爱华网摘要：我国掌握的高温气冷堆是最新的核电技术，其“固有安全”性开启了世界核历史上的第二核纪元。落实强化自主创新的国策，加大对高温气冷堆技术方向的投入，巩固我国在核电技术革命中的领先优势，积极促进高温气冷堆技术的产业化，必将引领我国核电产业朝着自主、健康的方向发展。 2006年12月，中国第三代核电技术全盘引进路线，在经历两年多的国际招标之后，终于尘埃落地，美国西屋公司的AP1000中标。这次核电技术的引进思路是：“引进国外‘成熟先进的第三代技术’，在外国核电供应商为我国建设四台第三代核电机组后，从2010年开始这种引进机型的批量建设，并于2020年达到装机容量4000万千瓦的目标。中国核电将以此类堆型为主，从而实现一步跨越、统一技术路线。”——但三代技术一定是未来核能产业主要的发展方向吗？在技术上是否有更值得关注的选择？其实也许更具发展潜力的技术选择正在孕育。而且不是在西方传统的核能发达国家，而是在中国本土。我国独立掌握的高温气冷堆核能技术可以说已经开启了世界核能史上的第二核纪元，高温气冷堆的产业化也必将引领着我国核电产业健康快速的发展。 一、世界新型核能反应堆的三种思路
三哩岛和切尔诺贝利两次严重核事故后，核能技术的走向成为一个引起世界各国关注的问题。总体上看，核电行业在核事故后着手研制的新型反应堆，基本遵循三种思路：改进型、革新型、革命型。第三代轻水堆都属于堆型变化相对较小的前两类。其中改进型是在原有设计基础上，利用国际上已成熟的技术，增加安全裕量，增加对付严重事故的安全措施，提高安全性；通过增加单机容量，利用规模效益改善经济性，补偿因提高安全性而引起的经济性下降。总体来说，改进型的轻水堆采取了“加”系统的方式，通过安全冗余设计和添加更多的安全设施确保整个反应堆的安全。属于改进型的堆型主要有ABB-CE公司的系统80+（system80+）、通用电气公司的先进型沸水堆（ABWR）以及法国和德国联合开发的欧洲压水堆（EPR）。 而革新型的轻水堆相对来说技术变化要更多一些，但也仍然是基于原有的成熟技术。这种类型轻水堆的主要特点是，依靠自然规律（重力、自然循环等）的非能动安全（passive safety）设计，简化系统、减少设备，既提高安全性，又改善经济性。属于革新型的主要是西屋公司的AP600以及之后发展出来的AP1000。AP系列的非能动安全技术是一个整体性的概念，具体来说，它是由非能动的堆芯冷却系统和非能动的安全壳冷却系统构成的一套应对各类事故的安全体系。其中，AP600的堆芯、压力壳、堆内构件和燃料元件与已经投入运行多年的西屋压水堆基本相同。它的创新之处主要是装备了自然循环热交换器，并依靠非能动设计进行安全壳冷却。而AP1000与AP600设计思路基本相同，是在提高输出功率的基础上设计出来的。 虽然革新型的三代轻水堆在安全性和经济性上都有了很大的提高，但是无论是改进型的EPR、ABWR、SYSTEM80+，还是革新型的AP600、AP1000，都仍然沿用了原来压水堆或沸水堆的基本设计思路，离当初学术界提出的固有安全反应堆还有很大距离。为了理解这种区别，必须首先区分“非能动安全”和“固有安全”两个本质上截然不同的技术概念。所谓“非能动安全”是指某一类实现核电安全性的具体方式，与传统的附加动力设备实现安全的方式不同，“非能动安全”是指是建立在惯性原理（如泵的惰转）、重力法则（如位差）、热传递法则等基础上的非能动设备（无缘设备）的安全性，即安全功能的实现不需要依赖外来的动力。而“固有安全”是相对于过去“概率安全”的反应堆提出的，它的定义是：当反应堆出现异常工况时，不依靠人为操作或外部设备的强制性干预，只是由反应堆的自然安全性和非能动安全性控制反应性或移出堆芯热量，使反应堆趋于正常运行和安全停闭。 固有安全的反应堆在设计上要确保在出现任何情况时都不会造成堆芯熔化事故。在发生上述正反应性引入事故条件下，堆功率上升导致燃料元件的温度升高，但负反应性温度系数能迅速抑制其功率的上升，燃料最高温度远低于燃料元件最高温度限值，这样堆芯熔化就从物理原理上不会发生了。其中高温气冷堆就是这种固有安全设计的典范。高温气冷堆采用涂敷颗粒燃料，以石墨作慢化剂。优异的包覆颗粒燃料是获得其良好安全性的基础。铀燃料被分成为许多小的颗粒，经过精密加工成多层包覆直径小于1mm的颗粒状燃料，颗粒状燃料均匀弥散在石墨慢化材料的基体中，制造成直径为6cm的球形燃料元件。石墨的熔点在3000度以上，而氦气作冷却剂的化学稳定性和传热性都很好，停堆后能将余热安全带出，极大提高了安全性。除了所选用的材料，最为关键的是这种堆型通过结构上的精巧设计可以做到在几乎任何情况下都可以实现安全停堆。模块化设计的固有安全性使反应堆不会发生严重的核泄漏，不会出现危及周围环境的事故，也不再需要厂外应急措施。 二、高温期冷堆，来自德国概念的中国原创 虽然中国发展高温气冷堆已经走到了世界前列，但这项技术并非完全意义上的本土原创。上世纪60年代，西方国家已经开发过早期的高温气冷堆。当时设计出的反应堆直径很小，但是高度很高，通过结构上的设计也可以达到固有安全。不过实验堆功率很小，如果要建造百万千瓦电站，必须继续提高功率提高经济性。但这样一来反应堆的体积就会过于庞大工艺上很难实现，最终没有做成。同许多早期人们曾经尝试过的堆型一样，高温气冷堆也很快彻底败在了如日中天的压水堆手下。 直到1979年美国出现了三哩岛事故，持续了几十年的核能狂热才开始在西方逐渐降温。三哩岛事故虽然只是一次偶然事故，却暴露出已经被工业界视为主流技术的压水堆存在的“先天缺陷”，即无论采取怎样的事故缓解和安全保护机制，从设计上讲这类堆型永远存在失水而导致堆芯熔化的隐患。从那时起，除了继续改进现有设计，一些高瞻远瞩的科学家和工程师开始重新考虑那些曾经被人们考虑过的概念堆型。 当时两个在西门子工作的德国人连夜通过电话沟通，要设计出一个绝对安全的反应堆。他们在原有高温气冷堆方案的基础上，设计出了第一台模块式高温气冷堆。模块化设计的单堆功率较小，单堆功率20万千瓦左右，再将多堆组合起来，在经济上可与其他大型核电机组相竞争，这种设计也因此被命名为模块化设计。模块化设计的高温气冷堆既可以保证安全性又实现经济性，因此概念一出现便获得了业界的重视，德国技术人员也做了大量的后续设计研发工作，但到了80年代，切尔诺贝利核事故让西方的核电产业彻底进入冬眠期。特别是在德国，在反核运动高涨和绿党兴起的背景下，高温气冷堆在他的故乡无奈地失去了建造的机会。然而这个有可能改变核电产业命运的机会却被清华人抓住了。 三、清华人的研发之路 1979年中国改革开放后，德国的高温堆之父曾来清华做演讲，宣传他的设计思想，引起了很多人的兴趣。据后来参与过项目的老工程师回忆，其实早在文革期间清华就查到过相关资料，已经在关注这个堆型。上世纪80年代，时任清华核研院院长的吕应中将低温供热堆和高温气冷堆作为将来发展的主攻方向。而后来的清华校长，当时还是普通教师的王大中到联邦德国利希核中心做访问学者期间参与研究的正好也是高温气冷堆。他首次提出了双区球床堆的新概念——环形堆芯模块式高温气冷堆，可使模块堆的单堆功率提高一倍以上，获得德国发明专利，并同时获得美国和日本专利。在德国的研究过程中，王大中感受到这种堆型是具有前瞻性的，决定将其带回中国继续坚持做下去。 回国后，在他的带领和积极推动下，经过三年多的论证，10兆瓦高温气冷实验反应堆项目获得国务院的批准，开始实施，并列入80年代末的863计划重点项目。清华开始与德国合作研制，从引进设计专利和燃料元件的制造工艺做起，逐步实施这个革命性的堆型。虽然可以从德国老师那学到不少东西，但毕竟是造出一座世界上从没有过的新型反应堆，各种技术细节、工艺实现上的困难都难以预料。 清华建造的高温气冷实验反应堆采用的是球床设计。这种反应堆的腔体内要放置数量众多的球型石墨燃料元件。如何在不停堆的条件下，不断地将燃耗过的燃料球取出，换入新的燃料球是工程上需要解决的问题。清华核研院的工程师采取了一种新的球形燃料元件输送形式，利用脉冲气流让燃料元件从卸料管中排出。就好像用风给燃料球向下的外力，使其逐个滚落，不用停止反应堆就可以维修换料。燃料元件装卸系统研制课题组研制了十多年，实验做了十几万次，用了数十万个燃料球最终得到了满意的实验结果。 此外，燃料的加工是高温气冷堆的另一项关键技术。球型石墨燃料元件内部弥漫的燃料小球加工难度非常大，这种燃料小球称为“包覆颗粒”，它的制造也是保证高温堆具有优异安全性的核心技术。制作包覆颗粒要先把核燃料制成直径0.5毫米的核芯，再在其外面包上四层包覆层，每层只有几十微米厚，而且要严格控制每层的厚度、密度和各向同心性，最后制成的球形颗粒直径只有0.9毫米。8000个这样的小颗粒均匀弥散在直径5厘米的石墨基体里，再在其外部围上一层厚5毫米的石墨球壳，才能制成直径6厘米的球形燃料元件。制造工序达36道，半成品、成品检验的性能指标34项，包覆颗粒制造不合格率要求小于万分之一，只要有一项性能不合格，这批产品就不能出厂。为了在工艺上实现这些看似普通的小球，核研院花了十几年的心血：全部采用了自主研发的全凝胶法、化学气相沉积法、准等静压法等制备工艺；从实验室到小规模生产，再到建立规范完整的工艺流程，最后形成批量化；产品质量不断提高，不合格率降到了十万分之五的低水平以下，最终具备了向商用核电站供应燃料的目标。 2004年9月30日，在国际原子能机构的组织和安排下，世界第一座模块式球床高温气冷核反应堆在北京首次对外进行了核安全实验演示，来自30多个国家的60余位国际原子能专家在现场观看了“不插入控制棒下反应堆丧失冷却”的核安全实验演示。这次实验演示可能会在将来的某一天载入核能技术发展的史册，因为这是世界范围内第一次用正在运行中的实际反应堆进行核事故的模拟，能够经受住这样的实验是因为这种新堆型采用了固有安全的设计理念，即从设计上确保在出现任何情况时都可以让运行中的反应堆安全停下来，而不会造成堆芯熔化事故。 四、高温气冷堆的产业化新道路 核研院科研团队的坚持不懈自主开发终于看到了结果。清华大学核研院工程技术人员为主的团队，完成了全部43项子课题的研究，其中15项达到国际水平、27项达到了国内先进水平。10兆瓦模块式高温气冷堆于2000年建成，2003年满功率运行成功。当时最早做出10兆瓦堆时，清华大学并没有想过产业化问题。但能源形势等一系列的因素让这项诞生在高校院墙里的技术很快就有了产业化的机会。 2003年前后，经济高速发展对能源的需求猛增，缺电的现实直接导致了国家对核电的政策发生转变，国家发展核电的基调开始由“适度发展”调整为“积极发展”。政府能源规划拟定了到2020年实现核能发电4000万千瓦的总体目标。这就意味着今后的十几年每年都需要有2-3座百万千万级的核电站动工建设。但是，这样的大规模发展不得不让人们更加关注核安全的问题，毕竟在核科学领域曾拥有过最强实力的两个国家美国和前苏联都在核事故上跌过跟头。而现在无论国内已建成的核电站，还是将要从美国、法国引进的先进型“第三代压水堆”，都仍然是“概率安全性”的，也就意味着发生严重事故的概率只能通过设计、建造、运营等各个环节的把关而降到人们可以接受的低水平，但理论上仍不能达到零。历经十年艰苦科研攻关，如今高温气冷堆已经一步步走向了产业化的门口。 2003年8月中核能源公司成立，目标专门是为了实施高温气冷堆的产业化。中核建集团和清华各占50%股份，注册资本1亿元人民币。涉及核工程的三四十个单位。公司的定位是核岛EPC（Engineer Purchase Construct），专做模块化高温气冷堆和低温供热堆两件事。2004年3月中国华能集团、中国核工业建设集团、清华大学达成合作意向，共同推进高温气冷堆的产业化工作，并力争在2010年建成一座示范电站。三方联合成立“高温气冷堆核电示范工程筹备组”，正式开展高温气冷堆核电示范工程的工程化推进工作。 2009年，20万千瓦高温气冷堆示范电站即将在山东省荣成市石岛湾动工，示范电站以清华大学的1万千瓦实验堆为基础，按比例扩大规模建造，预计2013年11月投产发电。这意味着国际上最新一代的先进反应堆将有可能首先在中国实现产业化。 如今，美国西屋的AP1000和法国的EPR压水堆都已进入中国市场，虽然经过改进，但它们所代表的压水堆技术轨道已经遇到了高温气冷堆为代表的第四代堆型的强大挑战。中国下一步只要继续推进已经掌握自主知识产权的高温气冷堆技术，不仅能尽快实现核能技术的赶超，而且将为世界核能探索出一条新的道路。
