去年，一部《切爾諾貝利》的高分美劇再次讓30多年的一場(chǎng)核災(zāi)難重回公眾視野，也讓已經(jīng)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(shù)的必答題。今天我們就來(lái)介紹一種公認(rèn)的新一代核電技術(shù)——高溫氣冷堆。
要安全利用核能，反應(yīng)堆的冷卻方式很重要
如果你平時(shí)關(guān)注核電技術(shù)的話(huà)，可能經(jīng)常聽(tīng)到這些專(zhuān)業(yè)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(shí)，這些都是以所用到的制冷技術(shù)來(lái)稱(chēng)呼核反應(yīng)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(yīng)堆，而氣冷反應(yīng)堆，則不再使用水，轉(zhuǎn)而使用氣體作為冷卻劑。
氣冷反應(yīng)堆并不是新生事物，在人類(lèi)將核能用于戰(zhàn)爭(zhēng)后的10年里，對(duì)于和平利用核能的研究就一直在繼續(xù)。
上世紀(jì)50年代，英國(guó)和法國(guó)率先在氣冷堆方面做出探索，首先開(kāi)發(fā)的是鎂諾克斯（Magnox）型氣冷堆，采用二氧化碳?xì)怏w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(jì)劃很快便推出了，那就是由英國(guó)牽頭多個(gè)國(guó)家參與的“龍堆”（Dragon）項(xiàng)目。
與此同時(shí)，美國(guó)和聯(lián)邦德國(guó)也分別建成了桃花谷（Peach Bottom）反應(yīng)堆和AVR反應(yīng)堆，兩個(gè)反應(yīng)堆均在1966年達(dá)到臨界，1967年并網(wǎng)發(fā)電，其中AVR反應(yīng)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(dú)特
高溫氣冷堆是氣冷反應(yīng)堆中的一種。
目前投入商用的核反應(yīng)堆技術(shù)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(fù)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(gè)顆粒的尺寸也不足1mm。
燃料顆粒會(huì)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(jié)成燃料元件。只要環(huán)境溫度不超過(guò)1650℃，最外層的碳化硅球殼就會(huì)保持完整，鎖定放射性原料，成為反應(yīng)堆的第一道安全屏障。
（高溫氣冷堆包覆顆粒及球形燃料元件）
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(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，原子序數(shù)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(huì)像壓水堆一樣存在各種腐蝕問(wèn)題。
其第三道屏障是反應(yīng)堆以石墨作為慢化劑，整個(gè)堆芯都沒(méi)有金屬，結(jié)構(gòu)材料全是石墨和碳?jí)K，因此熔點(diǎn)可以達(dá)到3000℃，提高了結(jié)構(gòu)安全性。
全世界唯二運(yùn)行的高溫氣冷堆——中國(guó)HTR-10
早在1974年原子能工業(yè)起步時(shí)期，中國(guó)就開(kāi)始了對(duì)氣冷堆的早期探索階段。而這一時(shí)期，世界已經(jīng)處于核電發(fā)展的高潮時(shí)期，美國(guó)和聯(lián)邦德國(guó)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(shí)期，美國(guó)和蘇聯(lián)相繼發(fā)生了歷史上最嚴(yán)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(lèi)對(duì)于核能應(yīng)用的安全性提到了前所未有的高度。因此，在當(dāng)時(shí)氣冷堆的試驗(yàn)中，具有固有安全特征的模塊式高溫氣冷堆成為主要發(fā)展方向。
它的最基本特點(diǎn)是：在任何事故條件下，反應(yīng)堆堆芯的剩余發(fā)熱能夠通過(guò)非能動(dòng)的方式載出，堆芯包覆顆粒燃料的溫度不會(huì)超過(guò)允許的限值。這一設(shè)計(jì)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(fā)生嚴(yán)重事故，核電廠廠外放射性劑量仍在限值范圍之內(nèi)，控制對(duì)于社會(huì)和環(huán)境的破壞。
在此設(shè)計(jì)思路下，德國(guó)發(fā)展了基于球形燃料元件的200MW熱功率的HTR-Module，美國(guó)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(shù)的國(guó)家，中國(guó)的反應(yīng)堆研究也一直都跟隨著世界研究的節(jié)奏，在“863” 計(jì)劃中，高溫氣冷堆就是能源領(lǐng)域的一項(xiàng)研究專(zhuān)題，其中設(shè)立了8個(gè)研究方向：設(shè)計(jì)研究、燃料元件研究、釷–鈾循環(huán)燃料后處理研究、石墨堆體性能研究、氦技術(shù)及氦關(guān)鍵設(shè)備研究、壓力容器、球床流動(dòng)特性和燃料裝卸系統(tǒng)技術(shù)研究、結(jié)構(gòu)材料使用性能研究。這也是改革開(kāi)放后，中國(guó)對(duì)高溫氣冷堆首次進(jìn)行大規(guī)模系統(tǒng)性專(zhuān)題研究。
在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)積累到一定程度之后，在世界高溫氣冷堆的賽場(chǎng)上，中國(guó)的高溫氣冷堆終于出場(chǎng)了，這就是至今仍在運(yùn)行的世界僅有的兩個(gè)高溫氣冷堆之一，10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆（HTR-10）。
HTR-10究竟有多安全？
目前所有的發(fā)電設(shè)備原理依舊是百年前的“磁生電”——切割磁感線的運(yùn)動(dòng)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，只不過(guò)推動(dòng)“導(dǎo)體”和“磁場(chǎng)”運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源不同，于是產(chǎn)生了各種發(fā)電的方式。
（HTR-10堆本體示意圖）
核電，歸根到底就是用核反應(yīng)的熱能來(lái)驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，因此從結(jié)構(gòu)上看，就是圖中左邊用來(lái)發(fā)熱的“爐子”和用來(lái)發(fā)電的蒸汽輪機(jī)。這一原理和火電類(lèi)似，不同之處是用核燃料代替了煤炭。
HTR-10是世界首先實(shí)現(xiàn)球床模塊式高溫氣冷堆的布置方案。從參數(shù)上看，反應(yīng)堆熱功率10MW，反應(yīng)堆入口溫度250℃，出口溫度700℃，采用蒸汽循環(huán)發(fā)電，球形燃料元件采用在線裝卸，直流蒸汽發(fā)生器將二次側(cè)的給水加熱至3.5MPa、435℃的過(guò)熱狀態(tài)，推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。
經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的技術(shù)積累，中國(guó)的HTR-10已經(jīng)形成了獨(dú)立自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，反應(yīng)堆的系統(tǒng)、熱工、機(jī)械等都是自主設(shè)計(jì)，燃料裝卸系統(tǒng)、氦風(fēng)機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備也都實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)，壓力容器、直流蒸汽發(fā)生器等大型構(gòu)件均實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，同時(shí)中國(guó)還建立了燃料元件生產(chǎn)線，開(kāi)發(fā)了數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)。
那么，HTR-10到底有多安全呢？
保證反應(yīng)堆安全的最大挑戰(zhàn)來(lái)自于如何將衰變反應(yīng)產(chǎn)生熱量順利帶出堆芯，以防止熱量堆積發(fā)生堆芯熔化、放射性外泄等悲慘的事故。
為了系統(tǒng)性地解決安全問(wèn)題，HTR-10采用了一系列安全設(shè)計(jì)。
首先是模塊式的設(shè)計(jì)，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?。涣硗?，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(dòng)冷卻失效時(shí)，衰變熱也可以通過(guò)自然散熱的方式從堆芯傳遞給環(huán)境熱阱。這一由德國(guó)首先做出的設(shè)計(jì)思想，卻在中國(guó)的HTR-10上實(shí)現(xiàn)了全球首次真實(shí)反應(yīng)堆上的安全演示。
為了驗(yàn)證反應(yīng)堆的安全性，模擬可能的事故情況，在2003-2004年，HTR-10分別進(jìn)行了廠外電源斷電試驗(yàn)、主氦風(fēng)機(jī)停機(jī)試驗(yàn)，以及甩負(fù)荷試驗(yàn)等3項(xiàng)驗(yàn)證固有安全性的試驗(yàn)。
在這種比日后的日本福島核災(zāi)難更嚴(yán)重的工況下，反應(yīng)堆沒(méi)有發(fā)生堆芯熔化，而且靠全程負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)停堆。這也就實(shí)現(xiàn)了第4代核能系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)：能夠通過(guò)對(duì)核電站的整體實(shí)驗(yàn)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(yù)，反應(yīng)堆仍能保持安全狀態(tài)。
20萬(wàn)千瓦示范電站：最接近商業(yè)化的四代核電
在HTR-10的固有安全性得到保障之后，中國(guó)在2004年開(kāi)始啟動(dòng)更高功率、面向市場(chǎng)的高溫氣冷堆核電站項(xiàng)目——20萬(wàn)千瓦級(jí)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(kāi)工，2018年5月完成首臺(tái)燃料裝卸系統(tǒng)安裝和首臺(tái)主氦風(fēng)機(jī)的出廠實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入到了全面調(diào)試階段的沖刺階段，今年有望實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。
整個(gè)工程不僅將建成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的20萬(wàn)千瓦模塊式高溫氣冷堆核電站示范工程，還將開(kāi)展氦氣透平直接循環(huán)發(fā)電及高溫堆制氫等技術(shù)研究，使中國(guó)有能力躋身掌握第四代核電技術(shù)的國(guó)家行列。
（高溫氣冷堆核電站示范工程原則性流程）
相比于HTR-10，示范電站仍采用模塊式設(shè)計(jì)、球形燃料元件，實(shí)現(xiàn)不停堆換料，單堆熱功率250MW，設(shè)置兩套獨(dú)立停堆系統(tǒng)：控制棒系統(tǒng)和吸收球停堆系統(tǒng)。系統(tǒng)布置上采用“肩并肩”的布局，反應(yīng)堆與蒸汽發(fā)生器分別設(shè)置在兩個(gè)壓力容器內(nèi)，其間用熱氣導(dǎo)管殼體相連接?！ 。℉TR-PM堆本體示意圖）
由以上示意圖可見(jiàn)，反應(yīng)堆的堆芯設(shè)計(jì)是可流動(dòng)的球床結(jié)構(gòu)，外圍采用石墨反射層和碳磚絕熱層構(gòu)成，在石墨反射層還布置了控制棒孔道，在石墨反射層內(nèi)還布置了碳化硼吸收球孔道。利用控制棒和吸收球兩套獨(dú)立的系統(tǒng)來(lái)控制反應(yīng)堆的核反應(yīng)。整個(gè)示范工程共有10套控制棒和20套作為第二停堆系統(tǒng)的吸收球停堆裝置，確保系統(tǒng)多樣性和冗余性。
目前，HTR-PM是世界上最接近商業(yè)化、安全性也最高的四代核電技術(shù)，它被國(guó)際上認(rèn)為是一種“不會(huì)熔毀的反應(yīng)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(shí)現(xiàn)了燃料元件廠的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，其中全部設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。產(chǎn)品在歐盟開(kāi)展的3年中子輻照及高溫極限條件測(cè)試中實(shí)現(xiàn)在1650℃高溫條件下能有效阻擋放射性的泄露，這一指標(biāo)達(dá)到世界最好水平。
在設(shè)備建設(shè)方面，HTR-PM也完成了一系列世界首臺(tái)套大型裝備制造，包括世界上還沒(méi)有、通過(guò)研發(fā)創(chuàng)制的創(chuàng)新型設(shè)備660臺(tái)，如反應(yīng)堆壓力容器、主氦風(fēng)機(jī)，整個(gè)工程國(guó)產(chǎn)化率實(shí)現(xiàn)90%以上。
下一步，向何處？
高溫氣冷堆定位于壓水堆核電的補(bǔ)充、核能供熱的主力，在未來(lái)，隨著示范工程的穩(wěn)步推進(jìn)，將在此基礎(chǔ)上探索利用示范工程已經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)，在保持主要設(shè)備及系統(tǒng)不變的情況下，多個(gè)模塊組合，形成60萬(wàn)千瓦的核熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（HTR-PM600）。
（HTR-PM600核電廠3維設(shè)計(jì)圖）
這種機(jī)組具有迄今為止在裂變核能系統(tǒng)上能夠?qū)崿F(xiàn)的最高安全性能，可以代替同功率的燃煤發(fā)電機(jī)組。更方便的是，由于發(fā)電系統(tǒng)與火電機(jī)組類(lèi)似，可以充分利用燃煤電站原有設(shè)備改造，同時(shí)憑借氣冷的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)、民用供暖等提供高溫蒸汽，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。
