12月6日,我国具有完全自主知识产权的高温气冷堆核电站示范工程,在山东省荣成市商运投产,标志着我国在高温气冷堆核电技术领域处于全球领先地位。
作为第四代球床模块式先进反应堆,高温气冷堆采用高温下也不会反应的惰性气体氦气作为冷却剂,堆芯全是耐超高温度的石墨材料。由于该反应堆不需要应急冷却也能够处于安全状态,被称为固有安全的反应堆。高温气冷堆的工作原理是什么,为什么说它的主要特征是“固有安全”?记者采访了中核能源科技有限公司高级工程师何琳。
石墨加氦气组合造就“高温气冷”
如果把核反应堆比作一个大火炉,它的炉膛,也就是存放核燃料元件的地方,就是堆芯。在堆芯里,大量中子飞行,不断与各种原子核发生磕碰,产生了核反应。
“高温气冷堆的核燃料元件是耐高温全陶瓷包覆颗粒燃料球,直径为6厘米,最外层是石墨层,里面是基体石墨粉,这就是核反应的慢化剂。石墨粉中分散着上万个直径为0.9毫米的核燃料颗粒。”何琳告诉记者。
也就是说,如果我们剖开炉膛,就会发现里面整齐划一地摆放着由全陶瓷制作、裹着石墨材料的直径为6厘米的“煤球”。其中,石墨材料扮演着慢化剂的角色,“就像打球时,发球速度越快、接到球的概率越低一样,如果堆芯要获得更高的核反应率,就要减缓中子的发射速度。”何琳介绍,石墨最大的优点是,它对中子的吸收率远远低于水,从而达到更高的核反应效率,同时也没有吸收中子后产生放射性的问题。
此外,高温气冷堆采用了高温下也不会反应的惰性气体氦气作为冷却剂。何琳介绍,氦气在高温气冷堆中作为冷却剂,在主氦风机的驱动下,流经反应堆,将热量带到热交换器进行冷却,然后再由另一路冷却剂将氦气冷却,降温后的氦气再次回到堆芯继续冷却反应堆,形成闭式循环回路。依靠自身高导热性和低沸点的物理特性,氦气将堆芯释放的热量带出核反应堆。
据悉,高温气冷堆堆芯出口温度可以达到其他堆型难以实现的高度。目前,高温堆的氦气出口温度高达750℃。未来,高温气冷堆还会继续升级,提高反应堆的出口温度,最高可达1000℃。
独特“造型”避免堆芯熔毁
核电项目的设计,可以比喻成一个高压锅。核燃料就好比是装在高压锅内的物质,虽然燃料采用了耐高温的陶瓷材料,但当其温度一旦超过了某种限度,也是会熔化的。这就是所谓的“堆芯熔化”。
在高温气冷堆的堆芯里,核燃料采用了层层设防的包覆颗粒,即每个颗粒里面包裹着用于发生核反应的核燃料。这意味着,大概有1.2万个燃料颗粒穿上了3层陶瓷“铠甲”,后又被做成拳头大小的煤球状。这样的“造型”,保证了燃料球既能输出高温,又绝对安全。
核反应堆的本质就像用煤炉烧开水。“可别瞧不起烧开水。目前,高温气冷堆输出温度已达950℃,并且在烧水过程中能够让‘煤球’里面的放射性物质乖乖地呆在那儿,保证在任何情况下都不会跑出来。”何琳说,这些“煤球”可以承受1620℃的高温,因此只要不超过这个温度都不会破损,包裹在里面的放射性物质不会泄漏出来。
除此之外,高温堆还拥有自动停堆系统,堆芯只要稍微过热便会自动停堆,终止核反应。这很像电动汽车的能量回收功能,一旦松开油门就好像踩了刹车一样剧烈减速。这个功能也能保证在任何事故情况下,堆内温度都不可能超过1620℃。
何琳介绍说,由于高温气冷堆的高温堆温度不超限,结构不会破坏,放射性物质出不来。这种独特的安全设计,已经彻底避免了堆芯熔毁以及核泄漏的可能性。所以,高温气冷堆也被称为“不会熔毁的反应堆”。
可在未来提供稳定的绿氢来源
作为国际公认的第四代先进核电技术,高温气冷堆最突出的优势是具有固有安全性,在发电、热电冷联产及高温供热等领域商业化应用前景广阔。
资料显示,高温气冷堆采用模块化建设,单个模块发电功率10万千瓦,可通过多模块灵活组合的方式,建设20万、40万、60万、80万、100万等系列装机容量的核电机组,以适应不同地区、不同用户的需求。山东石岛湾核电示范工程为双模块组合,发电功率20万千瓦。
“目前,高温堆的氦气出口温度高达750℃,产生的高于500℃的蒸汽覆盖石油、化工等行业绝大部分热源需求,可以为其提供高品质的工业蒸汽。”何琳说。
此外,高温气冷堆以其良好的固有安全性,从技术上消除了高温气冷堆对场外应急的需要,外加运行过程中无高放废液、无需安全厂用水,环境友好性强,因此,高温气冷堆厂址可以更加靠近用户,从根本上解决老百姓“谈核色变”的问题。
何琳表示,随着高温气冷堆的继续升级,反应堆的出口温度不断提高,大规模核能制氢将成为现实,为氢能时代提供稳定的绿氢来源。高温气冷堆将作为国家名片以绿色能源、智慧能源解决方案,为实现“双碳”目标、增进人类福祉作出更大的贡献。