出品 | 網易新聞作者 | 常松，清華大學材料學院博士今年，一部《切爾諾貝利》的高分美劇再次讓30多年的一場核災難重回公眾視野，也

出品 | 網易新聞

作者 | 常松，清華大學材料學院博士

　　今年，一部《切爾諾貝利》的高分美劇再次讓30多年的一場核災難重回公眾視野，也讓已經日漸平息的世界恐核思潮再起波瀾。如何安全使用核能，一直是世界核能技術的必答題。

　　今天我們就來介紹一種公認的新一代核電技術——高溫氣冷堆。

要安全利用核能，反應堆的冷卻方式很重要

　　如果你平時關注核電技術的話，可能經常聽到這些專業詞匯：輕水堆、重水堆、壓水堆、沸水堆、高溫氣冷堆、快堆、熔鹽堆……其實，這些都是以所用到的制冷技術來稱呼核反應堆，比如輕水堆和重水堆都屬于壓水堆，是將水作為冷卻劑，用加壓（輕水/重水）的方式冷卻反應堆，而氣冷反應堆，則不再使用水，轉而使用氣體作為冷卻劑。

　　氣冷反應堆并不是新生事物，在人類將核能用于戰爭后的10年里，對于和平利用核能的研究就一直在繼續。

　　上世紀50年代，英國和法國率先在氣冷堆方面做出探索，首先開發的是鎂諾克斯（Magnox）型氣冷堆，采用二氧化碳氣體作為冷卻劑，石墨作為慢化劑，鎂諾克斯金屬作為燃料棒的包殼材料。

　　而之后，惰性氣體氦氣取代二氧化碳的計劃很快便推出了，那就是由英國牽頭多個國家參與的“龍堆”（Dragon）項目。

　　與此同時，美國和聯邦德國也分別建成了桃花谷（Peach Bottom）反應堆和AVR反應堆，兩個反應堆均在1966年達到臨界，1967年并網發電，其中AVR反應堆直到1988年才退役。

高溫氣冷堆之所以安全，源于其燃料很獨特

　　高溫氣冷堆是氣冷反應堆中的一種。

　　目前投入商用的核反應堆技術主要是壓水堆，其原料都是由氧化鈾陶瓷芯塊和鋯合金包殼組成，而高溫氣冷堆的燃料則復雜一些，其高溫特性和安全性也首先歸功于此。

　　它的核心是直徑0.5mm左右的二氧化鈾，外面是三種材料以同心球形式包裹的燃料顆粒，分別是熱解碳、碳化硅、致密熱解碳，這個顆粒的尺寸也不足1mm。

　　這些燃料顆粒會像五仁月餅的果仁一樣彌散在石墨基體之中，最后壓制燒結成燃料元件。只要環境溫度不超過1650℃，最外層的碳化硅球殼就會保持完整，鎖定放射性原料，成為反應堆的第一道安全屏障。

　　其另一道安全屏障就是“氣冷”——以氦氣作為冷卻氣體。由于氦氣是一種惰性氣體，幾乎不與任何物質發生化學反應，原子序數低，中子吸收截面小，難于活化，自身具有很低的放射性水平，也不會像壓水堆一樣存在各種腐蝕問題。

　　其第三道屏障是反應堆以石墨作為慢化劑，整個堆芯都沒有金屬，結構材料全是石墨和碳塊，因此熔點可以達到3000℃，提高了結構安全性。

全世界唯二運行的高溫氣冷堆——中國HTR-10

　　早在1974年原子能工業起步時期，中國就開始了對氣冷堆的早期探索階段。而這一時期，世界已經處于核電發展的高潮時期，美國和聯邦德國分別建造了圣·弗倫堡（Fort St. Vrain）高溫堆示范電廠和釷高溫氣冷堆示范電廠（THTR-300）。

　　也是在這一時期，美國和蘇聯相繼發生了歷史上最嚴重的核事故——三哩島和切爾諾貝利事故，這兩起事故使得人類對于核能應用的安全性提到了前所未有的高度。因此，在當時氣冷堆的試驗中，具有固有安全特征的模塊式高溫氣冷堆成為主要發展方向。

　　它的最基本特點是：在任何事故條件下，反應堆堆芯的剩余發熱能夠通過非能動的方式載出，堆芯包覆顆粒燃料的溫度不會超過允許的限值。這一設計要求可以避免核事故中最可怕的“堆芯熔化”，從而使得即使發生嚴重事故，核電廠廠外放射性劑量仍在限值范圍之內，控制對于社會和環境的破壞。

　　在此設計思路下，德國發展了基于球形燃料元件的200MW熱功率的HTR-Module，美國提出了基于棱柱狀堆芯的模塊式高溫氣冷堆（MHTGR），熱功率為250MW。

　　作為較早掌握原子能技術的國家，中國的反應堆研究也一直都跟隨著世界研究的節奏，在“863” 計劃中，高溫氣冷堆就是能源領域的一項研究專題，其中設立了8個研究方向：設計研究、燃料元件研究、釷–鈾循環燃料后處理研究、石墨堆體性能研究、氦技術及氦關鍵設備研究、壓力容器、球床流動特性和燃料裝卸系統技術研究、結構材料使用性能研究。這也是改革開放后，中國對高溫氣冷堆首次進行大規模系統性專題研究。

　　在實驗數據和技術積累到一定程度之后，在世界高溫氣冷堆的賽場上，中國的高溫氣冷堆終于出場了，這就是至今仍在運行的世界僅有的兩個高溫氣冷堆之一，10兆瓦高溫氣冷實驗堆（HTR-10）。

HTR-10究竟有多安全？

　　目前所有的發電設備原理依舊是百年前的“磁生電”——切割磁感線的運動在導體中產生電流，只不過推動“導體”和“磁場”運動的動力來源不同，于是產生了各種發電的方式。

　　核電，歸根到底就是用核反應的熱能來驅動蒸汽輪機發電，因此從結構上看，就是圖中左邊用來發熱的“爐子”和用來發電的蒸汽輪機。這一原理和火電類似，不同之處是用核燃料代替了煤炭。

　　HTR-10是世界首先實現球床模塊式高溫氣冷堆的布置方案。

　　從參數上看，反應堆熱功率10MW，反應堆入口溫度250℃，出口溫度700℃，采用蒸汽循環發電，球形燃料元件采用在線裝卸，直流蒸汽發生器將二次側的給水加熱至3.5MPa、435℃的過熱狀態，推動蒸汽輪機發電。

　　經過了數十年的技術積累，中國的HTR-10已經形成了獨立自主的知識產權，反應堆的系統、熱工、機械等都是自主設計，燃料裝卸系統、氦風機等關鍵技術和設備也都實現了自主研發，壓力容器、直流蒸汽發生器等大型構件均實現國產化，同時中國還建立了燃料元件生產線，開發了數字化反應堆保護系統。

　　那么，HTR-10到底有多安全呢？

　　保證反應堆安全的最大挑戰來自于如何將衰變反應產生熱量順利帶出堆芯，以防止熱量堆積發生堆芯熔化、放射性外泄等悲慘的事故。

　　為了系統性地解決安全問題，HTR-10采用了一系列安全設計。

　　首先是模塊式的設計，使得單堆的功率只有壓水堆的10%，這使得其面臨的散熱壓力也小；另外，堆芯功率密度也很低，只有壓水堆的1/30，這也使得它具有更大的散熱表面，即使在主動冷卻失效時，衰變熱也可以通過自然散熱的方式從堆芯傳遞給環境熱阱。這一由德國首先做出的設計思想，卻在中國的HTR-10上實現了全球首次真實反應堆上的安全演示。

　　為了驗證反應堆的安全性，模擬可能的事故情況，在2003-2004年，HTR-10分別進行了廠外電源斷電試驗、主氦風機停機試驗，以及甩負荷試驗等3項驗證固有安全性的試驗。

　　在這種比日后的日本福島核災難更嚴重的工況下，反應堆沒有發生堆芯熔化，而且靠全程負反應性溫度系數實現了自動停堆。這也就實現了第4代核能系統的一個重要指標：能夠通過對核電站的整體實驗向公眾證明核電的安全性：在任何事故下，包括喪失所有冷卻的情況下，不采用任何人為干預，反應堆仍能保持安全狀態。

20萬千瓦示范電站：最接近商業化的四代核電

　　在HTR-10的固有安全性得到保障之后，中國在2004年開始啟動更高功率、面向市場的高溫氣冷堆核電站項目——20萬千瓦級高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM）。

　　示范工程選址在山東半島東端的榮成，于2012年12月開工，2018年5月完成首臺燃料裝卸系統安裝和首臺主氦風機的出廠實驗，現在已經進入到了全面調試階段的沖刺階段，今年有望實現并網發電。

　　整個工程不僅將建成具有自主知識產權的20萬千瓦模塊式高溫氣冷堆核電站示范工程，還將開展氦氣透平直接循環發電及高溫堆制氫等技術研究，使中國有能力躋身掌握第四代核電技術的國家行列。

　　相比于HTR-10，示范電站仍采用模塊式設計、球形燃料元件，實現不停堆換料，單堆熱功率250MW，設置兩套獨立停堆系統：控制棒系統和吸收球停堆系統。系統布置上采用“肩并肩”的布局，反應堆與蒸汽發生器分別設置在兩個壓力容器內，其間用熱氣導管殼體相連接。

　　由以上示意圖可見，反應堆的堆芯設計是可流動的球床結構，外圍采用石墨反射層和碳磚絕熱層構成，在石墨反射層還布置了控制棒孔道，在石墨反射層內還布置了碳化硼吸收球孔道。利用控制棒和吸收球兩套獨立的系統來控制反應堆的核反應。整個示范工程共有10套控制棒和20套作為第二停堆系統的吸收球停堆裝置，確保系統多樣性和冗余性。

　　目前，HTR-PM是世界上最接近商業化、安全性也最高的四代核電技術，它被國際上認為是一種“不會熔毀的反應堆”。

　　在核燃料的制造方面，其采用了全陶瓷型的高性能核燃料，而且實現了燃料元件廠的設計生產能力，其中全部設備國產化。產品在歐盟開展的3年中子輻照及高溫極限條件測試中實現在1650℃高溫條件下能有效阻擋放射性的泄露，這一指標達到世界最好水平。

　　在設備建設方面，HTR-PM也完成了一系列世界首臺套大型裝備制造，包括世界上還沒有、通過研發創制的創新型設備660臺，如反應堆壓力容器、主氦風機，整個工程國產化率實現90%以上。

下一步，向何處？

　　高溫氣冷堆定位于壓水堆核電的補充、核能供熱的主力，在未來，隨著示范工程的穩步推進，將在此基礎上探索利用示范工程已經驗證的技術，在保持主要設備及系統不變的情況下，多個模塊組合，形成60萬千瓦的核熱電聯產機組（HTR-PM600）。

　　這種機組具有迄今為止在裂變核能系統上能夠實現的最高安全性能，可以代替同功率的燃煤發電機組。更方便的是，由于發電系統與火電機組類似，可以充分利用燃煤電站原有設備改造，同時憑借氣冷的優勢，實現對工業、民用供暖等提供高溫蒸汽，實現能源的高效利用。

作為世界上認知度最高的標簽，中國制造（Made in China）正尋求戰略升級。「了不起的中國制造」專欄，力邀行業權威、資深玩家，呈現他們眼中的中國創新之路。

投稿請聯系newsresearch_ntes@163.com，稿件一經刊用，將提供千字800元的稿酬。

歡迎關注《了不起的中國制造》官方微博

歡迎關注《了不起的中國制造》網易號