明日報