熱效率高于燃煤電廠 第四代反應(yīng)堆可對(duì)接火電機(jī)組?

◎本刊主筆 季天也

熱效率高于燃煤電廠 第四代反應(yīng)堆可對(duì)接火電機(jī)組?

◎本刊主筆 季天也

6月19日，位于我國(guó)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(shí)現(xiàn)里程碑節(jié)點(diǎn)目標(biāo)。自1954年蘇聯(lián)建成世界第一座核電廠以來(lái)，核電技術(shù)經(jīng)歷了3次飛躍，共形成了4代技術(shù)，每一代在經(jīng)濟(jì)性、安全性和高效性方面都是質(zhì)的飛躍。那么，目前最新的第四代核電究竟有哪些領(lǐng)先之處？其廣泛利用離我們還有多遠(yuǎn)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(méi)大面積推廣時(shí)，美國(guó)能源部（DOE）就以核廢物減量、節(jié)約鈾礦資源和進(jìn)一步強(qiáng)化固有安全性為目標(biāo)，提出了第四代核電站的概念。2001年7月，美國(guó)能源部牽頭，由美國(guó)、英國(guó)、韓國(guó)、南非、日本、法國(guó)、加拿大、巴西、阿根廷9國(guó)，成立了第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇(GIF)，中國(guó)、瑞士和歐洲原子能共同體后來(lái)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(yīng)堆作為重點(diǎn)研發(fā)對(duì)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(shè)計(jì)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(yùn)營(yíng)成本，并防止放射性物質(zhì)外泄。

隨著上世紀(jì)七八十年代投運(yùn)的第二代核電站紛紛步入中老年，核電技術(shù)已經(jīng)到了推動(dòng)第三代、孕育第四代的階段。2008年10月和2009年3月，我國(guó)分別加入了高溫氣冷堆和鈉冷快堆兩個(gè)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(yīng)堆”。與現(xiàn)今主流的壓水堆相比，球床反應(yīng)堆用的不是細(xì)長(zhǎng)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(dǎo)熱材料和中子慢化劑。中心的“餡兒”是8000個(gè)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(gè)保護(hù)層包裹。石墨和氦都不會(huì)吸收放射性，所以燃料球用完后，本身就有屏蔽作用，無(wú)需另外的機(jī)械或化學(xué)處理，但這部分廢料總體積會(huì)增加。

之所以名叫“氣冷堆”，是因?yàn)楹獯媪怂鳛榉磻?yīng)堆的冷卻劑。燃料球放在罐狀容器內(nèi)，讓氣體冷卻劑在燃料球之間通過(guò)，將熱能帶走。氦氣是一種化學(xué)惰性極強(qiáng)的氣體，幾乎不和任何物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)熱性好、沒(méi)有腐蝕性、沒(méi)有可燃性，也不會(huì)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(shè)計(jì)（詳見(jiàn)《環(huán)境與生活》6月號(hào)《揭秘核電廠“排尿”套路》一文），而讓高溫高壓的氦氣直接推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。但是這種方式此前沒(méi)有現(xiàn)成的應(yīng)用，必須從頭開(kāi)發(fā)。

源于美國(guó) 長(zhǎng)于德國(guó)

高溫氣冷堆源于1943年美國(guó)物理化學(xué)家法林頓·丹尼爾斯（Farrington Daniels，1889-1972）在美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所做的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。4年后，他提出了球床反應(yīng)堆的概念。上世紀(jì)50年代，德國(guó)物理學(xué)家魯?shù)婪颉な鏍栯≧udolf Schulten，1923-1996）牽頭，繼續(xù)將這個(gè)概念建構(gòu)起來(lái)，并于1960年在前聯(lián)邦德國(guó)開(kāi)始實(shí)際的工程設(shè)計(jì)與建設(shè)。歷時(shí)7年，這臺(tái)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(guó)對(duì)核電開(kāi)始有了疑慮，AVR也受到嚴(yán)格的監(jiān)督。碰巧在1988年，不爭(zhēng)氣的AVR發(fā)生了一個(gè)小事故：由于燃料球卡在出口，在處理的過(guò)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(huì)已經(jīng)容不得任何放射性事故的發(fā)生，于是AVR就被關(guān)停了。

之后，德國(guó)政府花了26年來(lái)清理現(xiàn)場(chǎng)并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。2011～2014年間，外部專家審查該堆的運(yùn)行情況時(shí)指出，AVR所用的燃料球外殼包層的強(qiáng)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(lái)，污染了反應(yīng)堆壓力容器等核設(shè)施。而這兩種放射性核素釋放的β輻射可遷移性又很強(qiáng)，給反應(yīng)堆的拆除工作造成了不小的困難。

我國(guó)第四代示范堆有望年底發(fā)電

德國(guó)舒爾滕團(tuán)隊(duì)被解散之后，中國(guó)以合適的價(jià)格買下了具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的執(zhí)照和圖紙，并把燃料球生產(chǎn)線帶回國(guó)。1995年，中國(guó)版高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆HTR-10在清華校園開(kāi)建，發(fā)電功率為10兆瓦，2000年12月建成，并首次達(dá)到臨界，2003年1月實(shí)現(xiàn)滿功率并網(wǎng)發(fā)電。

2005年，我國(guó)決定在山東榮成市石島灣開(kāi)建商業(yè)版的高溫氣冷示范堆，設(shè)計(jì)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(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》。2007年1月，由中國(guó)華能集團(tuán)、中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)、清華大學(xué)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(xiàng)目核準(zhǔn)報(bào)告順利通過(guò)國(guó)務(wù)院辦公會(huì)議批準(zhǔn)。2012年12月9日，石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程開(kāi)工，是“十二五”第一個(gè)正式開(kāi)工的核電項(xiàng)目。2016年3月10日至20日，第一臺(tái)反應(yīng)堆壓力容器卸車并完成吊裝。2017年4月12日，2號(hào)壓力容器的燃料球安裝完成，預(yù)計(jì)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(shù)高效發(fā)電不熔堆

作為最新一代核技術(shù)，高溫氣冷堆主要有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

①固有安全性高，幾乎不會(huì)熔堆。

當(dāng)球狀燃料的溫度增加時(shí)，鈾-238吸收中子的速率也會(huì)增加，這就使可用來(lái)引發(fā)鈾-235裂變的中子減少。也就是說(shuō)，堆芯溫度越高，裂變反應(yīng)的強(qiáng)度就越弱。傳統(tǒng)反應(yīng)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(yīng)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(méi)有自然散熱量大。這種物理特性確保了反應(yīng)堆不會(huì)發(fā)生堆芯熔毀的事故。

首次將球床式反應(yīng)堆概念付諸實(shí)踐的德國(guó)物理學(xué)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(yīng)堆壓力容器。 來(lái)源：中核二三建設(shè)公司

高溫氣冷堆內(nèi)部構(gòu)造示意圖

另外，冷卻劑氦氣不會(huì)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(xué)對(duì)其安全性進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)：在反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)切斷電源，在不插入控制棒的情況下，關(guān)閉反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)，模擬最嚴(yán)重的事故工況，結(jié)果反應(yīng)堆在沒(méi)有人為干預(yù)的情況下依靠自身設(shè)計(jì)安全地停了下來(lái)，堆芯沒(méi)有熔毀。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）60多人的專家組現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證了試驗(yàn)過(guò)程，并給予高度評(píng)價(jià)。

②熱效率高，有綜合利用潛力。

高溫氣冷堆中，高溫可不是個(gè)虛名，堆芯和冷卻劑的特性允許把反應(yīng)堆的運(yùn)行溫度設(shè)定得更高。氦氣被反應(yīng)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(guò)150個(gè)大氣壓左右的高壓確保水不會(huì)沸騰），因此高溫氣冷堆的熱效率（核燃料的裂變能轉(zhuǎn)化成電能的比例）可達(dá)到50%，不僅遠(yuǎn)高于壓水堆的30%～35%，也超過(guò)了大型煤電機(jī)組的40%～42%。相應(yīng)地，反應(yīng)堆排除的廢熱少，減輕了對(duì)環(huán)境的熱影響，也間接節(jié)約了我國(guó)儲(chǔ)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(jī)發(fā)電系統(tǒng)可以很好地利用我國(guó)現(xiàn)有成熟的火電技術(shù)和建造能力，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢熱還能為核能制氫、冶金、化工等領(lǐng)域提供大量的高溫工藝熱。

③換料不用停堆。

球床式設(shè)計(jì)使反應(yīng)堆在運(yùn)行期間就能裝/換核燃料。新的燃料球從反應(yīng)堆頂部裝入，用過(guò)的燃料球從反應(yīng)堆底部排出。系統(tǒng)會(huì)對(duì)排出的燃料球進(jìn)行燃耗檢測(cè)，還能繼續(xù)燒的會(huì)被重新裝入反應(yīng)，每年循環(huán)10次左右。這樣一來(lái)，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(shí)間，從而提高反應(yīng)堆的發(fā)電時(shí)數(shù)，運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性自然就更好。

體型太大尚不經(jīng)濟(jì)

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(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，但在工程設(shè)計(jì)上遠(yuǎn)不如目前的壓水/沸水式成熟，沒(méi)有經(jīng)歷幾十年、上萬(wàn)堆年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，許多潛在的故障還沒(méi)能排除，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的可靠性和安全性還需要長(zhǎng)期驗(yàn)證。

②不夠經(jīng)濟(jì)。

高溫氣冷堆功率密度低，對(duì)于防止堆芯過(guò)熱是個(gè)優(yōu)勢(shì)，但在體積上就比較吃虧了：一個(gè)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(dá)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(shuō)可以不需要反應(yīng)堆安全殼。但畢竟其實(shí)際可靠性還不清楚，如果仍需出于謹(jǐn)慎而建設(shè)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(shù)，高溫氣冷堆的燃料制造、回收和各種設(shè)備的制造，無(wú)法沿用現(xiàn)役核電廠的軟硬件基礎(chǔ)，需要新建一套體系，進(jìn)一步削弱了經(jīng)濟(jì)性。

③燃料粒容易出次品

清華大學(xué)的燃料球生產(chǎn)線年產(chǎn)量是10萬(wàn)枚，現(xiàn)在正在包頭市建設(shè)年產(chǎn)30萬(wàn)枚的工廠。燃料粒性本身有4層防護(hù)，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(wàn)枚燃料球，每個(gè)球有8000個(gè)燃料粒，那就是24億顆燃料粒。在巨大的燃料?；鶖?shù)下，即便是那0.001%也意味著仍然會(huì)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(dāng)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(guó)研發(fā)第四代核電的另一棵技能樹(shù)是鈉冷快堆。之前介紹的反應(yīng)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(jiǎn)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?yàn)樗俣嚷闹凶痈菀资光?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(yīng)堆，簡(jiǎn)稱“快堆”。

清華大學(xué)HTR-10高溫氣冷實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)化成易裂變核素钚-239?？於阎?，在不斷消耗钚-239的同時(shí)，又有鈾-238不斷轉(zhuǎn)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(shí)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?jī)H有0.711%，其余99.3%幾乎都是不易裂變的鈾-238?？於训膽?yīng)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(guó)實(shí)驗(yàn)快堆于1992年3月獲國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)立項(xiàng)，2000年5月開(kāi)工建設(shè)，2011年7月22日完成40%功率并網(wǎng)發(fā)電24小時(shí)的預(yù)定目標(biāo)，2012年10月31日通過(guò)科技部驗(yàn)收，2014年12月30日滿功率試運(yùn)行144小時(shí)后停堆。2015年10月10日，以3.8kw的電動(dòng)率再次實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，標(biāo)志著中國(guó)進(jìn)入世界少數(shù)幾個(gè)擁有快堆國(guó)家的行列。當(dāng)然，真正實(shí)現(xiàn)快堆的商用發(fā)電，還有很多年的路要走。

本欄目責(zé)編/季天也jtyair2013@vip.163.com