“昌平200號”孵出第四代核電站
來源：北京晚報 2016-3-31 張航
3月20日中午12時許，山東榮成石島灣，在兩臺千噸級吊車共同努力下，一個直徑約6米，高20多米的巨型“易拉罐”經(jīng)歷了離地50米、水平移動近百米后，穩(wěn)穩(wěn)地在一個水泥殼里“入座”。今后的日子，這個“易拉罐”里裝的不是飲料，而是貨真價實的核反應堆及相關設備。當天，全球首座模塊式高溫氣冷堆示范工程的首臺主設備壓力容器吊裝到位。
記者采訪了解到，高溫氣冷堆示范工程由清華大學核能與新能源技術研究院主持設計。清華的技術研究前后長達三十多年，參與科研人員近千人。使用該反應堆的石島灣核電站將成為我國首座第四代核電站，采用氦氣循環(huán)冷卻技術、具有“固有安全”特性，使得該核電站的安全性、發(fā)電效率大大提升。
緣起：
30年前著眼“固有安全” 當年學生成領軍人
采訪不可避免地提及了五年前發(fā)生的日本福島核電站泄漏事故。清華核研院副院長董玉杰說，福島核電站當時引發(fā)全世界關注，一個重要原因是電力中斷遲遲無法對核燃料堆芯進行有效冷卻，堆芯一旦融化突破外殼，就會帶來災難性事故。
董玉杰說，核電站發(fā)展至今投用了三代技術，每一代的安全性都大大進步。作為第二代的福島核電站采用能動設施進行冷卻、換熱；第三代核電站則通過自然水冷等技術實現(xiàn)“非能動”換熱，告別動力依賴，我國目前新修建的三門、海陽核電站都屬于第三代。
董玉杰說，早在上世紀80年代，科學界就開始討論更先進的“固有安全”技術，即在嚴重事故下，喪失冷卻劑等所有冷卻能力的情況下，不采取任何人為和機器的干預，反應堆能保持安全狀態(tài)。在經(jīng)歷了美國三里島核電站事故和前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故后，“固有安全”的重要性更加凸顯，清華的科研人員長期致力于這項研究，對準了高溫氣冷堆技術，當時的學術帶頭人就是后來的清華大學校長、中科院院士王大中。
歷經(jīng)幾代人的努力，如今高溫氣冷堆示范電站已進入設備安裝階段，王大中院士已經(jīng)80歲高齡，他當年的學生張作義已經(jīng)成為清華核研院院長、高溫氣冷堆核電站示范工程國家重大專項的總設計師。
研發(fā)：
“200號”建起 模擬“核電站”
在昌平南口燕山腳下，有一座普通院子，這里孕育著世界上最先進的核技術。這座“年齡”超過半個世紀的院子被清華師生稱為“200號”。高溫氣冷實驗堆就在這里誕生。
1986年，清華高溫氣冷堆研究被列入國家高技術“863”計劃。1992年，國務院批復同意在“200號”建造我國第一座10兆瓦高溫氣冷實驗堆。“這是一座實驗反應堆，但技術要求以及安全性完全是奔著實際應用去的，要求非常嚴格。”董玉杰對記者說，實驗堆1995年動工建設，2003年實現(xiàn)滿功率并網(wǎng)發(fā)電，“2015年還運行了100天，非常可靠。” 一兆瓦的電功率就意味著每小時可以發(fā)電一千度。
研究從實驗堆走向了建設商用“示范堆”，2006年，高溫氣冷堆核電站示范工程被列入《國家中長期科學技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》。首座模塊式高溫氣冷堆商用示范電站選址在山東榮成石島灣。
“任何一項核能技術在投入應用前，都經(jīng)歷了長期研究反復驗證。”董玉杰告訴記者，為了確保高溫氣冷堆核電站示范工程的順利建設、投產(chǎn)，清華在“200號”專門建設了一座先進反應堆工程實驗室，這幾乎就是一座“核電站”——除了沒有核反應堆。記者專程探訪了這座104米長、35米寬、25米高的廠房，里面從主氦風機到蒸汽發(fā)生器、從反應堆控制設備到燃料裝卸系統(tǒng)，全部按照真實的核電站制作了1：1工程樣機進行驗證。
安裝：
8小時吊裝 570噸“易拉罐”
3月20日，在榮成石島灣完成吊裝的是該示范工程首臺反應堆的壓力容器。在核研院研究員張征明看來，這標志著整個示范工程從建設進入了設備安裝階段，具有關鍵里程碑的意義。作為壓力容器的設計團隊負責人，張征明和其他科研人員付出了艱辛的努力。
“設計壓力容器經(jīng)歷了方案論證、初步設計、訂貨等多個階段，最艱苦的就是設計階段。”張征明說，高溫氣冷堆在國際上都屬于尖端前沿技術，國內核電站多采用的是傳統(tǒng)的壓水堆，因此沒有任何經(jīng)驗可供借鑒。“普通壓水堆壓力容器直徑約3.8米，高約12米，我們的壓力容器內徑5.7米，高約22.5米，對設計提出了極高要求。”他說。
張征明帶領科研團隊反復研究，設計容器圖紙。一套圖紙裝冊約400張，從A0尺寸到A4尺寸，疊起來厚度相當于兩本《辭海》。他說，結合材料采購和制造工藝的實際情況，設計圖紙經(jīng)歷了大量變更，累計起來超過了一千張。
設備吊裝前，核研院的科研人員經(jīng)常是早上趕第一班飛機到榮成，解決問題后當晚又坐夜班機回學校的實驗室，“高鐵沒辦法滿足我們這種清早走、夜里回的節(jié)奏，只能靠飛機，再暈機的人也能給治愈了。”董玉杰笑道。
3月20日凌晨4點，位于石島灣的吊裝現(xiàn)場，一臺3200噸和一臺1000噸的超級巨無霸吊車就位。在指揮員的協(xié)調中，自重達570噸的壓力容器緩緩離地，然后水平移動。整整8個小時過后，這個巨型“易拉罐”被準確吊裝進入核電站的設備廠房。當天的石島灣晴空萬里，能見度很高，“天公作美，給足了我們面子。”張征明笑著說。
應用：
氦氣帶熱量來發(fā)電 余熱傳大氣保安全
董玉杰說，高溫氣冷堆在石島灣的示范工程包括兩個反應堆模塊、一套發(fā)電機組，裝機容量共20萬千瓦，根據(jù)規(guī)劃，電站將力爭2017年并網(wǎng)發(fā)電。雖然功率不及我國已經(jīng)投入使用多年的秦山核電站和大亞灣核電站，但作為第四代核電技術在國內的首次應用，意義深遠。國際核能界也高度關注這個項目的進展，國際高溫氣冷堆技術會議就在這里召開，來自20個國家的科學家見證了中國領先的高溫氣冷堆技術。
記者了解到，高溫氣冷堆采用了氦氣作為回路冷卻劑，當反應堆運行時，氦氣將核反應產(chǎn)生的熱量帶出堆芯，進入蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生過熱蒸汽，推動汽輪發(fā)電機發(fā)電。冷卻后的氦氣由主氦風機升壓后送回堆芯進行下一次循環(huán)。
此外，750度氦氣出口溫度在提高電站發(fā)電效率的同時，還可以支持多種工業(yè)應用，例如為煉油、化工、稠油熱采等領域提供高參數(shù)蒸汽。未來850至1000度的出口氦氣可用于高溫水裂解制氫，為開辟核能新的應用領域創(chuàng)造了條件。
安全性方面，在石島灣的示范工程采用非能動的余熱排出系統(tǒng)，把余熱從堆芯傳遞給位于反應堆艙室的水冷壁，通過水的自然循環(huán)，把熱量帶到空氣冷卻器，與空氣進行換熱，從而使熱量擴散到大氣環(huán)境中，“如果從純技術層面考慮，即使發(fā)生了事故，不采取任何人為和機器的干預，反應堆仍然能保持安全狀態(tài)，并將剩余熱量安全排出。”董玉杰說。
關于核安全：
最保守的技術 最嚴格的措施 保障核安全
五年前發(fā)生的福島核安全事故一度讓不少人談“核”色變。到底核電是否安全？董玉杰說，從技術層面來說，核電目前依然是全世界安全系數(shù)最高的發(fā)電方式之一。
他說，科學家對核電應用一直持最保守的技術和最嚴格的措施，即使以現(xiàn)在最先進的第四代核電技術為例，從理論研究到現(xiàn)在的示范應用，也經(jīng)歷了三十多年的科研攻關；最嚴格的措施方面，我國所有的核電站都有一套非常嚴格的監(jiān)管措施，以石島灣核電站為例，核燃料安裝、核電站生產(chǎn)必須處于層層監(jiān)管之下，各種預案制定到位。
他直言，人類生產(chǎn)生活無法徹底杜絕意外和事故。只要風險足夠低，人們便可以接受。“就好比民航飛機，雖然偶有空難發(fā)生，但這并不影響人們將其作為最安全高效的交通方式使用。”在目前大氣治污的背景下，核電的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益突出，一套20萬千瓦的核電機組，一年只需要消耗核燃料兩噸，如果換成同等功率的火電廠，每天消耗的燃煤就得上千噸，排放大量二氧化硫、煙塵。
編輯：苑苑
