全球首座具備四代核安全特性的氣冷堆明年發電，安全嗎？
出品：科普中國
製作：寒木釣萌
監製：中國科學院計算機網路信息中心
要了解高溫氣冷堆到底有多安全，咱們先來看看其運行機制。
上圖黑色的小圓柱體為壓水堆的核燃料芯塊，它們一節一節地被裝入燃料棒中。而高溫氣冷堆的核燃料卻是這樣的：
圖為高溫氣冷堆的球形燃料元件，每一個都如網球般大小。
中國山東榮成的石島灣高溫氣冷堆預計2018年併網發電，圖為工作人員正在檢查球形燃料元件。
球形燃料元件看上去傻大黑粗的樣子，但其實它很精密，因為它不止是一個球，它裡面還包含著1.2萬個「小球」。
直徑60毫米的球形燃料元件包含1.2萬個「小球」。
而內部密密麻麻的每一個「小球」也具有精密的結構，如下：
「小球」直徑1毫米，內部的二氧化鈾核芯直徑0.5毫米。
以上，就是高溫氣冷堆使用的燃料元件，它們放入反應堆時大概是這個樣子。
接下來，咱們再看看它是怎麼運作的。
如上圖，上萬個球形燃料元件在反應堆容器裡面進行反應，熱量由透明的氦氣帶走，通過熱交換，高達750攝氏度的高溫氦氣將自身熱量傳遞給二迴路中的水。此圖為了簡明，少畫了一個鼓風機，顯然，只有鼓風機高速運轉，才能讓氦氣高速通過堆芯並帶走熱量。
高溫氣冷堆的頂部是加料口，底部有卸料口，這意味著，即使核電站還在運行，換料時也無須停堆。
實際上，高溫氣冷堆中，其燃料元件並不是用一次就完事，而是一兩年內多次循環使用，10次左右，直到經過檢測，燃料不能再用為止。
固有安全性
就像一架戰鬥機，它必須滿足隱身、超音速巡航等重要條件後才能稱之為第五代戰鬥機一樣。第四代反應堆也具有很多特徵，而其中的一個重要特徵是安全性進一步提高。
從這一點上來說，高溫氣冷堆是滿足的，因為它的安全不是依靠人的掌控，而是依賴於一種物理現象。
1987年，10兆瓦高溫氣冷實驗堆的建設被列入國家「863」計劃。1995年，由清華大學核能與新能源技術研究院建造，2003年1月實現滿功率運行。
2004年的時候，中國10兆瓦高溫氣冷堆向60多位國際原子能專家進行了核安全展示。
這次展示是這樣的：在反應堆正常運行時突然切斷電源，也就是說，鼓吹氦氣的鼓風機停轉，冷卻系統被關閉，同時，也沒有人為地插入控制棒，結果，反應堆自己停了下來，事後也沒有發生堆芯熔毀、燃料元件燒毀等事故。
山東石島灣20萬千瓦高溫氣冷堆，其技術是依據之前的10兆瓦高溫氣冷實驗堆進一步提升發展而來，所以它也將具有這種固有安全性。
現在，讓我們來看看，高溫氣冷堆的這種高安全性是怎麼來的。
反應堆中，參與裂變的是鈾235，而鈾238雖然會吸收中子，但它不會參與裂變。神奇的是，如果反應堆溫度升高，則鈾235吸收中子的能力就會減弱，但鈾238吸收中子的能力卻會增強，這是一種物理現象，叫做「多普勒展寬」。
根據多普勒展寬，高溫氣冷堆中如果失去冷卻，那麼顯然，堆內溫度將升高，可高到一定程度時，因為鈾235吸收中子能力減弱，同時鈾238又吸引了過多中子，結果就是，沒有足夠的中子，裂變就玩不下去了。而堆內的球形燃料元件即使經受1650℃的高溫時也不會破損。
到這裡，有人會質疑：又不是只有高溫氣冷堆中有鈾235和鈾238，其他種類的反應堆中也是大把大把的呀。如果氣冷堆具有這種固有安全性，那麼其他堆也將具有！
確實如此，在一般的傳統反應堆中，同樣也具有「多普勒展寬」效應，但由於傳統反應堆的核燃料密度較高，所以這種現象不佔主導作用。
而高溫氣冷堆由於燃料密度較低，故「多普勒展寬」效應才能發揮決定性的作用。
這也是為什麼，高溫氣冷堆的功率通常較小的原因之一，比如石島灣這個是20萬千瓦，而下一個正在規劃的也才60萬千瓦。目前，高溫氣冷堆的缺點是經濟性還有待考驗，不過，未來如果採取模塊化設計和建造，則經濟性將會進一步增強。
幾大優點
與其他堆型相比具有這麼幾個優點。
反應堆的出口溫度高達750～950℃，技術進一步提升同時安全性能得到保證時，出口溫度甚至可提升到1000～1200℃。如此高的出口溫度，這讓高溫氣冷堆除了發電以外，它還可以直接應用于于鍊鋼、制氫、煤的液化或氣化等工業生產中。
中國工程院院士鄭健超表示：高溫氣冷堆是安全性很高的反應堆，而它最具吸引力的應用前景是規模製氫。
同時，由於出口溫度高，它的發電效率可達40％以上，是目前效率最高的核反應堆。
圖為山東石島灣核電廠，反應堆壓力容器吊裝過程。
根據華能集團網站上的信息顯示，英國石油公司、美國杜克能源、新加坡淡馬錫等公司曾探討使用中國高溫氣冷堆的事宜。而美國橡樹嶺國立實驗室發表的報告則認為，中國高溫氣冷堆一旦成功，將有可能佔據發展中國家相當一部分市場份額。
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