◎本刊主筆 季天也

熱效率高于燃煤電廠 第四代反應堆可對接火電機組?

◎本刊主筆 季天也

6月19日，位于我國山東石島灣的第四代核電工程——商業(yè)版高溫氣冷示范堆，完成了220千伏倒送電（反向送電）一次成功，提前9天實現(xiàn)里程碑節(jié)點目標。自1954年蘇聯(lián)建成世界第一座核電廠以來，核電技術經(jīng)歷了3次飛躍，共形成了4代技術，每一代在經(jīng)濟性、安全性和高效性方面都是質的飛躍。那么，目前最新的第四代核電究竟有哪些領先之處？其廣泛利用離我們還有多遠呢？

襁褓中的第四代：節(jié)鈾減排更安全

1996年，第三代核電站還沒大面積推廣時，美國能源部（DOE）就以核廢物減量、節(jié)約鈾礦資源和進一步強化固有安全性為目標，提出了第四代核電站的概念。2001年7月，美國能源部牽頭，由美國、英國、韓國、南非、日本、法國、加拿大、巴西、阿根廷9國，成立了第四代核能系統(tǒng)國際論壇(GIF)，中國、瑞士和歐洲原子能共同體后來也加入其中。該論壇目前確立了6種有前途的第四代核反應堆作為重點研發(fā)對象，包括3種快中子堆——鈉冷快堆(SFR)、鉛冷快堆(LFR)和氣冷快堆(GFR)，以及3種熱中子堆——超臨界水冷堆(SCWR)、高溫氣冷堆(HTR)和熔鹽堆(MSR)。這些設計的目的在于大幅減少核廢料、更充分利用鈾資源、降低核電站建造和運營成本，并防止放射性物質外泄。

隨著上世紀七八十年代投運的第二代核電站紛紛步入中老年，核電技術已經(jīng)到了推動第三代、孕育第四代的階段。2008年10月和2009年3月，我國分別加入了高溫氣冷堆和鈉冷快堆兩個系統(tǒng)的研究。

高溫氣冷堆所用的燃料球，直徑6厘米，和網(wǎng)球相近。

高溫氣冷堆靠“網(wǎng)球”發(fā)電

高溫氣冷堆全稱為“球床模塊式高溫氣體冷卻型反應堆”。與現(xiàn)今主流的壓水堆相比，球床反應堆用的不是細長的燃料棒，而是直徑6厘米——和網(wǎng)球差不多大的燃料球。球的最外層是5毫米厚的石墨層，作為導熱材料和中子慢化劑。中心的“餡兒”是8000個直徑0.92毫米的燃料粒。燃料粒的中心是直徑0.5毫米的二氧化鈾燃料，外面由碳化硅、熱解石墨組成4個保護層包裹。石墨和氦都不會吸收放射性，所以燃料球用完后，本身就有屏蔽作用，無需另外的機械或化學處理，但這部分廢料總體積會增加。

之所以名叫“氣冷堆”，是因為氦氣代替了水作為反應堆的冷卻劑。燃料球放在罐狀容器內，讓氣體冷卻劑在燃料球之間通過，將熱能帶走。氦氣是一種化學惰性極強的氣體，幾乎不和任何物質發(fā)生化學反應，導熱性好、沒有腐蝕性、沒有可燃性，也不會被核燃料的放射性污染。理論上，高溫氣冷堆甚至可以不用壓水堆的雙回路設計（詳見《環(huán)境與生活》6月號《揭秘核電廠“排尿”套路》一文），而讓高溫高壓的氦氣直接推動汽輪機發(fā)電。但是這種方式此前沒有現(xiàn)成的應用，必須從頭開發(fā)。

源于美國 長于德國

高溫氣冷堆源于1943年美國物理化學家法林頓·丹尼爾斯（Farrington Daniels，1889-1972）在美國橡樹嶺國家實驗室所做的一個實驗。4年后，他提出了球床反應堆的概念。上世紀50年代，德國物理學家魯?shù)婪颉な鏍栯≧udolf Schulten，1923-1996）牽頭，繼續(xù)將這個概念建構起來，并于1960年在前聯(lián)邦德國開始實際的工程設計與建設。歷時7年，這臺球床式高溫氣冷原型堆（AVR）建成并網(wǎng)發(fā)電，熱功率46兆瓦，電功率為15兆瓦。

1986年切爾諾貝利事件后，前聯(lián)邦德國對核電開始有了疑慮，AVR也受到嚴格的監(jiān)督。碰巧在1988年，不爭氣的AVR發(fā)生了一個小事故：由于燃料球卡在出口，在處理的過程中燃料球外殼破損，致使微量放射性塵埃溢出。在切爾諾貝利事件的影響下，社會已經(jīng)容不得任何放射性事故的發(fā)生，于是AVR就被關停了。

之后，德國政府花了26年來清理現(xiàn)場并總結經(jīng)驗教訓。2011～2014年間，外部專家審查該堆的運行情況時指出，AVR所用的燃料球外殼包層的強度存在缺陷，核燃料裂變產(chǎn)物銫-137和鍶-90從燃料球里泄漏出來，污染了反應堆壓力容器等核設施。而這兩種放射性核素釋放的β輻射可遷移性又很強，給反應堆的拆除工作造成了不小的困難。

我國第四代示范堆有望年底發(fā)電

德國舒爾滕團隊被解散之后，中國以合適的價格買下了具有知識產(chǎn)權的執(zhí)照和圖紙，并把燃料球生產(chǎn)線帶回國。1995年，中國版高溫氣冷實驗堆HTR-10在清華校園開建，發(fā)電功率為10兆瓦，2000年12月建成，并首次達到臨界，2003年1月實現(xiàn)滿功率并網(wǎng)發(fā)電。

2005年，我國決定在山東榮成市石島灣開建商業(yè)版的高溫氣冷示范堆，設計發(fā)電功率為200兆瓦。2006年2月，石島灣高溫氣冷堆被列入《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》。2007年1月，由中國華能集團、中國核工業(yè)建設集團、清華大學各出資47.5%、32.5%和20%共同組建華能山東石島灣核電有限公司。2011年3月1日，高溫氣冷堆示范工程項目核準報告順利通過國務院辦公會議批準。2012年12月9日，石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程開工，是“十二五”第一個正式開工的核電項目。2016年3月10日至20日，第一臺反應堆壓力容器卸車并完成吊裝。2017年4月12日，2號壓力容器的燃料球安裝完成，預計年底前后就能并網(wǎng)發(fā)電，有望成為世界首座第四代商用核電站。

新技術高效發(fā)電不熔堆

作為最新一代核技術，高溫氣冷堆主要有如下幾個優(yōu)點：

①固有安全性高，幾乎不會熔堆。

當球狀燃料的溫度增加時，鈾-238吸收中子的速率也會增加，這就使可用來引發(fā)鈾-235裂變的中子減少。也就是說，堆芯溫度越高，裂變反應的強度就越弱。傳統(tǒng)反應堆由于核燃料的密度較高，接近100兆瓦/立方米，所以這種現(xiàn)象作用不大。而球床反應堆的燃料密度只有不到3兆瓦/立方米，核燃料自然衰變產(chǎn)生的熱能沒有自然散熱量大。這種物理特性確保了反應堆不會發(fā)生堆芯熔毀的事故。

首次將球床式反應堆概念付諸實踐的德國物理學家魯?shù)婪颉な鏍栯?/p>

2017年3月20日，山東石島灣商業(yè)示范性高溫氣冷堆的壓力容器卸車，它是目前世界上最大、最重的反應堆壓力容器。 來源：中核二三建設公司

高溫氣冷堆內部構造示意圖

另外，冷卻劑氦氣不會助燃或燃燒，不用像壓水堆那樣需要防范蒸氣爆炸。2004年，清華大學對其安全性進行驗證試驗：在反應堆正常運行時切斷電源，在不插入控制棒的情況下，關閉反應堆冷卻系統(tǒng)，模擬最嚴重的事故工況，結果反應堆在沒有人為干預的情況下依靠自身設計安全地停了下來，堆芯沒有熔毀。國際原子能機構（IAEA）60多人的專家組現(xiàn)場見證了試驗過程，并給予高度評價。

②熱效率高，有綜合利用潛力。

高溫氣冷堆中，高溫可不是個虛名，堆芯和冷卻劑的特性允許把反應堆的運行溫度設定得更高。氦氣被反應堆加熱到650～950攝氏度，而壓水堆的安全性只夠把水燒到300多攝氏度（通過150個大氣壓左右的高壓確保水不會沸騰），因此高溫氣冷堆的熱效率（核燃料的裂變能轉化成電能的比例）可達到50%，不僅遠高于壓水堆的30%～35%，也超過了大型煤電機組的40%～42%。相應地，反應堆排除的廢熱少，減輕了對環(huán)境的熱影響，也間接節(jié)約了我國儲量并不豐富的鈾資源。

高溫氣冷堆的蒸汽參數(shù)與燃煤電廠一致，因此高溫氣冷堆核電廠的汽輪機發(fā)電系統(tǒng)可以很好地利用我國現(xiàn)有成熟的火電技術和建造能力，具有較好的經(jīng)濟性。同時，反應堆產(chǎn)生的廢熱還能為核能制氫、冶金、化工等領域提供大量的高溫工藝熱。

③換料不用停堆。

球床式設計使反應堆在運行期間就能裝/換核燃料。新的燃料球從反應堆頂部裝入，用過的燃料球從反應堆底部排出。系統(tǒng)會對排出的燃料球進行燃耗檢測，還能繼續(xù)燒的會被重新裝入反應，每年循環(huán)10次左右。這樣一來，不僅提升了換料的安全性，還比現(xiàn)役核電廠大幅節(jié)省了一兩年一次、每次幾星期的停堆換料時間，從而提高反應堆的發(fā)電時數(shù)，運轉經(jīng)濟性自然就更好。

體型太大尚不經(jīng)濟

高溫氣冷堆既然好處這么多，為什么不趕緊推廣呢？主要有這么幾方面的考慮。

①它還年輕。

它雖然結構很簡單，但在工程設計上遠不如目前的壓水/沸水式成熟，沒有經(jīng)歷幾十年、上萬堆年的運行經(jīng)驗，許多潛在的故障還沒能排除，實際運行過程中的可靠性和安全性還需要長期驗證。

②不夠經(jīng)濟。

高溫氣冷堆功率密度低，對于防止堆芯過熱是個優(yōu)勢，但在體積上就比較吃虧了：一個比壓水堆體積大30倍的高溫氣冷堆（占地900立方米），功率只能做到100兆瓦，而最新的壓水堆已經(jīng)達到1400兆瓦。高溫氣冷堆不用像傳統(tǒng)壓水堆和沸水堆那樣需要防范堆芯熔毀和蒸汽爆炸，理論上說可以不需要反應堆安全殼。但畢竟其實際可靠性還不清楚，如果仍需出于謹慎而建設安全殼，廠房的體積和成本就更不容小覷了。身為新一代技術，高溫氣冷堆的燃料制造、回收和各種設備的制造，無法沿用現(xiàn)役核電廠的軟硬件基礎，需要新建一套體系，進一步削弱了經(jīng)濟性。

③燃料粒容易出次品

清華大學的燃料球生產(chǎn)線年產(chǎn)量是10萬枚，現(xiàn)在正在包頭市建設年產(chǎn)30萬枚的工廠。燃料粒性本身有4層防護，目前的工藝可以保證99.999%的優(yōu)良率，理論上可靠性很高。但是年產(chǎn)30萬枚燃料球，每個球有8000個燃料粒，那就是24億顆燃料粒。在巨大的燃料粒基數(shù)下，即便是那0.001%也意味著仍然會有24000顆“次品”燃料粒出現(xiàn)。一旦這些燃料粒發(fā)生破損，就有可能泄漏放射性塵埃。當然，一顆燃料粒的鈾含量只有0.7毫克，放射性并不厲害。

鈉冷快堆：鈾-238變廢為寶

除了高溫氣冷堆，我國研發(fā)第四代核電的另一棵技能樹是鈉冷快堆。之前介紹的反應堆，都是要使用慢化劑，將核裂變產(chǎn)生的速度很快的快中子慢化成速度慢的熱中子，稱為“熱中子堆”（簡稱熱堆）。比如壓水堆用水作為慢化劑，高溫氣冷堆用石墨作為慢化劑，這么做是因為速度慢的中子更容易使鈾-235發(fā)生裂變。鈉冷快堆則是不使用中子慢化劑、以液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑的反應堆，簡稱“快堆”。

清華大學HTR-10高溫氣冷實驗堆的控制室

快中子雖然使鈾-235裂變的概率低一些，卻能使天然存在、含量更高、但不易裂變的鈾-238轉化成易裂變核素钚-239。快堆中，在不斷消耗钚-239的同時，又有鈾-238不斷轉變成新的钚-239，而且新生的钚-239比消耗掉的還多，從而使堆中核燃料變多，實現(xiàn)裂變材料的增殖。因此，快堆也被稱為“快中子增殖堆”。

要知道，鈾-235是地球上唯一天然存在的易裂變核素?！翱拥钡氖?，它在天然鈾資源中的含量僅有0.711%，其余99.3%幾乎都是不易裂變的鈾-238。快堆的應用，算得上是變廢為寶，可以大幅度提高鈾資源的利用率，降低核燃料加工的難度，還能顯著減少高放射性廢物的產(chǎn)量。

中國實驗快堆于1992年3月獲國務院批準立項，2000年5月開工建設，2011年7月22日完成40%功率并網(wǎng)發(fā)電24小時的預定目標，2012年10月31日通過科技部驗收，2014年12月30日滿功率試運行144小時后停堆。2015年10月10日，以3.8kw的電動率再次實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，標志著中國進入世界少數(shù)幾個擁有快堆國家的行列。當然，真正實現(xiàn)快堆的商用發(fā)電，還有很多年的路要走。

本欄目責編/季天也jtyair2013@vip.163.com