话说高温气冷堆

今年年初，全国科学技术大会在京隆重召开，这是我国科技界的一次盛会。会上提出了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，在十六个重大专项中有一项令我国核能界格外关注，那就是“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站”。什么是高温气冷堆？它在我国的科学界和工业界将扮演什么重要的角色？

　　

　　HTR-10，中国人的骄傲

　　

　　核能的发现是20世纪最伟大的科学成果之一，它的能量密度（单位质量燃料发出的能量）之高是其它常规能源所远远不及的。目前核能的和平利用主要是使用核能发电。核电是一种清洁的无空气污染的新能源，并且有可能大规模地替代现有的火力发电，为解决我国能源供应短缺，改善能源结构，减轻环境污染做出贡献。现在，在我国大陆范围内，正在运行的核电站有坐落在浙江省的秦山核电站和广东省的大亚湾核电站，采用的核反应堆堆型为压水堆和重水堆。从国际上看，压水堆、沸水堆和重水堆技术相对成熟，目前在核电市场上占主导地位。

　　高温气冷堆是20世纪60年代问世的一种新型反应堆。“模块化球床高温气冷堆”是在核反应堆家族中脱颖而出的先进堆型，我国清华大学承担的“10兆瓦高温气冷实验堆（HTR-10）”就是这种反应堆。

　　10兆瓦高温气冷实验堆（HTR-10）是国家高技术研究发展计划（863计划）能源领域重点项目之一，由清华大学核能与新能源技术研究院承担。HTR-10于1992年经国务院批准立项，1995年动工建造，2000年12月建成达到首次临界，2003年1月达到满功率运行并网发电。HTR-10是当今世界上唯一一座正在运行的具有固有安全性的球床式高温气冷堆，堆芯热功率为10兆瓦。上图为建成后的HTR-10的厂房外观照片，左边的主建筑为反应堆厂房，里面安装着反应堆本体和蒸汽发生器（称为一回路系统）；右边的辅助建筑为汽轮机厂房，反应堆厂房产生的蒸汽传入汽轮机厂房，推动汽轮发电机组运行发电。

　　10兆瓦高温气冷实验堆是我国自主研究开发先进核电技术所取得的一项重大成果，它的成功标志着我国在高温气冷堆技术领域处于国际领先的地位。目前，HTR-10正在进行长期运行考验和各种性能试验，其中包括固有安全性试验，为高温气冷堆的工业化和商业化做技术积累。值得一提的是，HTR-10的固有安全性试验引了起国内外科学家的高度关注，在HTR-10上成功地进行了固有安全性试验被认为是核反应堆发展史上的一个重大事件。在试验中，可以假设各种事故，然后用反应堆模拟各种事故，从而验证反应堆的安全性。高温气冷堆可以直接用试验的方式向公众演示其安全性，这是其他反应堆所做不到的。

　　

　　什么是高温气冷堆

　　

　　高温气冷堆的一回路系统的一侧为反应堆压力壳，另一侧为蒸汽发生器压力壳，两壳由热气导管压力壳相连，从而构成密闭的反应堆一回路系统。系统内充满作为冷却剂的纯净氦气，由氦循环风机驱动循环流动。反应堆压力壳内部的结构材料为石墨，中心的空腔为反应堆堆芯。

　　堆芯中装填着球形燃料元件，燃料球直径约为60毫米，由石墨基体和弥散在其中的燃料颗粒组成。燃料颗粒直径小于1毫米，中心为核燃料，外层为包覆材料，称之为全陶瓷型包覆燃料颗粒。全陶瓷型包覆燃料颗粒在1600℃范围内可以保持完整性，在反应堆运行过程中将绝大多数的核反应裂变产物阻挡在包覆层内，从而极大地提高了反应堆的安全性，是高温气冷堆的核心技术。

　　简单地说，高温气冷堆采用全陶瓷型包覆颗粒燃料元件，以石墨为慢化剂和堆芯结构材料，以氦气为冷却剂。反应堆堆芯的核燃料裂变发出的热量由自上而下流动的氦气从堆芯底部带出，热氦气通过热气导管中心管后到达蒸汽发生器。蒸汽发生器管中的水经高温氦气加热后成为水蒸气，然后送入旁边的汽轮机厂房，驱动汽轮发电机组发电。经过蒸汽发生器后的氦气降低了温度，然后由氦气循环风机加压，通过热气导管外管后绕到堆芯上部，完成热力循环。

　　与其它反应堆相比，高温气冷堆的运行温度要高出许多，堆芯出口温度可达950℃甚至更高。因此，用高温气冷堆发电，可以大幅度地提高发电效率；用它作为热源，则可以应用到另一个新能源领域，即用高温气冷堆制氢来利用氢能。

　　

　　高温气冷堆为什么特别安全

　　

　　高温气冷堆在技术上和经济上有许多独到之处，其中被人们一致肯定的是高温气冷堆所独具的安全性。设计者们从以下三个方面来保证高温气冷堆的安全性。

　　首先，有三重屏障阻止放射性释放。第一道屏障是包覆燃料颗粒，反应堆运行中的裂变产物绝大多数被阻挡在包覆层内。第二道是一回路压力边界，反应堆压力壳、蒸汽发生器压力壳和热气导管压力壳构成密闭的一回路压力边界，将氦气和其他放射性物质封闭在内。第三道是包容体，反应堆一回路系统置于特殊设计的混凝土舱室中，可以阻留和控制放射性气体向大气释放。

　　其次，有很强的反应堆温度负反馈性。高温气冷堆堆芯被设计成其核反应的强弱与堆芯温度成负反馈关系，也就是说随着堆芯温度的升高，核反应会相应地减弱，从而提高了反应堆的安全。通常，反应堆的运行由安装在顶部的控制棒来调节。控制棒向上拔，核反应增强；向下插，核反应减弱或停止。高温气冷堆的温度负反馈性很强，即使在控制棒失效的情况下也能自动地使反应堆停堆。

　　最后，余热载出的固有安全性。正常工况下，高温气冷堆堆芯的热量由氦气传输到蒸汽发生器，然后由水蒸气带出堆外。如果反应堆冷却系统失效，例如冷却剂氦气丧失，反应堆堆芯的热量也能够通过燃料表面，堆芯结构材料，反应堆压力壳和舱室混凝土壁面自主地传至大气。在任何事故情况下，反应堆堆芯的热量都可以通过这种方式自动导出堆外，从而保证堆芯燃料温度低于1600℃，防止核事故的发生。这种特性称之为固有安全性，具有固有安全性的高温气冷堆，严格说来，称之为模块式高温气冷堆。

　　与其他反应堆一样，高温气冷堆也有一套可靠的系统和设备来保证反应堆的运行和安全。但是，即使是这些系统全部失效，高温气冷堆也能依靠自己本身的物理特性保证反应堆的绝对安全。因此，固有安全性是高温气冷堆最显著的优点。

　　

　　呼唤核能的春天

　　

　　近年来，国际核能界的科学家根据核能发展的需要制定出了下一代的核能系统的框架，称之为“第四代核能系统”。第四代核能系统与现有核电市场的反应堆系统相比较，其安全性和经济性的要求大幅度提高。高温气冷堆技术和在此基础上发展出的超高温气冷堆概念，成为第四代核能系统有竞争力的候选堆型，并且是最有可能在不远的将来实现的堆型。

　　

　　目前，清华大学核能与新能源技术研究院的研究者们，在10兆瓦高温气冷实验堆成功的基础上，正在进行两项前瞻性的工作。一是进行大型商用高温气冷堆电站的设计研究工作，称之为高温气冷堆示范电站工程。二是将现有10兆瓦高温气冷实验堆进行改造，用一回路中的氦气直接推动氦气轮机发电机组发电，以提高发电效率，称之为高温气冷堆氦气透平发电项目。这两项工作对高温气冷堆技术的提升和产业化将起到积极的推动作用。

　　核能的巨大威力是人们耳熟能详的。核武器的威胁像一把悬在人类头上的达摩克利斯宝剑，核电站事故的悲剧曾撕裂了无数人的心扉。然而，在石油等传统能源日益短缺的今天，人们在呼唤着安全、环保、高效率的新能源，有什么理由让我们忘却或忽视蕴藏着无尽能量的核动力呢？只要核科技能不断地进步，沉寂了多年的核动力，有望迎来新的春天。对于许多国家，尤其是我国这样的人口大国来说，这是可喜的进步，十几亿人民的能源需求有可能得到更好的满足。

　　致谢

　　本文承蒙马栩泉教授审改，作者在此表示衷心的感谢。

　　

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　　核电站和反应堆

　　核电站就是利用核能发电的工厂，而反应堆则是核电站的关键设备，其功能是使核裂变反应在人为的控制下进行，并将产生的能量转化成热能传出堆外。反应堆堆芯中装填有核燃料，周围充满慢化剂和冷却剂。慢化剂的作用是将堆芯中能量很高的快中子慢化成能量较低的热中子，热中子与核燃料撞击引起核裂变反应。核裂变反应产生的热量由冷却剂载出，进入蒸汽发生器。蒸汽发生器另一侧的水被加热成蒸汽，推动蒸汽轮机发电机组发电。反应堆和蒸汽发生器部分称为一回路系统，相当于常规火电站的锅炉。蒸汽发生器另一侧的水和水蒸气，以及汽轮发电机部分称为二回路系统。目前，在国内外核电市场上，技术比较成熟的反应堆有压水堆、沸水堆和重水堆。

　　压水堆的慢化剂和冷却剂均为水，与核燃料一起置于能承受高压的压力壳中。一回路的高压水在高温下也能保持液态，通过循环流动将核燃料产生的热量传给蒸汽发生器。压水堆体积较紧凑，用途较广。沸水堆的慢化剂和冷却剂也是水，与核燃料一起置于压力壳中。但是压力壳内压力较低，因此一回路水可以汽化，直接驱动汽轮发电机组。沸水堆去掉了二回路，从而使整个系统得到了简化。重水堆的慢化剂和冷却剂均为重水。核燃料置于许多压力管中，这些压力管又浸放在作为慢化剂的重水池中。作为冷却剂的重水则从压力管内流过，将核燃料产生的热量带入蒸汽发生器。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。

　　【责任编辑】唐宇