熱效率高於燃煤電廠 第四代反應堆可對接火電機組？
本刊主筆 季天也
6月19日，位於我國山東石島灣的第四代核電工程——商業版高溫氣冷示範堆，完成了220千伏倒送電（反向送電）一次成功，提前9天實現里程碑節點目標。自1954年蘇聯建成世界第一座核電廠以來，1967年建成發電的德國球床式高溫氣冷原型堆，
繈褓中的第四代：節鈾減排更安全
1996年，第三代核電站還沒大面積推廣時，美國能源部（DOE）就以核廢物減量、節約鈾礦資源和進一步強化固有安全性為目標，提出了第四代核電站的概念。2001年7月，美國能源部牽頭，由美國、英國、韓國、南非、日本、法國、加拿大、巴西、阿根廷9國，成立了第四代核能系統國際論壇(GIF)，中國、瑞士和歐洲原子能共同體後來也加入其中。
隨著上世紀七八十年代投運的第二代核電站紛紛步入中老年，
高溫氣冷堆靠“網球”發電
高溫氣冷堆全稱為“球床模組式高溫氣體冷卻型反應堆”。與現今主流的壓水堆相比，球床反應堆用的不是細長的燃料棒，而是直徑6釐米——和網球差不多大的燃料球。球的最外層是5毫米厚的石墨層，作為導熱材料和中子慢化劑。
之所以名叫“氣冷堆”，是因為氦氣代替了水作為反應堆的冷卻劑。燃料球放在罐狀容器內，讓氣體冷卻劑在燃料球之間通過，
高溫氣冷堆所用的燃料球，直徑6釐米，和網球相近。
源於美國 長於德國
高溫氣冷堆源於1943年美國物理化學家法林頓·丹尼爾斯（Farrington Daniels，1889-1972）在美國橡樹嶺國家實驗室所做的一個實驗。4年後，他提出了球床反應堆的概念。上世紀50年代，德國物理學家魯道夫·舒爾滕（Rudolf Schulten，1923-1996）牽頭，繼續將這個概念建構起來，並於1960年在前聯邦德國開始實際的工程設計與建設。歷時7年，這檯球床式高溫氣冷原型堆（AVR）建成並網發電，熱功率46兆瓦，電功率為15兆瓦。
首次將球床式反應堆概念付諸實踐的德國物理學家魯道夫·舒爾滕
1986年切爾諾貝利事件後，前聯邦德國對核電開始有了疑慮，AVR也受到嚴格的監督。碰巧在1988年，不爭氣的AVR發生了一個小事故：由於燃料球卡在出口，在處理的過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，社會已經容不得任何放射性事故的發生，於是AVR就被關停了。
之後，德國政府花了26年來清理現場並總結經驗教訓。2011～2014年間，外部專家審查該堆的運行情況時指出，AVR所用的燃料球外殼包層的強度存在缺陷，核燃料裂變產物銫-137和鍶-90從燃料球裡洩漏出來，污染了反應堆壓力容器等核設施。而這兩種放射性核素釋放的β輻射可遷移性又很強，給反應堆的拆除工作造成了不小的困難。
我國第四代示範堆有望年底發電
德國舒爾滕團隊被解散之後，中國以合適的價格買下了具有智慧財產權的執照和圖紙，並把燃料球生產線帶回國。1995年，中國版高溫氣冷實驗堆HTR-10在清華校園開建，發電功率為10兆瓦，2000年12月建成，並首次達到臨界，2003年1月實現滿功率並網發電。
2005年，我國決定在山東榮成市石島灣開建商業版的高溫氣冷示範堆，設計發電功率為200兆瓦。2006年2月，石島灣高溫氣冷堆被列入《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》。2007年1月，由中國華能集團、中國核工業建設集團、清華大學各出資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，高溫氣冷堆示範工程項目核准報告順利通過國務院辦公會議批准。2012年12月9日，石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程開工，是“十二五”第一個正式開工的核電項目。2016年3月10日至20日，第一台反應堆壓力容器卸車並完成吊裝。2017年4月12日，2號壓力容器的燃料球安裝完成，預計年底前後就能並網發電，有望成為世界首座第四代商用核電站。
2017年3月20日，山東石島灣商業示範性高溫氣冷堆的壓力容器卸車，它是目前世界上最大、最重的反應堆
新技術高效發電不熔堆
作為最新一代核技術，高溫氣冷堆主要有如下幾個優點：
①固有安全性高，幾乎不會熔堆。
當球狀燃料的溫度增加時，鈾-238吸收中子的速率也會增加，這就使可用來引發鈾-235裂變的中子減少。也就是說，堆芯溫度越高，裂變反應的強度就越弱。傳統反應堆由於核燃料的密度較高，接近100兆瓦/立方米，所以這種現象作用不大。而球床反應堆的燃料密度只有不到3兆瓦/立方米，核燃料自然衰變產生的熱能沒有自然散熱量大。這種物理特性確保了反應堆不會發生堆芯熔毀的事故。
另外，冷卻劑氦氣不會助燃或燃燒，不用像壓水堆那樣需要防範蒸氣爆炸。2004年，清華大學對其安全性進行驗證試驗：在反應堆正常運行時切斷電源，在不插入控制棒的情況下，關閉反應堆冷卻系統，類比最嚴重的事故工況，結果反應堆在沒有人為干預的情況下依靠自身設計安全地停了下來，堆芯沒有熔毀。國際原子能機構（IAEA）60多人的專家組現場見證了試驗過程，並給予高度評價。
②熱效率高，有綜合利用潛力。
高溫氣冷堆中，高溫可不是個虛名，堆芯和冷卻劑的特性允許把反應堆的運行溫度設定得更高。氦氣被反應堆加熱到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150個大氣壓左右的高壓確保水不會沸騰），因此高溫氣冷堆的熱效率（核燃料的裂變能轉化成電能的比例）可達到50%，不僅遠高於壓水堆的30%～35%，也超過了大型煤電機組的40%～42%。相應地，反應堆排除的廢熱少，減輕了對環境的熱影響，也間接節約了我國儲量並不豐富的鈾資源。
高溫氣冷堆的蒸汽參數與燃煤電廠一致，因此高溫氣冷堆核電廠的汽輪機發電系統可以很好地利用我國現有成熟的火電技術和建造能力，具有較好的經濟性。同時，反應堆產生的廢熱還能為核能制氫、冶金、化工等領域提供大量的高溫工藝熱。
高溫氣冷堆內部構造示意圖
③換料不用停堆。
球床式設計使反應堆在運行期間就能裝/換核燃料。新的燃料球從反應堆頂部裝入，用過的燃料球從反應堆底部排出。系統會對排出的燃料球進行燃耗檢測，還能繼續燒的會被重新裝入反應，每年迴圈10次左右。這樣一來，不僅提升了換料的安全性，還比現役核電廠大幅節省了一兩年一次、每次幾星期的停堆換料時間，從而提高反應堆的發電時數，運轉經濟性自然就更好。
體型太大尚不經濟
高溫氣冷堆既然好處這麼多，為什麼不趕緊推廣呢？主要有這麼幾方面的考慮。
①它還年輕。
它雖然結構很簡單，但在工程設計上遠不如目前的壓水/沸水式成熟，沒有經歷幾十年、上萬堆年的運行經驗，許多潛在的故障還沒能排除，實際運行過程中的可靠性和安全性還需要長期驗證。
②不夠經濟。
高溫氣冷堆功率密度低，對於防止堆芯過熱是個優勢，但在體積上就比較吃虧了：一個比壓水堆體積大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達到1400兆瓦。高溫氣冷堆不用像傳統壓水堆和沸水堆那樣需要防範堆芯熔毀和蒸汽爆炸，理論上說可以不需要反應堆安全殼。但畢竟其實際可靠性還不清楚，如果仍需出於謹慎而建設安全殼，廠房的體積和成本就更不容小覷了。身為新一代技術，高溫氣冷堆的燃料製造、回收和各種設備的製造，無法沿用現役核電廠的軟硬體基礎，需要新建一套體系，進一步削弱了經濟性。
③燃料粒容易出次品
清華大學的燃料球生產線年產量是10萬枚，現在正在包頭市建設年產30萬枚的工廠。燃料粒性本身有4層防護，目前的工藝可以保證99.999%的優良率，理論上可靠性很高。但是年產30萬枚燃料球，每個球有8000個燃料粒，那就是24億顆燃料粒。在巨大的燃料粒基數下，即便是那0.001%也意味著仍然會有24000顆“次品”燃料粒出現。一旦這些燃料粒發生破損，就有可能洩漏放射性塵埃。當然，一顆燃料粒的鈾含量只有0.7毫克，放射性並不厲害。
鈉冷快堆：鈾-238變廢為寶
除了高溫氣冷堆，我國研發第四代核電的另一棵技能樹是鈉冷快堆。之前介紹的反應堆，都是要使用慢化劑，將核裂變產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，這麼做是因為速度慢的中子更容易使鈾-235發生裂變。鈉冷快堆則是不使用中子慢化劑、以液態金屬鈉作為冷卻劑的反應堆，簡稱“快堆”。
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轉化成易裂變核素鈈-239。快堆中，在不斷消耗鈈-239的同時，又有鈾-238不斷轉變成新的鈈-239，而且新生的鈈-239比消耗掉的還多，從而使堆中核燃料變多，實現裂變材料的增殖。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。“坑爹”的是，它在天然鈾資源中的含量僅有0.711％，其餘99.3%幾乎都是不易裂變的鈾-238。快堆的應用，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量。
中國實驗快堆於1992年3月獲國務院批准立項，2000年5月開工建設，2011年7月22日完成40%功率並網發電24小時的預定目標，2012年10月31日通過科技部驗收，2014年12月30日滿功率試運行144小時後停堆。2015年10月10日，以3.8kw的電動率再次實現並網發電，標誌著中國進入世界少數幾個擁有快堆國家的行列。當然，真正實現快堆的商用發電，還有很多年的路要走。
清華大學HTR-10高溫氣冷實驗堆的控制室
責編：季天也
網編：吳燕芳
高溫氣冷堆所用的燃料球，直徑6釐米，和網球相近。
源於美國 長於德國
高溫氣冷堆源於1943年美國物理化學家法林頓·丹尼爾斯（Farrington Daniels，1889-1972）在美國橡樹嶺國家實驗室所做的一個實驗。4年後，他提出了球床反應堆的概念。上世紀50年代，德國物理學家魯道夫·舒爾滕（Rudolf Schulten，1923-1996）牽頭，繼續將這個概念建構起來，並於1960年在前聯邦德國開始實際的工程設計與建設。歷時7年，這檯球床式高溫氣冷原型堆（AVR）建成並網發電，熱功率46兆瓦，電功率為15兆瓦。
首次將球床式反應堆概念付諸實踐的德國物理學家魯道夫·舒爾滕
1986年切爾諾貝利事件後，前聯邦德國對核電開始有了疑慮，AVR也受到嚴格的監督。碰巧在1988年，不爭氣的AVR發生了一個小事故：由於燃料球卡在出口，在處理的過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，社會已經容不得任何放射性事故的發生，於是AVR就被關停了。
之後，德國政府花了26年來清理現場並總結經驗教訓。2011～2014年間，外部專家審查該堆的運行情況時指出，AVR所用的燃料球外殼包層的強度存在缺陷，核燃料裂變產物銫-137和鍶-90從燃料球裡洩漏出來，污染了反應堆壓力容器等核設施。而這兩種放射性核素釋放的β輻射可遷移性又很強，給反應堆的拆除工作造成了不小的困難。
我國第四代示範堆有望年底發電
德國舒爾滕團隊被解散之後，中國以合適的價格買下了具有智慧財產權的執照和圖紙，並把燃料球生產線帶回國。1995年，中國版高溫氣冷實驗堆HTR-10在清華校園開建，發電功率為10兆瓦，2000年12月建成，並首次達到臨界，2003年1月實現滿功率並網發電。
2005年，我國決定在山東榮成市石島灣開建商業版的高溫氣冷示範堆，設計發電功率為200兆瓦。2006年2月，石島灣高溫氣冷堆被列入《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》。2007年1月，由中國華能集團、中國核工業建設集團、清華大學各出資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，高溫氣冷堆示範工程項目核准報告順利通過國務院辦公會議批准。2012年12月9日，石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程開工，是“十二五”第一個正式開工的核電項目。2016年3月10日至20日，第一台反應堆壓力容器卸車並完成吊裝。2017年4月12日，2號壓力容器的燃料球安裝完成，預計年底前後就能並網發電，有望成為世界首座第四代商用核電站。
2017年3月20日，山東石島灣商業示範性高溫氣冷堆的壓力容器卸車，它是目前世界上最大、最重的反應堆
新技術高效發電不熔堆
作為最新一代核技術，高溫氣冷堆主要有如下幾個優點：
①固有安全性高，幾乎不會熔堆。
當球狀燃料的溫度增加時，鈾-238吸收中子的速率也會增加，這就使可用來引發鈾-235裂變的中子減少。也就是說，堆芯溫度越高，裂變反應的強度就越弱。傳統反應堆由於核燃料的密度較高，接近100兆瓦/立方米，所以這種現象作用不大。而球床反應堆的燃料密度只有不到3兆瓦/立方米，核燃料自然衰變產生的熱能沒有自然散熱量大。這種物理特性確保了反應堆不會發生堆芯熔毀的事故。
另外，冷卻劑氦氣不會助燃或燃燒，不用像壓水堆那樣需要防範蒸氣爆炸。2004年，清華大學對其安全性進行驗證試驗：在反應堆正常運行時切斷電源，在不插入控制棒的情況下，關閉反應堆冷卻系統，類比最嚴重的事故工況，結果反應堆在沒有人為干預的情況下依靠自身設計安全地停了下來，堆芯沒有熔毀。國際原子能機構（IAEA）60多人的專家組現場見證了試驗過程，並給予高度評價。
②熱效率高，有綜合利用潛力。
高溫氣冷堆中，高溫可不是個虛名，堆芯和冷卻劑的特性允許把反應堆的運行溫度設定得更高。氦氣被反應堆加熱到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150個大氣壓左右的高壓確保水不會沸騰），因此高溫氣冷堆的熱效率（核燃料的裂變能轉化成電能的比例）可達到50%，不僅遠高於壓水堆的30%～35%，也超過了大型煤電機組的40%～42%。相應地，反應堆排除的廢熱少，減輕了對環境的熱影響，也間接節約了我國儲量並不豐富的鈾資源。
高溫氣冷堆的蒸汽參數與燃煤電廠一致，因此高溫氣冷堆核電廠的汽輪機發電系統可以很好地利用我國現有成熟的火電技術和建造能力，具有較好的經濟性。同時，反應堆產生的廢熱還能為核能制氫、冶金、化工等領域提供大量的高溫工藝熱。
高溫氣冷堆內部構造示意圖
③換料不用停堆。
球床式設計使反應堆在運行期間就能裝/換核燃料。新的燃料球從反應堆頂部裝入，用過的燃料球從反應堆底部排出。系統會對排出的燃料球進行燃耗檢測，還能繼續燒的會被重新裝入反應，每年迴圈10次左右。這樣一來，不僅提升了換料的安全性，還比現役核電廠大幅節省了一兩年一次、每次幾星期的停堆換料時間，從而提高反應堆的發電時數，運轉經濟性自然就更好。
體型太大尚不經濟
高溫氣冷堆既然好處這麼多，為什麼不趕緊推廣呢？主要有這麼幾方面的考慮。
①它還年輕。
它雖然結構很簡單，但在工程設計上遠不如目前的壓水/沸水式成熟，沒有經歷幾十年、上萬堆年的運行經驗，許多潛在的故障還沒能排除，實際運行過程中的可靠性和安全性還需要長期驗證。
②不夠經濟。
高溫氣冷堆功率密度低，對於防止堆芯過熱是個優勢，但在體積上就比較吃虧了：一個比壓水堆體積大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達到1400兆瓦。高溫氣冷堆不用像傳統壓水堆和沸水堆那樣需要防範堆芯熔毀和蒸汽爆炸，理論上說可以不需要反應堆安全殼。但畢竟其實際可靠性還不清楚，如果仍需出於謹慎而建設安全殼，廠房的體積和成本就更不容小覷了。身為新一代技術，高溫氣冷堆的燃料製造、回收和各種設備的製造，無法沿用現役核電廠的軟硬體基礎，需要新建一套體系，進一步削弱了經濟性。
③燃料粒容易出次品
清華大學的燃料球生產線年產量是10萬枚，現在正在包頭市建設年產30萬枚的工廠。燃料粒性本身有4層防護，目前的工藝可以保證99.999%的優良率，理論上可靠性很高。但是年產30萬枚燃料球，每個球有8000個燃料粒，那就是24億顆燃料粒。在巨大的燃料粒基數下，即便是那0.001%也意味著仍然會有24000顆“次品”燃料粒出現。一旦這些燃料粒發生破損，就有可能洩漏放射性塵埃。當然，一顆燃料粒的鈾含量只有0.7毫克，放射性並不厲害。
鈉冷快堆：鈾-238變廢為寶
除了高溫氣冷堆，我國研發第四代核電的另一棵技能樹是鈉冷快堆。之前介紹的反應堆，都是要使用慢化劑，將核裂變產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，這麼做是因為速度慢的中子更容易使鈾-235發生裂變。鈉冷快堆則是不使用中子慢化劑、以液態金屬鈉作為冷卻劑的反應堆，簡稱“快堆”。
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轉化成易裂變核素鈈-239。快堆中，在不斷消耗鈈-239的同時，又有鈾-238不斷轉變成新的鈈-239，而且新生的鈈-239比消耗掉的還多，從而使堆中核燃料變多，實現裂變材料的增殖。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。“坑爹”的是，它在天然鈾資源中的含量僅有0.711％，其餘99.3%幾乎都是不易裂變的鈾-238。快堆的應用，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量。
中國實驗快堆於1992年3月獲國務院批准立項，2000年5月開工建設，2011年7月22日完成40%功率並網發電24小時的預定目標，2012年10月31日通過科技部驗收，2014年12月30日滿功率試運行144小時後停堆。2015年10月10日，以3.8kw的電動率再次實現並網發電，標誌著中國進入世界少數幾個擁有快堆國家的行列。當然，真正實現快堆的商用發電，還有很多年的路要走。
清華大學HTR-10高溫氣冷實驗堆的控制室
責編：季天也
網編：吳燕芳