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氣冷堆:從被拋棄到成為四代核反應堆技術

瀏覽:3872 時間:2017-10-16

人們剛開始研究反應堆時,對于冷卻劑的選用,人們首先想到的是氣體,比如二氧化碳。

這簡直是一個天才的想法!

石墨慢化的堆芯,加上數臺功率強勁的鼓風機,就能輕松構成了一座反應堆。電動鼓風機結構遠比現在壓水堆主泵簡單,氣冷的堆芯也從來不用擔心核泄漏,更不用擔心冷卻劑泄漏。在極端情況下,只要對著堆芯吹風,堆芯就不存在熔毀的風險,安全性比現在流行的壓水和沸水反應堆不知道到高哪去了。

英國,法國,德國在早期研制商用反應堆時,都義無反顧的選擇了氣冷堆的技術路線。英國更是領先一步,建造了人類歷史上第一座商用氣冷堆,過氣的日不落帝國再次向世界展現了其瘦死駱駝比馬大的實力。

英國是研究早期氣冷堆最積極的國家,在技術還未成熟時,英國就急不可耐地在國內建造了數十座氣冷堆核電站,同時還向世界出口。當十年后這些早期氣冷堆的缺點顯露出來的時候,英國既坑了自己,也坑了其他國家,比如日本。

法國人剛開始也想搞氣冷堆,經過法國浪漫的科學家門的不屑努力,法國在60年代初也建成了自己的氣冷堆,就在科學家們準備慶祝的時候,他們尷尬的發現,這座氣冷堆發的電,還不夠反應堆的主風機的消耗。法國人創造了工程的奇跡,建成了人類歷史上第一座耗電比發電多的核電機組。

當時,鼓風機技術不成熟,耗電巨大,氣冷堆的堆芯設計還處于起步階段,堆芯巨大,燃料密度低,不適合提高單機功率,經濟性差,加上氣冷堆的其他缺陷,氣冷堆這種看似天才的技術方案,漸漸被水冷堆取代。看到英法這兩個打頭陣的難兄難弟犧牲在了氣冷堆技術路線上,世界其他國家開始轉而發展壓水堆,將氣冷堆作為備用技術扔在了一邊。

然而,氣冷堆還是時不時被核電科學家們想起來。科學家們認為,只要解決鼓風機的問題和堆芯設計問題,就解決了氣冷堆的可靠性和經濟性問題,這樣,氣冷堆依然是一種極有前途的反應堆技術。

上世紀70年代,氣冷堆開始成為實驗室內未來反應堆研究的重點堆型。德國創造性的設計了球床反應堆,美日設計了菱形反應堆,這兩種堆型很快便成為了氣冷堆研究最主要的兩種堆型。

上世紀70年代初,我國開始研究快堆技術。與很多人想象的不一樣,我國快堆研究初期,對于快堆的冷卻劑,科學家們首先想到的并不是現在的液態鈉,而是氣體,比如惰性氣體氦氣。

我國的重大科研項目都有個特點,總結來說就是“零基礎研究XX,從入門到精通”。快堆研究更是如此,當時我國沒有快堆技術,技術的渣都沒有,科學家將快堆研究分為了數十個子課題,反應堆氣冷技術也是這眾多課題中的一個。這個課題完全靠自己研究是不現實的,只有放眼世界,看看哪國技術好,就去取點經再說。

此時,正是德國氣冷堆技術研究處于低谷的時期。德國雖然首創了球床式氣冷堆,但是在工程上,氣冷堆研究卻出了一大堆問題,如1973年,AVR氣冷堆的放射性氚泄漏突然增加,1976年,因堆芯溫度不穩定,局部溫度過高,導致整個一回路被放射性物質污染,1978年蒸汽發生器又發生了泄漏……德國的試驗氣冷堆上出的事,幾乎顛覆了德國人嚴謹認真的形象,在德國這個反核勢力最強大的國家,這些事情發生后,氣冷堆等于在德國已經走到了末路。

1979年,德國“氣冷堆之父”蘇爾登博士受邀來清華大學做學術演講,他驚訝的發生中國竟然還有這樣一群熱愛氣冷堆技術的學者,這讓他頗為欣慰。蘇爾登博士將德國的氣冷堆技術幾乎是傾囊相授,不僅向清華大學的氣冷堆技術研究科學家們介紹了氣冷堆的基礎知識,還將德國研究氣冷堆的經驗教訓,設計,建造的主要知識都教給了這些中國學者。考慮到氣冷堆技術在德國的前途,蘇爾登博士向中國學者傳授氣冷堆技術的場景,頗似金輪法王求著教郭襄龍象波若功的情景。

爾后,蘇爾登博士又邀請清華大學的核科學家們去德國學習氣冷堆技術。以王大中為代表的我國核科學家們,開始赴德國學習氣冷堆技術。

在80年代,核電界對氣冷堆有著兩種截然不同的看法。

支持派認為,氣冷堆具有天然的安全性和經濟性,在安全性上,當氣冷堆的堆芯溫度上升到一定程度時(約1600攝氏度),反應堆會因溫度升高和自動停堆,這樣就避免出現普通壓水堆事故時無法停堆而熔毀的情況。在經濟性上,氣冷堆的這種固有安全性,讓反應堆不需要安裝普通壓水堆類似的專設安全系統,大大節約了反應堆的建造成本,而這種安全系統的巨額成本,恰恰是導致現在的三代核電站成本飆升的重要因素。

反對派認為,氣冷堆就和核聚變一樣,就是一個看起來很美麗的氣泡而已。理想很豐滿,現實很骨感。英法早期氣冷堆的失敗就不多說了,在當時建造的新型氣冷堆中,堆芯局部溫度難以控制,燃料難以處理,以及反應堆風機設計難度大等原因,都在一次次證明氣冷堆并不是那么好實現的。

王大中到了德國后,并沒有過多的思考上述問題,或者說,作為一個實干家,他并不屑于考慮上述的問題。德國當時的氣冷堆技術并不成熟,甚至還不如后來南非搞得好,王大中從1981年1月到德國學習氣冷堆技術,到1982年10月取得博士學位回國,在不到兩年的時間內,做了一百多個方案,去研究氣冷堆的相關技術問題,實現了球床氣冷堆功率從20萬千瓦到50萬千瓦的飛躍。

王大中設計的大功率安全自穩定性球床氣冷反應堆,讓蘇爾登博士激動地熱淚盈眶,經蘇爾登博士推薦,王大中設計的這種反應堆,在美英法日意蘇等研究氣冷堆的主要國家進行了專利登記。這實際上標志著我國氣冷堆技術已經處于了國際領先地位。

王大中回國后,成為我國高溫氣冷堆研究的核心人物。1986年,在“863”計劃中,我國將快堆,高溫氣冷堆和聚變堆作為“863”能源計劃研究的三種先進反應堆技術路線。1986年,那時中國人才剛剛解決了溫飽問題,而國家的能源戰略,已經規劃到了百年(氣冷堆)甚至千年(聚變堆)以后,我國領導層的戰略眼光可見一斑。

好的開始就是成功的一半,當王大中回國后,我國氣冷堆的發展就進入了“從入門到精通的過程”。

上世紀80年代中期,回國不久的王大中利用游泳池屏蔽試驗反應堆進行低溫核供熱試驗,讓核反應堆除了發電,還能給工廠甚至居民區供熱,開辟了核反應堆應用新功能。1995年6月,我國首臺高溫氣冷堆機組開始動工建設,并在2000年順利裝料,并在當年年底實現了首次臨界。

這座10MW的氣冷堆和我們熟悉的普通反應堆完全不一樣,它沒有主泵,只有主鼓風機,他的堆芯沒有水,只有惰性氣體氦氣,他的堆芯也沒有一組一組整齊擺放的核燃料組建,只有一個個類似高爾夫球一樣的燃料球(這正是球床反應堆得名的原因)。同時,這座反應堆也沒有復雜的安全系統,甚至都沒有安全系統,因為在嚴重事故工況下的固有安全穩定性,讓它并不需要安全保護系統。而且,這座反應堆還是一座內陸反應堆(我國的很多實驗堆都建造內地)。


                                                   球床式高溫氣冷堆的燃料球

這座試驗堆的成功建設,標志著我國高溫氣冷堆從理論上趕超世界,變成了實際上的趕超世界。我國已經掌握了高溫氣冷堆的技術,稍作技術完善,便可實現商用。

2002年,世界國際論壇確定了六中堆型作為第四代核反應堆的技術路線,其中之一便是高溫氣冷堆。第四代核反應堆技術在強調安全性的同時,也強調經濟性,而不像現在的第三代反應堆技術,片面強調安全性而犧牲經濟性已經成了一種通病。

不過,我國的高溫氣冷堆技術還有一點并不滿足四代反應堆要求,即出口溫度,四代反應堆的出口溫度要求在1000攝氏度以上,而我國的高溫氣冷堆設計的出口溫度是950度,但這并非一個關鍵問題,當初這個“1000度”的標準,主要是考慮到四代反應堆能夠用于制氫,不算關鍵技術標準。在山東石島灣建設的高溫氣冷堆商用示范堆中,其業主華能集團和清華大學,在宣傳時,也是精確地使用“世界首臺具備第四代核能系統安全特性的商用核電機組”來描述這兩臺60萬千瓦的高溫氣冷堆機組。

在中國快速推進高溫氣冷堆商用的時候,日美等國也在拼命研究氣冷堆技術,但是他們的項目囿于資金,尤其是政治上的阻礙,推進一直不順利。目前,我國在山東石島灣建造的60萬千瓦高溫氣冷堆機組正在建設中,我國已經開始領跑第四代核電技術。

氣冷堆這個技術,怎么說呢,就像一本藏于山洞中的絕世武功,有的國家覺得練了容易走火入魔,避而遠之,有的國家練著練著,覺得平淡無奇,束之高閣,有的國家迫于民眾壓力,只能偷偷摸摸的練,只有中國,不只是練了,還將其完善并發揚光大。

當氣冷堆遇到中國,應該算是氣冷堆技術的幸運,因為新技術快速發展需要滿足三個要素,即國家對新技術求知若渴,國家有一大批聰明好學的學者,國家對新技術發展的強力支持,當今世界,唯有中國最符合這個標準,所以,高溫氣冷堆在中國發展起來,并不奇怪。

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