話說高溫氣冷堆

今年年初，全國科學技術大會在京隆重召開，這是我國科技界的一次盛會。會上提出了《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》，在十六個重大專項中有一項令我國核能界格外關注，那就是“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站”。什么是高溫氣冷堆？它在我國的科學界和工業界將扮演什么重要的角色？

HTR-10，中國人的驕傲

核能的發現是20世紀最偉大的科學成果之一，它的能量密度（單位質量燃料發出的能量）之高是其它常規能源所遠遠不及的。目前核能的和平利用主要是使用核能發電。核電是一種清潔的無空氣污染的新能源，并且有可能大規模地替代現有的火力發電，為解決我國能源供應短缺，改善能源結構，減輕環境污染做出貢獻。現在，在我國大陸范圍內，正在運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，采用的核反應堆堆型為壓水堆和重水堆。從國際上看，壓水堆、沸水堆和重水堆技術相對成熟，目前在核電市場上占主導地位。

高溫氣冷堆是20世紀60年代問世的一種新型反應堆。“模塊化球床高溫氣冷堆”是在核反應堆家族中脫穎而出的先進堆型，我國清華大學承擔的“10兆瓦高溫氣冷實驗堆（HTR-10）”就是這種反應堆。

10兆瓦高溫氣冷實驗堆（HTR-10）是國家高技術研究發展計劃（863計劃）能源領域重點項目之一，由清華大學核能與新能源技術研究院承擔。HTR-10于1992年經國務院批準立項，1995年動工建造，2000年12月建成達到首次臨界，2003年1月達到滿功率運行并網發電。HTR-10是當今世界上唯一一座正在運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堆廠房，里面安裝著反應堆本體和蒸汽發生器（稱為一回路系統）；右邊的輔助建筑為汽輪機廠房，反應堆廠房產生的蒸汽傳入汽輪機廠房，推動汽輪發電機組運行發電。

10兆瓦高溫氣冷實驗堆是我國自主研究開發先進核電技術所取得的一項重大成果，它的成功標志著我國在高溫氣冷堆技術領域處于國際領先的地位。目前，HTR-10正在進行長期運行考驗和各種性能試驗，其中包括固有安全性試驗，為高溫氣冷堆的工業化和商業化做技術積累。值得一提的是，HTR-10的固有安全性試驗引了起國內外科學家的高度關注，在HTR-10上成功地進行了固有安全性試驗被認為是核反應堆發展史上的一個重大事件。在試驗中，可以假設各種事故，然后用反應堆模擬各種事故，從而驗證反應堆的安全性。高溫氣冷堆可以直接用試驗的方式向公眾演示其安全性，這是其他反應堆所做不到的。

什么是高溫氣冷堆

高溫氣冷堆的一回路系統的一側為反應堆壓力殼，另一側為蒸汽發生器壓力殼，兩殼由熱氣導管壓力殼相連，從而構成密閉的反應堆一回路系統。系統內充滿作為冷卻劑的純凈氦氣，由氦循環風機驅動循環流動。反應堆壓力殼內部的結構材料為石墨，中心的空腔為反應堆堆芯。

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℃范圍內可以保持完整性，在反應堆運行過程中將絕大多數的核反應裂變產物阻擋在包覆層內，從而極大地提高了反應堆的安全性，是高溫氣冷堆的核心技術。

簡單地說，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構材料，以氦氣為冷卻劑。反應堆堆芯的核燃料裂變發出的熱量由自上而下流動的氦氣從堆芯底部帶出，熱氦氣通過熱氣導管中心管后到達蒸汽發生器。蒸汽發生器管中的水經高溫氦氣加熱后成為水蒸氣，然后送入旁邊的汽輪機廠房，驅動汽輪發電機組發電。經過蒸汽發生器后的氦氣降低了溫度，然后由氦氣循環風機加壓，通過熱氣導管外管后繞到堆芯上部，完成熱力循環。

與其它反應堆相比，高溫氣冷堆的運行溫度要高出許多，堆芯出口溫度可達950℃甚至更高。因此，用高溫氣冷堆發電，可以大幅度地提高發電效率；用它作為熱源，則可以應用到另一個新能源領域，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

高溫氣冷堆在技術上和經濟上有許多獨到之處，其中被人們一致肯定的是高溫氣冷堆所獨具的安全性。設計者們從以下三個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，反應堆運行中的裂變產物絕大多數被阻擋在包覆層內。第二道是一回路壓力邊界，反應堆壓力殼、蒸汽發生器壓力殼和熱氣導管壓力殼構成密閉的一回路壓力邊界，將氦氣和其他放射性物質封閉在內。第三道是包容體，反應堆一回路系統置于特殊設計的混凝土艙室中，可以阻留和控制放射性氣體向大氣釋放。

其次，有很強的反應堆溫度負反饋性。高溫氣冷堆堆芯被設計成其核反應的強弱與堆芯溫度成負反饋關系，也就是說隨著堆芯溫度的升高，核反應會相應地減弱，從而提高了反應堆的安全。通常，反應堆的運行由安裝在頂部的控制棒來調節。控制棒向上拔，核反應增強；向下插，核反應減弱或停止。高溫氣冷堆的溫度負反饋性很強，即使在控制棒失效的情況下也能自動地使反應堆停堆。

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到蒸汽發生器，然后由水蒸氣帶出堆外。如果反應堆冷卻系統失效，例如冷卻劑氦氣喪失，反應堆堆芯的熱量也能夠通過燃料表面，堆芯結構材料，反應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，反應堆堆芯的熱量都可以通過這種方式自動導出堆外，從而保證堆芯燃料溫度低于1600℃，防止核事故的發生。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，嚴格說來，稱之為模塊式高溫氣冷堆。

與其他反應堆一樣，高溫氣冷堆也有一套可靠的系統和設備來保證反應堆的運行和安全。但是，即使是這些系統全部失效，高溫氣冷堆也能依靠自己本身的物理特性保證反應堆的絕對安全。因此，固有安全性是高溫氣冷堆最顯著的優點。

呼喚核能的春天

近年來，國際核能界的科學家根據核能發展的需要制定出了下一代的核能系統的框架，稱之為“第四代核能系統”。第四代核能系統與現有核電市場的反應堆系統相比較，其安全性和經濟性的要求大幅度提高。高溫氣冷堆技術和在此基礎上發展出的超高溫氣冷堆概念，成為第四代核能系統有競爭力的候選堆型，并且是最有可能在不遠的將來實現的堆型。

目前，清華大學核能與新能源技術研究院的研究者們，在10兆瓦高溫氣冷實驗堆成功的基礎上，正在進行兩項前瞻性的工作。一是進行大型商用高溫氣冷堆電站的設計研究工作，稱之為高溫氣冷堆示范電站工程。二是將現有10兆瓦高溫氣冷實驗堆進行改造，用一回路中的氦氣直接推動氦氣輪機發電機組發電，以提高發電效率，稱之為高溫氣冷堆氦氣透平發電項目。這兩項工作對高溫氣冷堆技術的提升和產業化將起到積極的推動作用。

核能的巨大威力是人們耳熟能詳的。核武器的威脅像一把懸在人類頭上的達摩克利斯寶劍，核電站事故的悲劇曾撕裂了無數人的心扉。然而，在石油等傳統能源日益短缺的今天，人們在呼喚著安全、環保、高效率的新能源，有什么理由讓我們忘卻或忽視蘊藏著無盡能量的核動力呢？只要核科技能不斷地進步，沉寂了多年的核動力，有望迎來新的春天。對于許多國家，尤其是我國這樣的人口大國來說，這是可喜的進步，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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核電站和反應堆

核電站就是利用核能發電的工廠，而反應堆則是核電站的關鍵設備，其功能是使核裂變反應在人為的控制下進行，并將產生的能量轉化成熱能傳出堆外。反應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。核裂變反應產生的熱量由冷卻劑載出，進入蒸汽發生器。蒸汽發生器另一側的水被加熱成蒸汽，推動蒸汽輪機發電機組發電。反應堆和蒸汽發生器部分稱為一回路系統，相當于常規火電站的鍋爐。蒸汽發生器另一側的水和水蒸氣，以及汽輪發電機部分稱為二回路系統。目前，在國內外核電市場上，技術比較成熟的反應堆有壓水堆、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，通過循環流動將核燃料產生的熱量傳給蒸汽發生器。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。但是壓力殼內壓力較低，因此一回路水可以汽化，直接驅動汽輪發電機組。沸水堆去掉了二回路，從而使整個系統得到了簡化。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流過，將核燃料產生的熱量帶入蒸汽發生器。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。

【責任編輯】唐宇