气冷堆到底有多安全?

能源材料 7个月前

  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。

气冷堆到底有多安全?

  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:

气冷堆到底有多安全?

图为高温气冷堆的球形燃料元件,每一个都如网球般大小。

气冷堆到底有多安全?

  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”。

气冷堆到底有多安全?

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:

气冷堆到底有多安全?

“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。

气冷堆到底有多安全?

  接下来,咱们再看看它是怎么运作的。

气冷堆到底有多安全?

  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。

气冷堆到底有多安全?

  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。

气冷堆到底有多安全?

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。

气冷堆到底有多安全?

  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。

气冷堆到底有多安全?

  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。

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