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國家最高科技獎出爐,你還不知道高溫氣冷堆是咋回事?
發布日期 : 2021-11-11 14:43:05 點擊數:
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近日

2020年度國家科學(xue)技術獎勵大會召(zhao)開

亞博(bo)投(tou)注大學王大中院(yuan)士

榮獲國家最(zui)高科學技術獎(jiang)

回顧他(ta)的科研耕耘之路

無論是帶領團隊建成

世界首座10兆瓦高溫氣冷實驗堆

還是在其指導下(xia)

由學生、核研(yan)院(yuan)院(yuan)長張作義接棒

與企業合作建設世界首座(zuo)

模塊式球(qiu)床高溫氣冷(leng)堆(dui)核電站示范工(gong)程——

華能山東石島灣高(gao)溫氣冷(leng)堆(dui)核電站

“固有安(an)全”和“高溫氣冷”

都是繞不開的話題

在不久的將來

這座核(he)電(dian)站將逐步實現(xian)商業運(yun)行

意味著(zhu)中(zhong)國將第一(yi)次

在一種工業規模(mo)的(de)先(xian)進反(fan)應堆技術上

領先世界

面對這些前沿的科技成果(guo)

你也(ye)許和很多(duo)人(ren)一(yi)樣充(chong)滿(man)困(kun)惑:

什(shen)么是高(gao)溫氣冷堆?

它與其(qi)他(ta)核反應堆有(you)什么不(bu)同?

為(wei)什么說它(ta)具有“固有安全(quan)性”?

“固(gu)有安全性(xing)”又(you)是什(shen)么?

……


也(ye)許你(ni)是個對核能領(ling)域

一臉茫然(ran)的“新手小白”

別擔心!讀完(wan)本(ben)文

你也能進階為掌握一定知識的

“入門級(ji)選(xuan)手”!

我們是如何(he)利用(yong)核(he)能發(fa)電的?

自從(cong)1938年(nian)科(ke)學家發現了核裂變,人類就進入了開發利用核能的時(shi)代(dai)。

經過世界各國多年的(de)(de)(de)探索、比(bi)選(xuan),目前世界上大部(bu)分核電(dian)站均采用壓(ya)水(shui)堆堆型,屬于熱(re)中子反應堆的(de)(de)(de)一(yi)種。現(xian)代化的(de)(de)(de)壓(ya)水(shui)堆核電(dian)站是人類工業技術的(de)(de)(de)一(yi)個高峰,在全球能源供給中發揮了重要作用,我國的(de)(de)(de)秦山核電(dian)站和(he)大亞(ya)灣核電(dian)站均屬此類。

以壓水(shui)堆核(he)電站為例,核(he)能發電的主要過程分為3步(bu):

首先,核燃料在反應堆堆芯發生核裂變鏈式反應產生大量的熱,將核能轉換成了熱能;

通過冷卻劑(比如水)循環,把熱量從堆芯帶到蒸汽發生器中,使蒸汽發生器另一側的水受熱蒸發形成水蒸汽,水蒸汽進入汽輪機內膨脹帶動汽輪機轉子轉動,就將熱能轉換成了機械能;

最后,汽輪機轉子帶動發電機的轉子旋轉,使發電機發電,將機械能轉換為電能,從而實現核能發電。

這個過程(cheng)中,通(tong)過堆芯的(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻水和(he)推動汽(qi)輪機(ji)做(zuo)功的(de)(de)(de)(de)水蒸汽(qi)分處(chu)一回(hui)路與二回(hui)路,放射性物質不會(hui)通(tong)過水傳遞出來。而且,核(he)(he)電站只需消耗(hao)很(hen)少(shao)的(de)(de)(de)(de)核(he)(he)燃料(liao)就(jiu)可以產生巨(ju)大(da)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量,核(he)(he)能(neng)發(fa)電的(de)(de)(de)(de)過程(cheng)中幾乎零碳排(pai)放,不會(hui)加劇“溫室效應(ying)”,因而核(he)(he)能(neng)屬(shu)于非(fei)常清潔、優質的(de)(de)(de)(de)能(neng)源。

世界級難(nan)題: 核能應用的安全性

你也許(xu)聽說過核能開發歷程中發生的幾次影響巨大的核事(shi)故:

1979年美國三哩島核電站(zhan)事故

1986年蘇聯切爾諾貝利核電站事故

2011年日本福島核電站事故……

這些(xie)災(zai)難(nan)性(xing)的(de)(de)(de)核(he)(he)事(shi)故,加上公(gong)眾(zhong)對(dui)核(he)(he)能利用的(de)(de)(de)另一種形式——原子(zi)彈核(he)(he)爆的(de)(de)(de)錯位聯想,讓安全性(xing)擔憂成為(wei)人們心中的(de)(de)(de)夢魘(yan),也給(gei)世界核(he)(he)能事(shi)業的(de)(de)(de)發展蒙上了一層(ceng)陰(yin)云。越來越多(duo)的(de)(de)(de)科學(xue)家意識到(dao),安全性(xing)是(shi)核(he)(he)能發展的(de)(de)(de)生命線,是(shi)核(he)(he)能技術發展必須面對(dui)的(de)(de)(de)主要矛(mao)盾。

1956年,愛德華(hua)·泰勒曾提出: 要使公眾接受核(he)能(neng),反應堆安全必須是(shi)“固有的”(inherent safety)。也就是(shi)說,出現(xian)任何(he)事故,核(he)反應堆不依靠外部操作,而僅靠自然物理規律都(dou)能(neng)夠趨向安全狀(zhuang)態。

更具(ju)體地(di)說,要實現核能安全,必須確保三大(da)要素(su):

要素一: 核裂變反應的有效控制

要素二: 及時導出停堆以后堆芯的余熱

要素三: 牢牢地把放射性物質包容起來

而“固有安全”,就是“反應堆(dui)不靠外部動力、信號、冷卻劑,就能確保這三大要素的實現,不失控、不熔(rong)毀、放射性(xing)不泄漏(lou)”。

也就是說,即使反應堆(dui)突(tu)發故障或遭遇自(zi)然(ran)災害,一切人為操作系統都失(shi)靈,反應堆(dui)仍然(ran)可以依靠自(zi)然(ran)規(gui)律自(zi)己趨向(xiang)安(an)全的狀態。

反過來,這(zhe)三(san)個(ge)要素中的(de)任何一(yi)個(ge)未能滿足,都會造成核事件(jian)或事故,不同程(cheng)度污染環(huan)境。上文中的(de)三(san)次災難就各自源(yuan)于(yu)這(zhe)三(san)方面的(de)原因。

而具有“固有安全性(xing)”的(de)(de)高溫氣冷(leng)堆的(de)(de)出(chu)現(xian),像一簇(cu)暗(an)夜(ye)中的(de)(de)火(huo)光,不可(ke)避免地吸引(yin)了(le)各(ge)國科學家的(de)(de)目光。

什么是(shi)高(gao)溫氣冷堆?

高溫氣(qi)冷堆(dui),顧名(ming)思義,必(bi)然包(bao)含“高溫”、“氣(qi)冷”等與(yu)其他核(he)反(fan)應堆(dui)不同的特(te)點。

氦氣作為冷卻劑

與(yu)壓水堆(dui)發(fa)電的(de)原(yuan)理一(yi)樣(yang),高(gao)溫氣(qi)冷(leng)堆(dui)也(ye)是(shi)通(tong)(tong)過核能-熱能-機械能-電能的(de)轉化實(shi)現發(fa)電。不(bu)同的(de)是(shi),高(gao)溫氣(qi)冷(leng)堆(dui)不(bu)是(shi)通(tong)(tong)過“水冷(leng)”而(er)是(shi)通(tong)(tong)過“氣(qi)冷(leng)”的(de)方式進行堆(dui)芯冷(leng)卻和(he)熱傳(chuan)導,即冷(leng)卻劑(ji)是(shi)氣(qi)體。中國高(gao)溫氣(qi)冷(leng)堆(dui)的(de)冷(leng)卻劑(ji)是(shi)氦(hai)氣(qi)。作為一(yi)種理想的(de)惰性氣(qi)體,氦(hai)氣(qi)化學(xue)性質(zhi)穩定(ding),高(gao)溫下不(bu)容易與(yu)反(fan)應堆(dui)的(de)其他(ta)物質(zhi)發(fa)生反(fan)應,并且有(you)著較好(hao)的(de)熱力學(xue)性能。

石墨作為慢化劑

為使熱中子(zi)反(fan)(fan)應(ying)堆(dui)(dui)里的(de)核裂變反(fan)(fan)應(ying)得以(yi)持(chi)續進(jin)行,核反(fan)(fan)應(ying)過程還需(xu)要一種材料,叫慢化劑(ji)(ji),又稱中子(zi)減(jian)速劑(ji)(ji),用(yong)以(yi)減(jian)慢中子(zi)的(de)運動速度(du)。不(bu)同于輕水堆(dui)(dui)、重水堆(dui)(dui)核電站以(yi)水(H2O)和重水(D2O)作為慢化劑(ji)(ji),高溫氣(qi)冷堆(dui)(dui)采(cai)用(yong)石墨作為慢化劑(ji)(ji),具有良(liang)好(hao)的(de)耐高溫特性。

高溫

以氦(hai)氣為(wei)冷卻(que)劑(ji)(ji)、以石墨(mo)為(wei)慢化劑(ji)(ji),加(jia)上堆(dui)內核燃(ran)料(liao)(liao)和(he)其它材料(liao)(liao)均(jun)采用耐高溫材料(liao)(liao),這些(xie)條件使得高溫氣冷堆(dui)的(de)(de)工作(zuo)溫度(du)和(he)冷卻(que)劑(ji)(ji)的(de)(de)堆(dui)芯(xin)出口溫度(du)可以達到其它堆(dui)型難(nan)以企及的(de)(de)高度(du)——900~1000攝氏度(du)。

這么(me)高(gao)的溫度(du)有(you)什(shen)么(me)用?讓我們接著(zhu)往下看(kan)。

為什么高溫氣(qi)冷(leng)堆(dui)具有(you)固有(you)安(an)全特性?

如果說,今(jin)天(tian)的(de)石島(dao)灣(wan)高(gao)溫氣冷堆(dui)核(he)電站(zhan)是世(shi)界首座在工業規模(mo)上(shang)實現固(gu)有安全(quan)的(de)模(mo)塊式高(gao)溫氣冷堆(dui)核(he)電站(zhan),那么,作(zuo)為這座核(he)電站(zhan)的(de)“原型”,世(shi)紀之初在亞(ya)博(bo)投(tou)注大學“200號(hao)”建成的(de)10兆瓦高(gao)溫氣冷實驗(yan)(yan)堆(dui),就已經(jing)在實驗(yan)(yan)堆(dui)的(de)規模(mo)上(shang)實現了固(gu)有安全(quan)這一特性(xing)。

2004年Wired雜(za)志(zhi)稱其為“不(bu)會熔毀的反應堆”,是(shi)一種固有安(an)全的核能系(xi)統,達(da)到了當今世界核能安(an)全的最高水平。

中國高溫氣冷(leng)堆具有三大核心創新技術:

一是模塊式反應堆設計

為了踐行追尋(xun)固有安全的初心,高溫氣冷堆(dui)采用(yong)模(mo)塊(kuai)式(shi)設計。其核心思想(xiang)是(shi)把一(yi)個(ge)百萬千瓦的大反應(ying)堆(dui)拆分成10個(ge)小的模(mo)塊(kuai),每一(yi)個(ge)模(mo)塊(kuai)都是(shi)一(yi)座可(ke)以獨立運行的小反應(ying)堆(dui)。

當(dang)然反過來,這10個模(mo)塊也可(ke)以(yi)把各(ge)自產生(sheng)的蒸汽合并送(song)入一臺汽輪(lun)機,形(xing)成大的核(he)電機組。

為什么(me)要這么(me)設計(ji)呢?與燃煤電廠不同,核反(fan)應堆停止運(yun)行后(hou),堆芯(xin)(xin)里的裂變產(chan)(chan)物還會繼續發生(sheng)衰變,產(chan)(chan)生(sheng)可(ke)觀的余熱(re)。所以,即使停堆了,如果(guo)不能(neng)及(ji)時冷卻堆芯(xin)(xin)、載出余熱(re),堆芯(xin)(xin)內熱(re)量越(yue)積(ji)越(yue)多(duo)、溫度越(yue)升越(yue)高(gao),包(bao)裹核燃料(liao)的外殼就有可(ke)能(neng)因為過熱(re)而造成熔化,破壞放射性(xing)包(bao)容(rong)能(neng)力,釀(niang)成嚴重的事故后(hou)果(guo)。

日本福島第一(yi)核電站發生的事故就(jiu)是這類情形。

因此,高溫(wen)氣冷(leng)堆(dui)(dui)(dui)(dui)采用(yong)小型(xing)模塊式(shi)設計(ji),每(mei)一個小模塊都(dou)可以采用(yong)很低(di)的功(gong)率密(mi)度(約為大(da)型(xing)壓水堆(dui)(dui)(dui)(dui)核電站(zhan)的1/30),使(shi)(shi)(shi)停(ting)堆(dui)(dui)(dui)(dui)后產(chan)生的余熱(re)(re)處于(yu)較低(di)水平(ping)。發(fa)生任何意外時,即使(shi)(shi)(shi)不進行人為的能(neng)動(dong)冷(leng)卻,停(ting)堆(dui)(dui)(dui)(dui)后堆(dui)(dui)(dui)(dui)芯(xin)(xin)的余熱(re)(re)也可以通過熱(re)(re)傳導、熱(re)(re)輻射等(deng)基(ji)本的自然現象安全地散發(fa)出(chu)去,實現了余熱(re)(re)非(fei)能(neng)動(dong)載出(chu),避免堆(dui)(dui)(dui)(dui)芯(xin)(xin)熔化。此外,反應(ying)堆(dui)(dui)(dui)(dui)內有大(da)量的石墨結構材(cai)料可以吸(xi)收(shou)余熱(re)(re),使(shi)(shi)(shi)得堆(dui)(dui)(dui)(dui)芯(xin)(xin)具有很大(da)的熱(re)(re)容量,停(ting)堆(dui)(dui)(dui)(dui)后溫(wen)度上升(sheng)緩慢。這就好比一小壺水的熱(re)(re)容量很小,很容易(yi)就能(neng)燒(shao)開(kai);而(er)一大(da)鍋水的熱(re)(re)容量較大(da),需要更多(duo)的熱(re)(re)量才能(neng)燒(shao)開(kai)。

簡單地(di)說,反應堆(dui)停堆(dui)后,一(yi)方面,隨著(zhu)時間的推移,衰變產生的余(yu)熱越(yue)來越(yue)少;另一(yi)方面,隨著(zhu)堆(dui)芯(xin)溫度的升高,堆(dui)芯(xin)通過(guo)熱輻射、熱傳導向外(wai)散熱的能力會逐漸提高。

兩方面(mian)共同發揮作用,使得堆芯溫度升(sheng)高(gao)一段時間以后就開始慢(man)慢(man)自動下降。這個過程中(zhong),反(fan)應堆的(de)(de)材料(liao)和(he)燃料(liao)都在(zai)所能承受的(de)(de)溫度范圍之(zhi)內,可以確保反(fan)應堆的(de)(de)安全,不需(xu)要(yao)人(ren)為干預(yu)。

這樣一(yi)來,通過(guo)自然(ran)規律高溫氣(qi)冷(leng)堆就實現(xian)了上文(wen)提到的(de)核安全三(san)要素(su)之(zhi)一(yi): 及(ji)時導出停堆以后堆芯的(de)余熱,從(cong)一(yi)個方面(mian)支撐了固(gu)有(you)安全。

同(tong)(tong)時,多模塊組合的設(she)計,意味(wei)著(zhu)這類(lei)核(he)電站(zhan)的規模可根據不(bu)同(tong)(tong)國家、不(bu)同(tong)(tong)區域(yu)的電力需求靈活(huo)配置。20萬(wan)、60萬(wan)、100萬(wan)等系(xi)列裝機容(rong)量,只需要考慮用(yong)2個(ge)(ge)、6個(ge)(ge)還是10個(ge)(ge)模塊疊(die)加就可以實(shi)現,這使得高溫氣冷堆核(he)電站(zhan)具有(you)更廣闊的適(shi)應性和靈活(huo)性。

二是自主研制的“耐高溫全陶瓷包覆顆粒球形核燃料元件”

球床型高(gao)溫(wen)氣冷(leng)堆(dui)(dui)采(cai)用的核燃料(liao)(liao)(liao)元(yuan)件是(shi)耐高(gao)溫(wen)全陶(tao)瓷包(bao)覆顆(ke)粒球形核燃料(liao)(liao)(liao)元(yuan)件,也可以叫做燃料(liao)(liao)(liao)球。在(zai)石島(dao)灣高(gao)溫(wen)氣冷(leng)堆(dui)(dui)示范電站,燃料(liao)(liao)(liao)球直徑(jing)6厘米(mi),最外層是(shi)石墨(mo)層,里面(mian)是(shi)彌散(san)在(zai)基(ji)體石墨(mo)粉中的大約(yue)12000個四(si)層全陶(tao)瓷材料(liao)(liao)(liao)包(bao)覆的、直徑(jing)0.9毫米(mi)的核燃料(liao)(liao)(liao)顆(ke)粒。

高溫氣冷堆示范電站球(qiu)形燃(ran)料元件示意(yi)圖

你可以(yi)把(ba)(ba)它想象成,每一(yi)(yi)個(ge)燃(ran)料(liao)球(qiu)和其中的(de)(de)燃(ran)料(liao)顆粒就(jiu)像是一(yi)(yi)個(ge)球(qiu)形糖果盒里裝著12000顆層(ceng)(ceng)層(ceng)(ceng)夾心的(de)(de)巧克力球(qiu),巧克力的(de)(de)最中心就(jiu)是核燃(ran)料(liao)——鈾-235。左為(wei)普(pu)通(tong)高(gao)(gao)爾夫球(qiu),右為(wei)球(qiu)形燃(ran)料(liao)元件層(ceng)(ceng)層(ceng)(ceng)包覆的(de)(de)牢固結(jie)構、耐高(gao)(gao)溫高(gao)(gao)壓(ya)的(de)(de)強悍屬性(xing)、嚴苛的(de)(de)質(zhi)量標準(zhun)檢驗,使得每個(ge)燃(ran)料(liao)球(qiu)都能(neng)把(ba)(ba)放(fang)射(she)性(xing)物(wu)(wu)質(zhi)牢牢包裹(guo)起(qi)來(lai),有效防止正常(chang)運行或意(yi)外(wai)發生時放(fang)射(she)性(xing)物(wu)(wu)質(zhi)泄漏,從而實現了(le)上文提(ti)到的(de)(de)另一(yi)(yi)個(ge)核安全要素: 把(ba)(ba)放(fang)射(she)性(xing)物(wu)(wu)質(zhi)牢牢包容起(qi)來(lai),進(jin)一(yi)(yi)步支撐了(le)固有安全。

三是反應堆不停堆在線換料

通常堆(dui)(dui)型的燃料元件多為燃料棒,燃料棒插(cha)在堆(dui)(dui)內固定位置(zhi),運行一(yi)段時間(jian)后(hou)(一(yi)般為12-18個月)要(yao)把反(fan)應(ying)堆(dui)(dui)停下來,換掉部(bu)分(fen)“燒透(tou)”的燃料棒,再補充新的燃料棒。可以想見,新裝入的燃料棒能(neng)量是(shi)有富(fu)余(yu)或者是(shi)過(guo)量的,存在核(he)(he)反(fan)應(ying)的過(guo)剩反(fan)應(ying)性,這(zhe)就(jiu)給固有安(an)全三要(yao)素之一(yi): 有效(xiao)控制核(he)(he)裂(lie)變(bian)反(fan)應(ying)帶來了壓力。切爾(er)諾貝利核(he)(he)事故就(jiu)是(shi)早期設計(ji)有缺陷(xian)、在這(zhe)方(fang)面出(chu)了紕漏,而又疊加人為操作錯(cuo)誤造成的慘痛教訓(xun)。

而球床(chuang)高溫(wen)氣(qi)冷(leng)堆(dui)的(de)好(hao)處是,在反應(ying)堆(dui)運行(xing)過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong),新燃料(liao)球從反應(ying)堆(dui)頂部填裝到(dao)反應(ying)堆(dui)中(zhong),球靠重力自然落入堆(dui)芯并往下流動(dong),反應(ying)過(guo)(guo)的(de)燃料(liao)球再從反應(ying)堆(dui)底部卸(xie)出,整(zheng)個(ge)裝卸(xie)料(liao)過(guo)(guo)程(cheng)不需要(yao)停堆(dui),實現反應(ying)堆(dui)不停堆(dui)在線換料(liao)。這種方式不但(dan)大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)提高了運行(xing)效率,而且不用階段性(xing)裝入過(guo)(guo)多核燃料(liao),大(da)(da)(da)幅減少(shao)了堆(dui)內的(de)過(guo)(guo)剩反應(ying)性(xing),因而大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)降低了有效控制核裂(lie)變反應(ying)的(de)難度。

通俗(su)地說,就像(xiang)我(wo)們(men)平時(shi)燒(shao)(shao)柴(chai)(chai),一(yi)上來就往(wang)灶里放(fang)很多新柴(chai)(chai),火(huo)勢必燒(shao)(shao)得更旺(wang),但火(huo)勢不(bu)好控制;而(er)不(bu)停堆在線換料意味著我(wo)們(men)可(ke)以在初期(qi)少放(fang)點(dian)柴(chai)(chai),等它燒(shao)(shao)起來再一(yi)邊添柴(chai)(chai)一(yi)邊把燒(shao)(shao)完的炭取出,火(huo)勢夠(gou)用而(er)又平穩安全。

高溫氣冷堆示范電站(zhan)一個模塊示意圖(tu)

那(nei)么(me),如上文所述就能完全確保核裂(lie)變反應(ying)的有(you)效(xiao)控制嗎?

這還不夠(gou)。

要(yao)(yao)保(bao)證任何情況下(xia)都能(neng)(neng)(neng)有效控(kong)制(zhi)核裂變(bian)反(fan)(fan)應,還需要(yao)(yao)反(fan)(fan)應性的(de)“負(fu)溫度系(xi)數”設(she)計。通過周(zhou)密的(de)材(cai)料匹(pi)配與堆(dui)(dui)芯物理(li)設(she)計,模(mo)塊式球床高(gao)溫氣冷堆(dui)(dui)具有很大的(de)反(fan)(fan)應性“負(fu)溫度系(xi)數”,堆(dui)(dui)芯溫度升高(gao)會引起(qi)反(fan)(fan)應性自(zi)動(dong)下(xia)降。也(ye)就(jiu)是(shi)說,一旦溫度升高(gao),核反(fan)(fan)應過程(cheng)就(jiu)能(neng)(neng)(neng)自(zi)己(ji)減(jian)速、甚至(zhi) “剎車”停下(xia)來。換句話說,即使因(yin)為人(ren)為或自(zi)然災害導致控(kong)制(zhi)失誤或喪(sang)失,沒能(neng)(neng)(neng)人(ren)為能(neng)(neng)(neng)動(dong)停堆(dui)(dui),只要(yao)(yao)反(fan)(fan)應堆(dui)(dui)溫度升高(gao),它自(zi)己(ji)就(jiu)會減(jian)少核反(fan)(fan)應直至(zhi)自(zi)動(dong)停堆(dui)(dui)。

一(yi)般反(fan)應(ying)堆(dui)(dui)里,核(he)裂(lie)變反(fan)應(ying)的(de)(de)控(kong)(kong)制都是通(tong)過控(kong)(kong)制棒來實(shi)現(xian)的(de)(de),緊急停堆(dui)(dui)或發生事故時控(kong)(kong)制棒會快速(su)落(luo)下(xia),促使(shi)反(fan)應(ying)堆(dui)(dui)快速(su)停止核(he)裂(lie)變反(fan)應(ying),否則(ze)就有(you)事故風(feng)險。而(er)模(mo)塊式球床高溫(wen)氣冷堆(dui)(dui)即(ji)使(shi)控(kong)(kong)制棒卡住無法落(luo)下(xia)也沒關(guan)系,依靠(kao)自然規律實(shi)現(xian)了核(he)裂(lie)變反(fan)應(ying)的(de)(de)有(you)效控(kong)(kong)制,從第三個方(fang)面支撐了固有(you)安全。

現在(zai)還有一個(ge)問題(ti),反應(ying)堆溫度升高后是(shi)會自動(dong)停堆,可是(shi)最終停堆前,堆內的材料能熬過這個(ge)溫度升高的過程嗎?

答案是: 沒問題。由于(yu)反應堆(dui)(dui)內使用了(le)大量石墨(mo)結(jie)構材(cai)料,燃料元件也是耐高(gao)溫的(de)全(quan)陶瓷材(cai)料,和其他反應堆(dui)(dui)相比(bi),高(gao)溫氣冷堆(dui)(dui)足夠耐高(gao)溫,完全(quan)不在怕(pa)的(de)!

不把安(an)全(quan)寄(ji)托在人為(wei)的(de)操作或各種安(an)全(quan)保護裝置上,而是依靠(kao)自然規律(lv)讓(rang)反應堆自己就(jiu)能逐漸趨于安(an)全(quan)狀態(tai),泰勒(le)的(de)固(gu)有安(an)全(quan)的(de)設想(xiang),半(ban)個世紀后在中國(guo)變(bian)成了現實(shi)。

高溫氣冷堆如何造福社(she)會?

說回高溫。

高溫(wen)氣冷堆能夠達到(dao)其它堆型達不(bu)到(dao)的冷卻劑出口溫(wen)度,讓它不(bu)只能高效發電(dian),還能利用(yong)高溫(wen)特性發展(zhan)核能的非電(dian)應用(yong),實現(xian)綜合利用(yong)、一(yi)舉多得。

目前(qian),世界能源(yuan)有約40%以電的(de)形(xing)式(shi)得到(dao)利用,其(qi)余(yu)都是非電應用,包括以各種形(xing)式(shi)利用的(de)工業熱、民(min)用熱和交通(tong)能源(yuan)等。各個行業對(dui)高溫工藝熱有很大需求。

石(shi)島灣高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)氣(qi)冷堆示范(fan)電(dian)(dian)站的(de)氦氣(qi)出口溫(wen)(wen)度(du)能(neng)達到750℃,產(chan)生566℃的(de)過熱(re)蒸(zheng)汽,在(zai)高(gao)(gao)(gao)(gao)效發電(dian)(dian)之外,高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)蒸(zheng)汽還能(neng)用(yong)(yong)于熱(re)電(dian)(dian)聯產(chan)、稠油熱(re)采、化工、冶金(jin)等。10兆瓦高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)氣(qi)冷實(shi)驗(yan)堆超高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)運(yun)行實(shi)驗(yan)證明(ming),高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)氣(qi)冷堆有望進一步提高(gao)(gao)(gao)(gao)運(yun)行溫(wen)(wen)度(du), 目前(qian)技術水(shui)平的(de)高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)氣(qi)冷堆具(ju)備運(yun)行在(zai)950℃的(de)能(neng)力,可(ke)用(yong)(yong)于核能(neng)大規(gui)模綠色制氫,有望對(dui)解決(jue)石(shi)化、冶金(jin)、交通等行業的(de)二氧化碳排放(fang)問(wen)題(ti)發揮(hui)關鍵支撐作(zuo)用(yong)(yong)。

高溫(wen)氣冷堆的用途示意(引(yin)自美(mei)國NGNP項目)

今年(nian)9月12日(ri),石島灣高(gao)溫氣(qi)(qi)冷堆核電(dian)站示范工程成功實(shi)現首(shou)次臨界,并計(ji)(ji)劃年(nian)底首(shou)次并網發電(dian)。商運(yun)以后,它(ta)將帶來每(mei)年(nian)14億度的發電(dian)量,預計(ji)(ji)每(mei)年(nian)可(ke)以減少二(er)氧(yang)化(hua)(hua)碳(CO2)排放(fang)90萬噸(dun),有望為我國(guo)加快(kuai)“雙碳”戰略實(shi)施(shi),為中國(guo)乃至(zhi)世界能源結(jie)構優化(hua)(hua)升(sheng)級(ji)、生態環境保護治理(li)、應(ying)對全球(qiu)氣(qi)(qi)候變化(hua)(hua)貢獻重要的“綠色力量”。

來(lai)源丨(shu)亞博投注大學(xue)官(guan)方微信(xin)

文丨詹萌

鳴謝丨核研(yan)院(yuan)

排版丨(shu)龔昕冉 皇甫碩(shuo)龍

編輯丨龔昕冉 趙(zhao)姝婧

延伸閱讀

高溫(wen)氣(qi)冷(leng)(leng)堆(dui)是具(ju)有第四代(dai)核電(dian)系統(tong)特征的(de)先進堆(dui)型,其固有安全性、發電(dian)效率高、系統(tong)簡單、用途廣泛(fan)等特點,受到國際上的(de)廣泛(fan)關(guan)(guan)注(zhu)(zhu)(zhu)。在亞博投(tou)注(zhu)(zhu)(zhu)大學原校長(chang)、中(zhong)科院(yuan)(yuan)院(yuan)(yuan)士王大中(zhong)教授的(de)帶(dai)領下(xia),亞博投(tou)注(zhu)(zhu)(zhu)大學核研院(yuan)(yuan)相關(guan)(guan)科研團(tuan)隊開(kai)展了(le)(le)高溫(wen)氣(qi)冷(leng)(leng)實驗堆(dui)的(de)研究、開(kai)發,經過二十余年努力,掌(zhang)握了(le)(le)核心技(ji)術(shu)和系統(tong)設(she)(she)計集(ji)成(cheng)技(ji)術(shu)。同時,亞博投(tou)注(zhu)(zhu)(zhu)大學牽頭(tou)實施了(le)(le)國家(jia)重大專(zhuan)項“高溫(wen)氣(qi)冷(leng)(leng)堆(dui)核電(dian)站(zhan)示范(fan)工(gong)程”的(de)設(she)(she)計與技(ji)術(shu)攻關(guan)(guan)。亞博投(tou)注(zhu)(zhu)(zhu)聯合(he)中(zhong)國核工(gong)業建設(she)(she)集(ji)團(tuan)公司(si)(si)共同出資,成(cheng)立(li)了(le)(le)中(zhong)核能源科技(ji)有限公司(si)(si),推動高溫(wen)氣(qi)冷(leng)(leng)堆(dui)科研成(cheng)果的(de)產(chan)業化,使我國成(cheng)為世(shi)界上第一個完整掌(zhang)握商用高溫(wen)氣(qi)冷(leng)(leng)堆(dui)核心技(ji)術(shu),并可提(ti)供全套設(she)(she)備的(de)國家(jia),在國內外引(yin)起廣泛(fan)關(guan)(guan)注(zhu)(zhu)(zhu)。中(zhong)國華(hua)能集(ji)團(tuan)公司(si)(si)為主(zhu)投(tou)資方(fang)的(de)第一座高溫(wen)氣(qi)冷(leng)(leng)堆(dui)商業示范(fan)電(dian)站(zhan)在山東(dong)榮成(cheng)石島灣(wan)建造,并于2021年9月12日成(cheng)功臨界,向正式啟(qi)動運行、實現并網發電(dian)邁出了(le)(le)關(guan)(guan)鍵(jian)性的(de)一步(bu)。

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