气冷堆到底有多安全？

　　出品：科普中国

　　制作：寒木钓萌

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　要了解高温气冷堆到底有多安全，咱们先来看看其运行机制。

　　上图黑色的小圆柱体为压水堆的核燃料芯块，它们一节一节地被装入燃料棒中。而高温气冷堆的核燃料却是这样的：

图为高温气冷堆的球形燃料元件，每一个都如网球般大小。

　　中国山东荣成的石岛湾高温气冷堆预计2018年并网发电，图为工作人员正在检查球形燃料元件，图片来自CNI23。

　　球形燃料元件看上去傻大黑粗的样子，但其实它很精密，因为它不止是一个球，它里面还包含着1.2万个“小球”。

直径60毫米的球形燃料元件包含1.2万个“小球”。

　　而内部密密麻麻的每一个“小球”也具有精密的结构，如下：

“小球”直径1毫米，内部的二氧化铀核芯直径0.5毫米。

　　以上，就是高温气冷堆使用的燃料元件，它们放入反应堆时大概是这个样子。

　　接下来，咱们再看看它是怎么运作的。

　　如上图，上万个球形燃料元件在反应堆容器里面进行反应，热量由透明的氦气带走，通过热交换，高达750摄氏度的高温氦气将自身热量传递给二回路中的水。此图为了简明，少画了一个鼓风机，显然，只有鼓风机高速运转，才能让氦气高速通过堆芯并带走热量。

　　高温气冷堆的顶部是加料口，底部有卸料口，这意味着，即使核电站还在运行，换料时也无须停堆。

　　实际上，高温气冷堆中，其燃料元件并不是用一次就完事，而是一两年内多次循环使用，10次左右，直到经过检测，燃料不能再用为止。

图片来自Graham Templeton。

　　固有安全性

　　就像一架战斗机，它必须满足隐身、超音速巡航等重要条件后才能称之为第五代战斗机一样。第四代反应堆也具有很多特征，而其中的一个重要特征是安全性进一步提高。

　　从这一点上来说，高温气冷堆是满足的，因为它的安全不是依靠人的掌控，而是依赖于一种物理现象。

　　1987年，10兆瓦高温气冷实验堆的建设被列入国家“863”计划。1995年，由清华大学核能与新能源技术研究院建造，2003年1月实现满功率运行。

　　2004年的时候，中国10兆瓦高温气冷堆向60多位国际原子能专家进行了核安全展示。

　　这次展示是这样的：在反应堆正常运行时突然切断电源，也就是说，鼓吹氦气的鼓风机停转，冷却系统被关闭，同时，也没有人为地插入控制棒，结果，反应堆自己停了下来，事后也没有发生堆芯熔毁、燃料元件烧毁等事故。

　　山东石岛湾20万千瓦高温气冷堆，其技术是依据之前的10兆瓦高温气冷实验堆进一步提升发展而来，所以它也将具有这种固有安全性。

　　现在，让我们来看看，高温气冷堆的这种高安全性是怎么来的。

　　反应堆中，参与裂变的是铀235，而铀238虽然会吸收中子，但它不会参与裂变。神奇的是，如果反应堆温度升高，则铀235吸收中子的能力就会减弱，但铀238吸收中子的能力却会增强，这是一种物理现象，叫做“多普勒展宽”。

　　根据多普勒展宽，高温气冷堆中如果失去冷却，那么显然，堆内温度将升高，可高到一定程度时，因为铀235吸收中子能力减弱，同时铀238又吸引了过多中子，结果就是，没有足够的中子，裂变就玩不下去了。而堆内的球形燃料元件即使经受1650℃的高温时也不会破损。

　　到这里，有人会质疑：又不是只有高温气冷堆中有铀235和铀238，其他种类的反应堆中也是大把大把的呀。如果气冷堆具有这种固有安全性，那么其他堆也将具有！

　　确实如此，在一般的传统反应堆中，同样也具有“多普勒展宽”效应，但由于传统反应堆的核燃料密度较高，所以这种现象不占主导作用。

　　而高温气冷堆由于燃料密度较低，故“多普勒展宽”效应才能发挥决定性的作用。

　　这也是为什么，高温气冷堆的功率通常较小的原因之一，比如石岛湾这个是20万千瓦，而下一个正在规划的也才60万千瓦。目前，高温气冷堆的缺点是经济性还有待考验，不过，未来如果采取模块化设计和建造，则经济性将会进一步增强。

　　几大优点

　　与其他堆型相比具有这么几个优点。

　　反应堆的出口温度高达750～950℃，技术进一步提升同时安全性能得到保证时，出口温度甚至可提升到1000～1200℃。如此高的出口温度，这让高温气冷堆除了发电以外，它还可以直接应用于于炼钢、制氢、煤的液化或气化等工业生产中。

　　中国工程院院士郑健超表示：高温气冷堆是安全性很高的反应堆，而它最具吸引力的应用前景是规模制氢。

　　同时，由于出口温度高，它的发电效率可达40%以上，是目前效率最高的核反应堆。

　　图为山东石岛湾核电厂，反应堆压力容器吊装过程。图片来自新华社记者郭绪雷。

　　根据华能集团网站上的信息显示，英国石油公司、美国杜克能源、新加坡淡马锡等公司曾探讨使用中国高温气冷堆的事宜。而美国橡树岭国立实验室发表的报告则认为，中国高温气冷堆一旦成功，将有可能占据发展中国家相当一部分市场份额。

　　“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

　　本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。