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山东半岛最东端，威海荣成，三面环海。南端的沙滩海岸之上，我国具有完全自主知识产权的国家科技重大专项——华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程正平稳地运行着。
这是全球首座第四代核电站，也被称为“不会熔毁的核反应堆”。三个月前，这个具有里程碑意义的示范工程正式投入商业运行，也标志着我国在第四代核电技术研发和应用领域达到世界领先水平。
第四代核电技术有什么特点?什么是高温气冷堆，为什么说它“天生安全”?我国科技工作者如何勇闯“无人区”，在无样板可依、无经验可循的工程建设及调试运行中破冰前行?近日，记者采访了华能山东石岛湾核电有限公司有关负责同志，去探寻高温气冷堆的奥秘。
上图：石岛湾高温气冷堆核电站示范工程核岛第一罐混凝土浇筑。
下图：耐高温的球形燃料元件内部构造示意图。
1、层层设“防”，确保核电站固有安全
据国际原子能机构动力堆信息系统发布的数据显示，截至1月31日，全球核能发电量占总发电量的比重约为10%，占全球清洁能源发电量的三分之一左右。
说起核电站，“安全”无疑是大家最为关注的话题。这是核能发展的生命线，也是各国科学家们着力攻克的世界级难题。
上世纪50年代，美国著名科学家泰勒就提出，“要使公众接受核能，反应堆安全必须是‘固有的’。”也就是说，在严重事故条件下，不用人为和机器干预，核电站的核心——反应堆堆芯不会熔毁，放射性物质不会外泄。这是核能安全的最高目标。
如今，这一构想在我国变成了现实，并成功投入商运，即石岛湾高温气冷堆核电站示范工程。
记者了解到，经过70年不断探索，核电技术发展到今天，大致可分为四代。目前在运主力堆型使用的多是第三代核电技术，而高温气冷堆则是以更高安全性能为主要特点的四代核电堆型之一。
业内人士介绍，目前全球在研的四代核电主要包括高温气冷堆、超临界水堆、气冷快堆、铅冷快堆、钠冷快堆、熔盐堆6种堆型。其中，高温气冷堆也被认为是“不会熔毁的反应堆”。
何为高温气冷堆?所谓“高温”，指的是堆内核燃料和其他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至1000摄氏度。所谓“气冷”则是区别于“水冷”，通过气体进行堆芯冷却和热传导。
华能山东石岛湾核电有限公司运行部运行二值值长李洪磊用“四不怕”来概括石岛湾高温气冷堆核电站的突出特点，即不怕没有电、不怕没有水、不怕没有气、不怕没有人，也就是说，即使在突发故障或遭遇自然灾害，一切操作系统都失灵的情况下，反应堆仍然可以依靠自然规律自己趋向安全。
这体现的正是高温气冷堆的“固有安全性”。
“要实现核能安全，必须确保三大要素。”李洪磊进一步解释说，一是核裂变反应的有效控制，二是及时导出停堆以后堆芯的余热，三是牢牢地把放射性物质包容起来，“如果反应堆不靠外部动力、冷却剂等，就能确保核反应不失控、反应堆不熔毁、放射性不泄漏，那就是‘天生安全’的。反之，这三个要素中的任何一个要素未能满足，极端情况下都可能会造成核事故、核污染。”
为确保高温气冷堆的“固有安全性”，我国科研人员可谓是层层设“防”。
第一道防线，耐高温的球形燃料元件。拳头般大小、直径约6厘米的黑色圆球看起来并不起眼，却“内涵丰富”。它最外面一层是厚约5毫米的石墨，里面包裹着约1.2万颗小米粒一样的燃料颗粒，每颗“小米粒”直径不足1毫米，最内层的核燃料由四层耐高温的“盔甲”层层包裹着。
“这种燃料球属于弥散型核燃料，在反应堆任何事故下均能保证包覆燃料颗粒的完整性不受影响，可有效防止放射性物质外泄。”李洪磊告诉记者。
第二道防线，燃料循环过程中具有负反应性温度系数。简单来说，就是当温度达到设定阈值时，反应堆会进行负反应性反馈，借助这一特性和较大的温升裕度实现自然停堆，使核裂变反应得到有效控制。
第三道防线，非能动的余热排出系统。堆芯余热能够借助热传导、自然对流换热和热辐射等自然机制的非能动方式，将热量释放到大气环境中，避免堆芯过热发生熔毁。
除此之外，还使用了具有良好导热和载热性能、不会与石墨发生化学反应的冷却剂——氦气，采取了不停堆便可实现连续装卸燃料的创新设计……
层层防线之下，我国在全世界首次于商业规模核电站上实现“固有安全”。
图为示范工程首台反应堆压力容器吊装就位。
2、协同创新，勇闯核电技术“无人区”
实现“固有安全”极为不易，这是一场持续了数十年的长跑。
我国老一辈核能人王大中早在上世纪80年代就带领团队将研究目标指向反应堆“固有安全”，2000年建成了10兆瓦高温气冷实验堆。2006年，高温气冷堆核电站被列为国家科技重大专项。
从实验堆到商用堆，不是简单的线性放大，自主研发难度极大。中国华能履行业主责任，集中产业链上下游优势资源，联合清华大学、中核集团等积极开展关键技术攻关和核心设备研制。
从2012年示范工程浇筑第一罐混凝土，到2020年全面进入调试阶段，再到如今商运投产，我国科研工作者和建设者勇闯“无人区”，逢山开路、遇水架桥，走出一条自主设计、自主建造、自主调试、自主运营的协同创新之路。
“关键核心技术完全属于中国。”提及此，华能山东石岛湾核电有限公司有关负责人十分自豪地告诉记者，产业链上下游500多家企业、单位、科研院所联合攻关，突破了一个又一个工程技术难关。
他如数家珍般列出了这样一组数据：国产化率高达93.4%;约5万张图纸、10万页文件，1.5万余件技术含量高、安全设计要求也高的核岛设备等，都具有完全自主知识产权;全厂1.5万余台(套)设备中，超2200台首台(套)设备，其中660台(套)则是全球首创;高温气冷堆标准体系和知识产权保护体系也在这里一步步搭建。
蒸汽发生器在业内被称为“核电之肺”。作为高温气冷堆核电系统中的关键设备之一，其作用是将核反应堆产生热量“加热”的水转换成接近600摄氏度的水蒸气，从而推动汽轮发电机组发电。
全新设计、全新材料、全新工艺……多方协同创新，十年磨一剑，将2461张设计图纸铸造成一个“大国重器”：高温气冷堆的蒸汽发生器采用螺旋管换热结构，换热效率更高、结构布置更紧凑，高精密换热管对接焊工艺等18项重大工艺技术均为国内首创，达到国际先进水平。
设计难，建造难，调试运行也难。2020年7月，历经8年建设后，石岛湾高温气冷堆核电站示范工程全面进入调试阶段。
由于核电技术的特殊性，核电站的调试工作有着近乎苛刻的要求，业内形象地把它比喻为机组安全的“探雷”“排雷”行动。尤其是这个全球首堆工程，调试人员要面对2000多个首台(套)设备，毫无经验可循，难度可想而知。
据调试工程师介绍，调试工作中，反复试验是常态。记者了解到，为了做好每项调试工作，调试人员会准备很长时间，做出好几套预案，并进行反复演练。“可能试验的时间就几分钟，试验成功与否很快就有答案，但为了找到设备的最优参数，我们必须这么不厌其烦地进行一遍又一遍的试验、推演。”
大体积双模块化反应堆回路强度密封及升温技术，低功率密度特点反应堆的固有安全性能验证技术，反应堆持续装卸料多点联动控制技术……对于高级操纵员李洪磊来说，高温气冷堆特有的调试运行六大关键核心技术早已耳熟能详，但他仍在不断接受着再培训。
2月27日上午，李洪磊来到石岛湾高温气冷堆核电站示范工程主控室，观摩其他值进行氦净化系统启停工作。这是其专题学习中的其中一项内容。
类似这样的专题学习，对于核电站操纵员来说，每40多天就要进行一次。“高温气冷堆的操纵运行无现成经验可循，再培训是我们实现技能保持、学习先进运行方式的重要渠道。”李洪磊告诉记者，专业的技术能力、严格的程序执行，也是反应堆安全运行的强力支撑，“人人都是一道安全屏障，人人都是最后一道安全屏障。”
3、一举多得，高温气冷堆不止于高效发电
石岛湾高温气冷堆核电站示范工程装机容量20万千瓦，据估算，每年发电量约14亿度，可为200万户居民提供生活用电，预计每年可减少二氧化碳排放量90万吨。
发电效率高是石岛湾高温气冷堆核电站示范工程的一个显著特点。据介绍，与第三代压水堆相比，高温气冷堆的发电效率约高出10%，并且排放到环境中的热量相对较少。
不过，高温气冷堆的功能不止于高效发电，还能用于热电联产、稠油热采、高温制氢、化工冶金等领域，形成无污染、无排放的能源链。
这些应用均源于其高温特性。“主要是高温气冷堆产生的高温工作介质，比如高温氦气、高温蒸汽等，这些可以作为高温工艺热源。”华能山东石岛湾核电有限公司运行部运行二值隔离经理李培良告诉记者，示范工程氦气出口平均温度可达750摄氏度，产生566摄氏度的过热蒸汽，通过技术改进可以提供高达1000摄氏度的高温工艺热和高参数工业蒸汽。
目前，石岛湾高温气冷堆核电站示范工程产生的高温蒸汽已实现向核电站施工区和生活区供热，向示范工程所在宁津街道市政换热站供热工作正在调试准备中。
“高温气冷堆蒸汽发生器产生的主蒸汽，送至常规岛厂房内的汽轮机高压缸，蒸汽做功后抽汽至常规岛厂房内的管壳式换热机组，换热机组将蒸汽热量传递至水侧产生高温水，高温水分别供至核电厂自用换热站和宁津街道的市政换热站，换热站的相对低温水再供热至用户。”李培良进一步解释了高温蒸汽供热原理，他告诉记者，几天前，他们刚发出许可，对换热机组蒸汽侧压力监测表进行了调试更换，“大到一个机组，小到一个仪表盘、一个螺丝钉，都要确保没有问题。”
据华能山东石岛湾核电有限公司工程管理部副主任李杰介绍，依托示范工程对宁津街道有关区域供热项目启动后，与燃煤锅炉集中供热相比，预计每年可节约标煤约8900吨，可减排二氧化碳约2.2万吨。
综合利用，一举多得。依托示范工程，石岛湾公司目前已启动开展高温制氢相关课题研究。
下一步，中国华能将依托示范工程的建造与运行，继续深入挖掘经验成果，形成一整套技术标准与产业链，持续改进球床式高温气冷堆，将高温气冷堆做大做强，持续探索拓宽核能的多用途综合利用，为助力国家加快实现“双碳”目标做出积极贡献。
