MSTA大家系列科技讲座

    使用核外电子能源的是化学能（或化石能源），使用原子核能源的是核能（也称原子能）。原子弹和氢弹之后，最先使用核能的是核潜艇，它改写了海上作战的历史。把核潜艇上的反应堆搬到陆地上，便成了用于发电的核电站。和平利用核能成为第二次世界大战后新时代的标志，那个时代被称为原子能时代。世界上已经建设的大部分核电站是用水冷却的。

    我现在介绍的是一种创新型的核电站：模块式高温气冷堆核电站。作为国家科技重大专项，项目的总体目标是：建设一座发电功率为20万千瓦的模块式高温气冷堆核电站示范工程，为发展第四代核电技术奠定基础。

    模块式高温气冷堆核电站的最主要特征是高温。按照热力学第二定律，温度越高，能量转化的效率越高，用途越广泛，技术要求也越高。同时，高温还有一个重要的特点，就是温度越高，散热也越强。尤其在1000度到1500度的情况下，辐射散热成为主要因素。按照黑体辐射定律，散热量与温度的四次方成正比。温度的升高导致散热能力的急剧升高。

    温度越高散热越强这个物理特性有什么用呢？它可以成为解决核能安全这么一个世纪性难题的一条革命性途径。核能安全主要取决于两个重要问题的解答。第一个问题是反应堆是否会像原子弹那样爆炸？这个问题物理学家已经解决。因为原子弹很难实现，我们所用的这种低富集度铀-235形成的反应堆堆芯很容易终止裂变反应，要防止爆炸很容易。核能安全的第二个问题，也是最棘手的问题，就是反应堆会不会像美国三里岛和日本福岛事故那样发生堆芯熔化。堆芯熔化的原因很明显，就是反应堆的散热问题。解决反应堆的散热问题有两个途径。一个途径就是千方百计地浇水。这种方法在现代主流的两代和三代压水堆核电站已经得到很好的应用。除了千方百计浇水之外，还有另外一条途径。那就是利用温度越高散热越强这么一个特点，实现自然散热。也就是不需要浇水，它也不会熔化。

    但是温度高了，带来一个新的问题就是，材料能否承受这么高的温度。有一个核心关键技术叫碳化硅TRISO核燃料技术，其中心是0.5毫米的二氧化铀燃料小球，在这个燃料小球外面包了四层，其中一层是碳化硅，能耐很高的温度和辐射，而且抗化学侵蚀，对空气和水有很好的阻挡作用。上万个燃料小球装到一个大核燃料球里，它的直径为 6厘米，大小与网球相仿。我们开展了种种的验证考验，在1600度甚至接近2000度的条件下，这种核燃料球都不会发生破坏，不会发生放射性泄漏。

    清华大学花了超过30年的时间，实现了这种技术从实验室、中试生产线到世界最大规模工业生产线的跨越，成功转移到中国核工业北方核燃料厂生产。现在已经生产70万个，达到了世界最高水平。

    只有高温散热还不够，我们还有第二个概念——模块式。模块式解决的问题可以用比喻来说：一个大胖子不太容易散热，我们要把大胖子变成十个瘦子，手牵手，这样散热面积就大了。用10个十万千瓦的模块并列起来，能够实现100万千瓦的核电站，不仅安全，同时在经济上也将具有竞争力。

    这种模块式高温气冷堆核电站的中心是网球大小核燃料球床。大概40万个核燃料球组成一个模块，发电10万千瓦。6~10个模块组成一个核电机组，发电60~100万千瓦。世界上第一个模块式高温气冷堆核电站的示范工程，是由清华大学和中国核工业集团、华能集团合作，在山东荣成石岛湾建设20万千瓦的高温气冷堆核电站。核电站包含两个反应堆模块，把这两个模块放到一个厂房，产生的蒸汽推动一台20万千瓦的汽轮机发电。

    （下转第2版）