“天生安全”核反应堆 打开核电发展新空间
◎刘丽靓 戴小河
说起核电站，“安全”无疑是最为关注的话题。这是核能发展的生命线，也是各国科学家们着力攻克的世界级难题。
山东半岛最东端，威海荣成，三面环海。南端的沙滩海岸之上，我国具有完全自主知识产权的国家科技重大专项——华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程正平稳地运行着。
华能石岛湾核电基地是华能三大核电基地之一，我国首座第四代核电站，于2023年年底投入商业运行，今年3月27日又实现核能供暖，标志着第四代核能综合利用取得新突破，其93.4%的设备国产化率彰显了大国重器的硬核担当。在运1台20万千瓦高温气冷堆示范工程，同步扩建4台百万千瓦“华龙一号”商用压水堆机组。
第四代核电技术有什么特点？什么是高温气冷堆，为什么说它是“天生安全”的核反应堆？我国科技工作者如何勇闯“无人区”，在无样板可依、无经验可循的工程建设及调试运行中破冰前行？
5月10日，笔者走进华能山东石岛湾核电有限公司探寻高温气冷堆的奥秘。
“不怕没有电、不怕没有水、不怕没有气、不怕没有人。在最极端的情况下，即使反应堆突发故障或遭遇自然灾害，一切操作系统都失灵的情况下，不依靠任何外界干预，反应堆仍然可以依靠自身的物理特性，保持在安全状态。”华能石岛湾核电公司运行值长仝礼允介绍说。
探寻其奥秘前，先了解什么是高温和气冷。
所谓“高温”，指的是堆内核燃料和其他材料均采用耐高温材料，这使得高温气冷堆的工作温度和冷却剂的堆芯出口温度可以达到其他堆型难以企及的高度——900至1000摄氏度。所谓“气冷”则是区别于“水冷”，通过使用气体进行堆芯冷却和热传导。
“高温气冷堆核电站示范工程最大的优势就是安全，而被称为‘不会熔毁的核反应堆’。”仝礼允说，要实现核能安全，必须确保三大要素：一是核裂变反应的有效控制，二是及时导出停堆以后堆芯的余热，三是牢牢地把放射性物质包容起来。
“如果反应堆不靠外部动力、冷却剂等，就能确保核反应不失控、反应堆不熔毁、放射性不泄漏，那就是‘天生’安全的。反之，这三个要素中的任何一个要素未能满足，都可能会造成核事故。”仝礼允说。
“天生”安全的高温气冷堆，具体是如何实现的呢？“我们设置了三道防线。”仝礼允介绍，层层防线之下，我国在全世界首次于商业规模核电站上实现“固有安全”。
据第一道防线，是耐高温的球形燃料元件。
仝礼允手中拿着一个直径6厘米的黑色圆球介绍道，“这个拳头般大小的黑色圆球看起来并不起眼，却‘内涵丰富’。它最外面一层是厚约5毫米的石墨，里面包裹着约1.2万颗小米粒一样的燃料包覆颗粒，每颗‘小米粒’直径不足1毫米。小米粒最内层是核燃料，外面由四层耐高温的陶瓷‘盔甲’层层包裹着，这套盔甲最高可承受1620摄氏度的高温。
第二道防线，反应堆具有自稳特性。当温度升高达到设定阈值时，反应堆会进行负反馈，反应堆功率自己就会降下来。即使在最极端的事故情况下，所有的控制手段都失效了，反应堆自己就可以“刹车”，借助这一特性实现自然停堆，使核裂变反应得到有效控制。
第三道防线，非能动的余热排出系统。“反应堆在停堆后，堆芯还会存在余热，需要把这些热量导出才能确保反应堆的安全。”仝礼允说，高温气冷堆设置了一套非能动的余热排出系统，不需要任何的外界动力，不需要水泵和风机，堆芯余热能够借助热传导、自然对流换热和热辐射等自然机制的非能动方式，将热量传导出来，避免堆芯过热发生熔毁。
在三道防线的作用下，反应堆堆芯内部最高的温度不会高于1620摄氏度，因此包覆燃料颗粒的完整性不受影响，可有效防止放射性物质外泄。
除了“天生”安全这个优势，高温气冷堆还有一个优势就在名字里——高温。
今年3月，华能石岛湾高温气冷堆示范工程核能综合利用项目与荣成市政供热管网并网，荣成市近2000户居民由燃煤供暖模式“切换”为核能供暖模式，这也标志着四代核能综合利用取得突破，在保障和改善民生的同时，进一步助力城市低碳发展。据了解，按照上述供暖规模，每个供暖季可替代燃煤3700吨，减少二氧化碳排放6700吨。
据了解，高温气冷堆还能够提供足够高的工艺热进行制氢，是目前核能制氢最为理想的堆型。除此之外，高温气冷堆的应用场景还包括：分布式电源、海水淡化、稠油热采、同位素生产等领域。高温气冷堆可以和需要使用这些高温热源的工业企业配套，形成无污染、无排放的能源链。
中国华能将依托示范工程的建造与运行，继续深入挖掘经验成果，持续优化改进球床式高温气冷堆，不断探索拓宽核能的多用途综合利用，为助力国家加快实现“双碳”目标作出积极贡献。
图1：设备吊装
图2：石岛湾核电站全景
图3：青工联谊活动
