科普时报记者 张英贤

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。

图为华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程。中核能源科技有限公司供图

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，被称为堆芯。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，当其温度一旦超过了某种限度，也是会熔化的。这也就是所谓的“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，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。