“高温气冷堆”，乍一看，如此矛盾的名称会让人不禁思索：这个装置真的存在吗？但其实，“高温气冷堆”不仅存在，它还是属于中国的“大国重器”。
2021年12月20日，山东荣成石岛湾，全球首座球床模块式高温气冷堆核电站示范工程并网成功，我国成为世界少数几个掌握第四代核能技术的国家之一。
那么，“高温”和“气冷”究竟指的是什么？两者又如何相互作用？这项技术中又有哪些看点、难点？本文将围绕这些问题对石岛湾高温气冷堆核电站进行介绍。
何为高温，何为气冷
高温气冷堆通过核能-热能-机械能-电能的转化实现发电，能够代替传统化石能源，实现经济和生态环境协调发展。具有安全性好、能量转化效率高和用途广泛等优势。
高温气冷堆是通过“气冷”的方式进行堆芯冷却和热传导，即冷却剂是气体。中国高温气冷堆的冷却剂是氦气，作为一种理想的惰性气体，氦气化学性质稳定，高温下不容易与反应堆的其他物质发生反应，并且具有较好的热传导性能。
所谓“高温”，指的是：以氦气为冷却剂、以石墨为慢化剂，加上堆内核燃料和其它材料均采用耐高温材料，这些条件使得高温气冷堆的工作温度和冷却剂的堆芯出口温度可以达到其它堆型难以企及的高度——900～1000摄氏度。
石岛湾高温气冷堆核电站示意图
那么如何发电呢？
我国的高温气冷堆采用全陶瓷型球形燃料元件(核燃料经20多道工序加工成直径为6cm的球状物)，堆芯最高温度可达到1600摄氏度。反应堆可采用模块化方式制造，建造时就像搭积木般，能随时连续地装卸核燃料和不定期停堆拆卸更换，因而和其它反应堆相比，可用率约高达45%以上。高温气冷堆的堆芯核燃料由低富集铀或高富集铀加钍的氧化物(或碳化物)制成直径约 200微米的陶瓷型颗粒核心，外面涂覆2-3层热解碳和碳化硅，涂层厚度约150-200微米，构成直径约为1亳米左右的核燃料颗粒。然后将颗粒弥散在石墨基体中压制成球形或柱形的燃料实体。堆芯通常由球形燃料和石墨反射层组成。直径60mm球形燃料由堆顶部连续装入堆芯，同时从堆芯底部卸料管连续卸出乏燃料①球。卸料的燃料球经过燃耗测量后，将尚未达到预定燃耗深度的燃料球再次送回堆内使用。反应堆堆芯内装有约360000个燃料球，燃料球在堆内平均经过10余次循环。反应堆有两套控制和停堆系统，均设置在侧向反射层内。第一套控制系统用于功率调节和反应堆热停堆。第二套是小球停堆系统，吸收体小球直径为10毫米含碳化硼石墨球勺，用于长期冷停堆。氦气冷却剂由循环鼓风机输送，从反应堆底部进入堆芯，通过燃料石墨球勺间隙, 冷却燃料球的氦气被加热后，出口温度达到900～1000摄氏度。高温氦气进入蒸汽发生器，将热量传给二回路，使二回路中的水变成为蒸汽，高温蒸汽送汽轮机做功发电。另一种方式是将从堆芯出来的高温氮气作为工质直接送入氦气轮机做功发电。②
高温气冷堆示范电站球形燃料元件示意图
其实高温气冷堆发电过程可以简单理解为，核能释放热，热能遇水成为高温蒸汽，高温蒸汽通过汽轮机发电。或者热能直接做功发电。这也可以作为大部分核能发电的原理进行理解。
该示范工程主氦风机设备是我国具有完全自主知识产权的具备第四代核能系统安全特性的高温气冷堆核心设备
需要注意的是：当反应堆内的核燃料进行核反应时，释放的中子速度很快，但因为只有慢中子才能与铀燃料发生有效反应放出中子，所以快速中子需经过石墨碰撞慢下来以维持核反应。
另外，释能后的氦气会经由另一路冷却剂冷却，降温后的氦气又回到堆芯继续冷却反应堆，形成闭式循环回路。
高温气冷堆具备固有安全特性
因为核能的特殊性，安全一定是所有人最为关心的问题。那么，高温气冷堆是否安全呢？
答案是肯定的，高温气冷堆的固有安全性主要表现在以下几点：
1、燃料元件具有耐高温特性
高温气冷堆燃料元件正常运行最高温度达1620摄氏度，采用四层屏蔽材料对燃料核心进行包裹，能更好地约束燃料和裂变产物，在任何事故下均能防止出现堆芯熔融和放射性大量释放的严重后果。
2、负反应性系数大
高温气冷堆堆芯热容量大、功率密度低，在功率瞬变过程中热惯性大，温度响应较慢，在高温情况下，燃料负反应系数大。在此情况下，发生事故时就可以依靠自身的负反应性补偿能力实现自动停堆。
3、非能动余热排出系统
在事故工况下，即使是最严酷的一回路冷却剂完全丧失的失冷失压事故，主传热系统失效，堆芯余热可仅借助于热传导、热辐射、对流换热等自然机理导出，从燃料元件，经过反射层石墨砌体、堆芯壳和反应堆压力容器将热量传至设置在堆舱混凝土壁面上的余热排出系统，保证燃料最高温度不超过温度限值。
4、燃料循环实现不停堆换料
高温气冷堆采用不停堆的连续装卸燃料方式，形成一个流动的球床堆芯，使得新燃料元件的补给和乏燃料的卸出可以在不停堆的情况下进行。这样既能够提升电站负荷因子，又无需储备补偿燃耗所需的反应性，即后备反应性小，从而大大提高了反应堆安全性。
5、慢化剂和结构材料高度稳定
高温气冷堆采用石墨作为慢化剂，堆芯结构材料不含金属。石墨的弹性模量很低，热膨胀系数和热中子吸收截面小，在高温下的机械性能和稳定性很高，能够避免发生堆芯熔融的严重后果。
6、氦冷却剂特性优异
高温气冷堆采用氦气作为一回路冷却剂。氦气具有良好的导热性能，作为惰性气体，不与石墨发生化学反应，与燃料和结构材料具有良好的相容性。同时氨气是单原子气体，不会发生辐照分解。
未来应用广泛
高温气冷堆比不仅能发电，还可以用于石油，化工以及炼钢等领域，它提供的高温热能可代替煤炭等燃料发热，通过热电联供的方式，它产生的热能可以应用到海水淡化、集中供热、稠油热采等领域，理论上这种反应堆技术提升后将来可形成出口温度高达1000℃的清洁热源，可以应用到煤的气化液化与热化学制氢领域，还可为氢能源时代的到来助一把力，所以这是一种在很多领域都具有革新意义的先进技术，其开发前景十分广阔。
注释：
1、乏燃料又称辐照核燃料，是经受过辐射照射、使用过的核燃料，通常是由核电站的核反应堆产生；
2、反应原理为笔者根据网络资料整理得来，仅作参考。
资料来源：
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