探訪全球首座第四代核電站：不會熔毀的核反應(yīng)堆

　　山東半島最東端，威海榮成，三面環(huán)海。南端的沙灘海岸之上，我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國家科技重大專項——華能石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程正平穩(wěn)地運行著。

　　這是全球首座第四代核電站，也被稱為“不會熔毀的核反應(yīng)堆”。三個月前，這個具有里程碑意義的示范工程正式投入商業(yè)運行，也標志著我國在第四代核電技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域達到世界領(lǐng)先水平。

　　第四代核電技術(shù)有什么特點?什么是高溫氣冷堆，為什么說它“天生安全”?我國科技工作者如何勇闖“無人區(qū)”，在無樣板可依、無經(jīng)驗可循的工程建設(shè)及調(diào)試運行中破冰前行?近日，記者采訪了華能山東石島灣核電有限公司有關(guān)負責(zé)同志，去探尋高溫氣冷堆的奧秘。

上圖：石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程核島第一罐混凝土澆筑。 下圖：耐高溫的球形燃料元件內(nèi)部構(gòu)造示意圖。

　　層層設(shè)“防”，確保核電站固有安全

　　據(jù)國際原子能機構(gòu)動力堆信息系統(tǒng)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至1月31日，全球核能發(fā)電量占總發(fā)電量的比重約為10%，占全球清潔能源發(fā)電量的三分之一左右。

　　說起核電站，“安全”無疑是大家最為關(guān)注的話題。這是核能發(fā)展的生命線，也是各國科學(xué)家們著力攻克的世界級難題。

　　上世紀50年代，美國著名科學(xué)家泰勒就提出，“要使公眾接受核能，反應(yīng)堆安全必須是‘固有的’。”也就是說，在嚴重事故條件下，不用人為和機器干預(yù)，核電站的核心——反應(yīng)堆堆芯不會熔毀，放射性物質(zhì)不會外泄。這是核能安全的最高目標。

　　如今，這一構(gòu)想在我國變成了現(xiàn)實，并成功投入商運，即石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程。

　　記者了解到，經(jīng)過70年不斷探索，核電技術(shù)發(fā)展到今天，大致可分為四代。目前在運主力堆型使用的多是第三代核電技術(shù)，而高溫氣冷堆則是以更高安全性能為主要特點的四代核電堆型之一。

圖為維修人員正在對示范工程某阻流器進行處理。

　　業(yè)內(nèi)人士介紹，目前全球在研的四代核電主要包括高溫氣冷堆、超臨界水堆、氣冷快堆、鉛冷快堆、鈉冷快堆、熔鹽堆6種堆型。其中，高溫氣冷堆也被認為是“不會熔毀的反應(yīng)堆”。

　　何為高溫氣冷堆?所謂“高溫”，指的是堆內(nèi)核燃料和其他材料均采用耐高溫材料，這些條件使得高溫氣冷堆的工作溫度和冷卻劑的堆芯出口溫度可以達到其它堆型難以企及的高度——900至1000攝氏度。所謂“氣冷”則是區(qū)別于“水冷”，通過氣體進行堆芯冷卻和熱傳導(dǎo)。

　　華能山東石島灣核電有限公司運行部運行二值值長李洪磊用“四不怕”來概括石島灣高溫氣冷堆核電站的突出特點，即不怕沒有電、不怕沒有水、不怕沒有氣、不怕沒有人，也就是說，即使在突發(fā)故障或遭遇自然災(zāi)害，一切操作系統(tǒng)都失靈的情況下，反應(yīng)堆仍然可以依靠自然規(guī)律自己趨向安全。

　　這體現(xiàn)的正是高溫氣冷堆的“固有安全性”。

　　“要實現(xiàn)核能安全，必須確保三大要素。”李洪磊進一步解釋說，一是核裂變反應(yīng)的有效控制，二是及時導(dǎo)出停堆以后堆芯的余熱，三是牢牢地把放射性物質(zhì)包容起來，“如果反應(yīng)堆不靠外部動力、冷卻劑等，就能確保核反應(yīng)不失控、反應(yīng)堆不熔毀、放射性不泄漏，那就是‘天生安全’的。反之，這三個要素中的任何一個要素未能滿足，極端情況下都可能會造成核事故、核污染。”

　　為確保高溫氣冷堆的“固有安全性”，我國科研人員可謂是層層設(shè)“防”。

　　第一道防線，耐高溫的球形燃料元件。拳頭般大小、直徑約6厘米的黑色圓球看起來并不起眼，卻“內(nèi)涵豐富”。它最外面一層是厚約5毫米的石墨，里面包裹著約1.2萬顆小米粒一樣的燃料顆粒，每顆“小米粒”直徑不足1毫米，最內(nèi)層的核燃料由四層耐高溫的“盔甲”層層包裹著。

　　“這種燃料球?qū)儆趶浬⑿秃巳剂希诜磻?yīng)堆任何事故下均能保證包覆燃料顆粒的完整性不受影響，可有效防止放射性物質(zhì)外泄。”李洪磊告訴記者。

　　第二道防線，燃料循環(huán)過程中具有負反應(yīng)性溫度系數(shù)。簡單來說，就是當溫度達到設(shè)定閾值時，反應(yīng)堆會進行負反應(yīng)性反饋，借助這一特性和較大的溫升裕度實現(xiàn)自然停堆，使核裂變反應(yīng)得到有效控制。

　　第三道防線，非能動的余熱排出系統(tǒng)。堆芯余熱能夠借助熱傳導(dǎo)、自然對流換熱和熱輻射等自然機制的非能動方式，將熱量釋放到大氣環(huán)境中，避免堆芯過熱發(fā)生熔毀。

　　除此之外，還使用了具有良好導(dǎo)熱和載熱性能、不會與石墨發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的冷卻劑——氦氣，采取了不停堆便可實現(xiàn)連續(xù)裝卸燃料的創(chuàng)新設(shè)計……

　　層層防線之下，我國在全世界首次于商業(yè)規(guī)模核電站上實現(xiàn)“固有安全”。

圖為示范工程首臺反應(yīng)堆壓力容器吊裝就位。

　　協(xié)同創(chuàng)新，勇闖核電技術(shù)“無人區(qū)”

　　實現(xiàn)“固有安全”極為不易，這是一場持續(xù)了數(shù)十年的長跑。

　　我國老一輩核能人王大中早在上世紀80年代就帶領(lǐng)團隊將研究目標指向反應(yīng)堆“固有安全”，2000年建成了10兆瓦高溫氣冷實驗堆。2006年，高溫氣冷堆核電站被列為國家科技重大專項。

　　從實驗堆到商用堆，不是簡單的線性放大，自主研發(fā)難度極大。中國華能履行業(yè)主責(zé)任，集中產(chǎn)業(yè)鏈上下游優(yōu)勢資源，聯(lián)合清華大學(xué)、中核集團等積極開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和核心設(shè)備研制。

　　從2012年示范工程澆筑第一罐混凝土，到2020年全面進入調(diào)試階段，再到如今商運投產(chǎn)，我國科研工作者和建設(shè)者勇闖“無人區(qū)”，逢山開路、遇水架橋，走出一條自主設(shè)計、自主建造、自主調(diào)試、自主運營的協(xié)同創(chuàng)新之路。

　　“關(guān)鍵核心技術(shù)完全屬于中國。”提及此，華能山東石島灣核電有限公司有關(guān)負責(zé)人十分自豪地告訴記者，產(chǎn)業(yè)鏈上下游500多家企業(yè)、單位、科研院所聯(lián)合攻關(guān)，突破了一個又一個工程技術(shù)難關(guān)。

　　他如數(shù)家珍般列出了這樣一組數(shù)據(jù)：國產(chǎn)化率高達93.4%;約5萬張圖紙、10萬頁文件，1.5萬余件技術(shù)含量高、安全設(shè)計要求也高的核島設(shè)備等，都具有完全自主知識產(chǎn)權(quán);全廠1.5萬余臺(套)設(shè)備中，超2200臺首臺(套)設(shè)備，其中660臺(套)則是全球首創(chuàng);高溫氣冷堆標準體系和知識產(chǎn)權(quán)保護體系也在這里一步步搭建。

　　蒸汽發(fā)生器在業(yè)內(nèi)被稱為“核電之肺”。作為高溫氣冷堆核電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其作用是將核反應(yīng)堆產(chǎn)生熱量“加熱”的水轉(zhuǎn)換成接近600攝氏度的水蒸氣，從而推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。

　　全新設(shè)計、全新材料、全新工藝……多方協(xié)同創(chuàng)新，十年磨一劍，將2461張設(shè)計圖紙鑄造成一個“大國重器”：高溫氣冷堆的蒸汽發(fā)生器采用螺旋管換熱結(jié)構(gòu)，換熱效率更高、結(jié)構(gòu)布置更緊湊，高精密換熱管對接焊工藝等18項重大工藝技術(shù)均為國內(nèi)首創(chuàng)，達到國際先進水平。

　　設(shè)計難，建造難，調(diào)試運行也難。2020年7月，歷經(jīng)8年建設(shè)后，石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程全面進入調(diào)試階段。

　　由于核電技術(shù)的特殊性，核電站的調(diào)試工作有著近乎苛刻的要求，業(yè)內(nèi)形象地把它比喻為機組安全的“探雷”“排雷”行動。尤其是這個全球首堆工程，調(diào)試人員要面對2000多個首臺(套)設(shè)備，毫無經(jīng)驗可循，難度可想而知。

　　據(jù)調(diào)試工程師介紹，調(diào)試工作中，反復(fù)試驗是常態(tài)。記者了解到，為了做好每項調(diào)試工作，調(diào)試人員會準備很長時間，做出好幾套預(yù)案，并進行反復(fù)演練。“可能試驗的時間就幾分鐘，試驗成功與否很快就有答案，但為了找到設(shè)備的最優(yōu)參數(shù)，我們必須這么不厭其煩地進行一遍又一遍的試驗、推演。”

　　大體積雙模塊化反應(yīng)堆回路強度密封及升溫技術(shù)，低功率密度特點反應(yīng)堆的固有安全性能驗證技術(shù)，反應(yīng)堆持續(xù)裝卸料多點聯(lián)動控制技術(shù)……對于高級操縱員李洪磊來說，高溫氣冷堆特有的調(diào)試運行六大關(guān)鍵核心技術(shù)早已耳熟能詳，但他仍在不斷接受著再培訓(xùn)。

　　2月27日上午，李洪磊來到石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程主控室，觀摩其他值進行氦凈化系統(tǒng)啟停工作。這是其專題學(xué)習(xí)中的其中一項內(nèi)容。

　　類似這樣的專題學(xué)習(xí)，對于核電站操縱員來說，每40多天就要進行一次。“高溫氣冷堆的操縱運行無現(xiàn)成經(jīng)驗可循，再培訓(xùn)是我們實現(xiàn)技能保持、學(xué)習(xí)先進運行方式的重要渠道。”李洪磊告訴記者，專業(yè)的技術(shù)能力、嚴格的程序執(zhí)行，也是反應(yīng)堆安全運行的強力支撐，“人人都是一道安全屏障，人人都是最后一道安全屏障。”

圖為石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程外景。 華能山東石島灣核電有限公司 供圖

　　一舉多得，高溫氣冷堆不止于高效發(fā)電

　　石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程裝機容量20萬千瓦，據(jù)估算，每年發(fā)電量約14億度，可為200萬戶居民提供生活用電，預(yù)計每年可減少二氧化碳排放量90萬噸。

　　發(fā)電效率高是石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程的一個顯著特點。據(jù)介紹，與第三代壓水堆相比，高溫氣冷堆的發(fā)電效率約高出10%，并且排放到環(huán)境中的熱量相對較少。

　　不過，高溫氣冷堆的功能不止于高效發(fā)電，還能用于熱電聯(lián)產(chǎn)、稠油熱采、高溫制氫、化工冶金等領(lǐng)域，形成無污染、無排放的能源鏈。

　　這些應(yīng)用均源于其高溫特性。“主要是高溫氣冷堆產(chǎn)生的高溫工作介質(zhì)，比如高溫氦氣、高溫蒸汽等，這些可以作為高溫工藝熱源。”華能山東石島灣核電有限公司運行部運行二值隔離經(jīng)理李培良告訴記者，示范工程氦氣出口平均溫度可達750攝氏度，產(chǎn)生566攝氏度的過熱蒸汽，通過技術(shù)改進可以提供高達1000攝氏度的高溫工藝熱和高參數(shù)工業(yè)蒸汽。

　　目前，石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程產(chǎn)生的高溫蒸汽已實現(xiàn)向核電站施工區(qū)和生活區(qū)供熱，向示范工程所在寧津街道市政換熱站供熱工作正在調(diào)試準備中。

　　“高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的主蒸汽，送至常規(guī)島廠房內(nèi)的汽輪機高壓缸，蒸汽做功后抽汽至常規(guī)島廠房內(nèi)的管殼式換熱機組，換熱機組將蒸汽熱量傳遞至水側(cè)產(chǎn)生高溫水，高溫水分別供至核電廠自用換熱站和寧津街道的市政換熱站，換熱站的相對低溫水再供熱至用戶。”李培良進一步解釋了高溫蒸汽供熱原理，他告訴記者，幾天前，他們剛發(fā)出許可，對換熱機組蒸汽側(cè)壓力監(jiān)測表進行了調(diào)試更換，“大到一個機組，小到一個儀表盤、一個螺絲釘，都要確保沒有問題。”

　　據(jù)華能山東石島灣核電有限公司工程管理部副主任李杰介紹，依托示范工程對寧津街道有關(guān)區(qū)域供熱項目啟動后，與燃煤鍋爐集中供熱相比，預(yù)計每年可節(jié)約標煤約8900噸，可減排二氧化碳約2.2萬噸。

　　綜合利用，一舉多得。依托示范工程，石島灣公司目前已啟動開展高溫制氫相關(guān)課題研究。

　　下一步，中國華能將依托示范工程的建造與運行，繼續(xù)深入挖掘經(jīng)驗成果，形成一整套技術(shù)標準與產(chǎn)業(yè)鏈，持續(xù)改進球床式高溫氣冷堆，將高溫氣冷堆做大做強，持續(xù)探索拓寬核能的多用途綜合利用，為助力國家加快實現(xiàn)“雙碳”目標做出積極貢獻。

　　來源：中國紀檢監(jiān)察報