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作者:邓晖 詹萌 来源:光明日报 发布时间:2022/1/6 9:30:57
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“不会熔毁的核反应堆”为何固有安全

 

日前,被称为世界首座商业规模“不会熔毁的核反应堆”——石岛湾高温气冷堆核电站示范工程首次并网发电。这是全球首个并网发电的第四代高温气冷堆核电项目,标志我国在这一先进核能技术领域成为世界领跑者。

满功率运行后,每年将有14亿度发电量,可为200万名居民提供生活用电,减少二氧化碳排放90万吨……一连串数字令人振奋。本报记者第一时间发出消息后,读者纷纷点赞。

这座中国造的核反应堆为什么这么牛?为什么说它是固有安全的?针对读者关心的问题,记者日前采访了清华大学相关负责人。

我们是如何利用核能发电的

自从1938年科学家发现了核裂变,人类就进入了开发利用核能的时代。

经过各国多年的探索、比选,目前世界上大部分核电站多采用压水堆堆型,属于热中子反应堆的一种。现代化的压水堆核电站是人类工业技术的一个高峰,在全球能源供给中发挥了重要作用,我国的秦山核电站和大亚湾核电站均属此类。

该负责人向记者介绍,以压水堆核电站为例,核能发电的主要过程分为3步:

首先,核燃料在反应堆堆芯发生核裂变链式反应产生大量的热,将核能转换成了热能;

其次,通过冷却剂(比如水)循环,把热量从堆芯带到蒸汽发生器中,使蒸汽发生器另一侧的水受热蒸发形成水蒸气,水蒸气进入汽轮机内膨胀带动汽轮机转子转动,就将热能转换成了机械能;

最后,汽轮机转子带动发电机的转子旋转,使发电机发电,将机械能转换为电能,从而实现核能发电。

这个过程中,通过堆芯的冷却水和推动汽轮机做功的水蒸气分处一回路与二回路,放射性物质不会通过水传递出来。而且,核电站只需消耗很少的核燃料就可以产生巨大的能量,核能发电的过程中几乎零碳排放,不会加剧“温室效应”,因而核能属于非常清洁、优质的能源。

为什么石岛湾高温气冷堆核电站“永不会熔毁”

尽管核能有着不可比拟的优越性,但从1979年美国三哩岛核电站事故到1986年苏联切尔诺贝利核电站事故,再到2011年日本福岛核电站事故,这些灾难性的核事故给世界核能事业的发展蒙上了一层阴云。越来越多的科学家意识到,安全性是核能发展的生命线,是核能技术发展必须面对的主要矛盾。

1956年,美国物理学家爱德华·泰勒曾提出:要使公众接受核能,反应堆安全必须是“固有的”。也就是说,出现任何事故,核反应堆不依靠外部操作,而仅靠自然物理规律都能够趋向安全状态。

更具体地说,要实现核能安全,必须确保三大要素:核裂变反应的有效控制;及时导出停堆以后堆芯的余热;牢牢地把放射性物质包容起来。

该负责人介绍,如果说今天的石岛湾高温气冷堆核电站是世界首座在工业规模上实现固有安全的模块式高温气冷堆核电站,那么,作为这座核电站的“原型”,世纪之初在清华大学建成的10兆瓦高温气冷实验堆,就已经在实验堆的规模上实现了固有安全这一特性。

2004年Wired杂志称其为“不会熔毁的反应堆”,是一种固有安全的核能系统,达到了当今世界核能安全的最高水平。

该负责人表示,中国高温气冷堆所具有的三大核心创新技术,很好地满足了上述三个要素的实现:

一是模块式反应堆设计。其核心思想是把一个百万千瓦的大反应堆拆分成10个小的模块,每一个模块都是一座可以独立运行的小反应堆。

与燃煤电厂不同,核反应堆停止运行后,裂变产物还会继续衰变产生可观的余热。如果停堆后不能及时冷却堆芯、载出余热,核燃料的外壳就有可能因为过热而熔化,酿成严重事故。日本福岛第一核电站的事故就是这类情形。

因此,高温气冷堆采用小型模块式设计,每一个小模块都可以采用很低的功率密度(约为大型压水堆核电站的1/30),使停堆后产生的余热处于较低水平。发生任何意外时,即使不进行人为的能动冷却,停堆后堆芯的余热也可以通过热传导、热辐射等基本的自然现象安全地散发出去,实现了上文提到的核安全三要素之一:及时导出停堆以后堆芯的余热,保障了固有安全。

二是自主研制的“耐高温全陶瓷包覆颗粒球形核燃料元件”。球床型高温气冷堆采用的核燃料元件是耐高温全陶瓷包覆颗粒燃料球,其直径6厘米,最外层是石墨层,里面是弥散在基体石墨粉中的约12000个四层全陶瓷材料包覆的、直径0.9毫米的核燃料颗粒。

层层包覆的牢固结构、耐高温高压的强悍属性、严苛的质量标准检验,可以有效防止放射性物质泄漏,从而实现了把放射性物质牢牢包容起来这一核安全要素。

三是反应堆不停堆在线换料。通常堆型的燃料元件多为燃料棒,核电站运行一段时间后要把反应堆停下来换料。新装入的燃料棒能量有富余或者是过量的,存在核反应的过剩反应性,这就给核裂变反应的有效控制带来了压力。

而球床高温气冷堆的好处是装卸燃料球的过程不需要停堆,新的燃料球从反应堆顶部填装的同时,“烧透”的燃料球会从底部卸出。这种方式不但大大提高了运行效率,而且不用一次性装入过多核燃料,大幅减少了堆内的过剩反应性。通俗地说,就像平时烧柴,一上来就往灶里放很多新柴,火势必烧得更旺,但火势不好控制;而不停堆在线换料意味着我们可以在初期少放点柴,等它烧起来再一边添柴一边把烧完的炭取出,火势够用而又平稳安全。

与此同时,通过周密的材料匹配与堆芯物理设计,模块式球床高温气冷堆具有很大的反应性“负温度系数”:即使控制失误无法停堆,只要反应堆温度升高,它自己就会“刹车”减少核反应直至停堆,进一步支撑了固有安全。

如此厉害的核反应堆不只能发电

该负责人进一步介绍,如此厉害的核反应堆可不只能发电!

高温气冷堆能够达到其他堆型达不到的冷却剂出口温度,它不只能高效发电,还能利用高温特性发展核能的非电应用,实现综合利用、一举多得。

目前,世界能源有约40%以电的形式得到利用,其余都是非电应用,包括以各种形式利用的工业热、民用热和交通能源等。

石岛湾高温气冷堆示范电站的氦气出口温度能达到750℃,产生566℃的过热蒸汽,在高效发电之外,高温蒸汽还能用于热电联产、稠油热采、化工、冶金等。

“10兆瓦高温气冷实验堆超高温运行实验证明,高温气冷堆有望进一步提高运行温度,目前技术水平的高温气冷堆具备运行在950℃的能力,可用于核能大规模绿色制氢,有望对解决石化、冶金、交通等行业的二氧化碳排放问题发挥关键支撑作用。”该负责人表示。

(本报记者 邓晖 本报通讯员 詹萌)

 
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