無標(biāo)題文檔10兆瓦高溫氣冷實驗堆：“一個真實的神話”
○特約記者 李大慶
2005年6月，一個越洋長途電話打到了清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院（下稱核研院）。美國《紐約時報》記者向核研院院長張作義了解10兆瓦高溫氣冷實驗堆的建設(shè)和運行情況，并就未來核電站的發(fā)展問題進(jìn)行了采訪。這個引起美國媒體關(guān)注的試驗堆就是國家“863計劃”項目：10兆瓦高溫氣冷實驗堆氦氣透平發(fā)電項目。
可能有不少人覺得，一個中國的科研項目被外國記者采訪并不是什么新鮮事。但核研院的高溫氣冷堆被美國媒體關(guān)注卻有其特殊的意義。首先，美國核專家認(rèn)為清華的高溫氣冷堆發(fā)電裝置是目前世界上最安全的核電裝置，美國人稱“這種安全的反應(yīng)堆是一個真實的神話”；其次，在石油、天然氣日益緊缺的今天，用氫做燃料被科學(xué)家們普遍看好，只不過制氫所需要的巨大能量使其成本太高，而清華的高溫氣冷堆能以很低的成本提供相對巨大的能量，從而大幅度降低制氫的成本。僅此兩點就不難理解為什么美國人對這個中國的“863計劃”項目如此關(guān)心了。可實現(xiàn)商業(yè)化運行的第四代核能系統(tǒng)。
模塊化高溫氣冷核反應(yīng)堆是一種安全性好、可用于高效發(fā)電和高溫供熱的先進(jìn)核反應(yīng)堆，它是國際核能領(lǐng)域第四代核能系統(tǒng)中六種備選堆型之一，并且是唯一可在2020年前實現(xiàn)商業(yè)化運行的第四代核能系統(tǒng)。核研院建成了世界上第一個模塊化高溫氣冷堆實驗電站，在這一高科技領(lǐng)域，我國已經(jīng)走在了世界前列。
核研院承擔(dān)的10兆瓦高溫氣冷實驗堆是國家“863計劃”能源領(lǐng)域重點攻關(guān)項目之一。其研究目標(biāo)是：掌握模塊化高溫氣冷堆的設(shè)計和建造技術(shù)并積累運行經(jīng)驗；進(jìn)行模塊化高溫氣冷堆固有安全特性的實驗研究；開展蒸汽透平循環(huán)發(fā)電、氦氣透平直接循環(huán)發(fā)電研究；進(jìn)行高溫工藝熱應(yīng)用研究。
10兆瓦高溫氣冷實驗堆項目計劃分兩個階段進(jìn)行：“高溫氣冷堆蒸汽透平發(fā)電系統(tǒng)”（一期工程），“高溫氣冷堆氦氣透平發(fā)電系統(tǒng)”（二期工程）。
一期工程達(dá)到滿功率運行并網(wǎng)發(fā)電
10兆瓦高溫氣冷實驗堆項目的“一期工程”于1992年被“863計劃”正式立項，1995年動工建造，2000年12月達(dá)到首次臨界，反應(yīng)堆設(shè)計熱功率10兆瓦。一期工程采用具有兩個熱力循環(huán)回路的蒸汽透平發(fā)電系統(tǒng)：一回路為氦氣循環(huán)，二回路為水/水蒸氣循環(huán)，兩個循環(huán)回路由蒸汽發(fā)生器耦合在一起。一回路氦氣循環(huán)包括反應(yīng)堆堆芯、熱氣導(dǎo)管、蒸汽發(fā)生器、氦風(fēng)機(jī)等部件；核燃料的裂變能被石墨慢化劑轉(zhuǎn)化為熱能，循環(huán)冷卻劑氦氣將熱能載出反應(yīng)堆，經(jīng)過熱氣導(dǎo)管流向蒸汽發(fā)生器，氦氣通過蒸汽發(fā)生器將熱能傳輸給二回路中的水/水蒸氣，經(jīng)過氦風(fēng)機(jī)提供循環(huán)動力，流入反應(yīng)堆堆芯繼續(xù)循環(huán)；反應(yīng)標(biāo)明中文堆堆芯入口氦氣溫度為250℃，出口氦氣溫度為700℃，循環(huán)壓力為3.0 兆帕（MPa標(biāo)明中文）。二回路水/水蒸氣循環(huán)包括蒸汽透平、蒸汽冷凝器、循環(huán)水泵、蒸汽發(fā)生器等部件；流經(jīng)蒸汽發(fā)生器的水吸收氦氣側(cè)傳遞的熱量被蒸發(fā)，進(jìn)入蒸汽透平膨脹做功帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，從蒸汽透平出來的乏蒸汽被冷凝器凝結(jié)為水，經(jīng)過循環(huán)水泵加壓，進(jìn)入蒸汽發(fā)生器進(jìn)行循環(huán)；二回路設(shè)計壓力為3.45 兆帕（MPa **）、透平入口蒸汽溫度為435℃，發(fā)電機(jī)功率約為2.5 兆瓦（MWe標(biāo)明中文）。
一期工程于2003年1月達(dá)到滿功率運行并網(wǎng)發(fā)電。這是世界上第一座模塊化高溫氣冷堆實驗電站，它的建成引起國內(nèi)外核能領(lǐng)域強(qiáng)烈反響：國內(nèi)，該項目在十屆人大政府工作報告中被列為四項重大科技成就之一，并獲2004年度教育部科技進(jìn)步一等獎；國際上，包括國際原子能機(jī)構(gòu)、美國能源部及其它多國能源管理當(dāng)局在內(nèi)的國際核能領(lǐng)域官員和專家絡(luò)繹不絕地到我國參觀10兆瓦高溫氣冷實驗堆。鑒于我國在模塊化高溫氣冷堆方面取得的成就，國際上包括美國通用原子能公司、俄羅斯OKBM研究院、韓國原子能研究院、南非Eskom公司等多家國際核能領(lǐng)域研究機(jī)構(gòu)和能源公司主動提出與核研院合作進(jìn)行高溫氣冷堆電站的研究與開發(fā)。
二期工程已取得階段性成果
在10兆瓦高溫氣冷實驗堆一期工程蒸汽透平發(fā)電系統(tǒng)實驗電站設(shè)計建造并成功運行的基礎(chǔ)上，國家繼續(xù)對高溫氣冷堆技術(shù)的研究與發(fā)展給予支持。核研院適時提出10兆瓦高溫氣冷實驗堆后續(xù)研究項目（二期工程）：高溫氣冷堆氦氣透平發(fā)電系統(tǒng)，被批準(zhǔn)作為“十五”期間能源領(lǐng)域重點攻關(guān)項目納入“863計劃”，并于2003年與科技部簽訂“863計劃”課題任務(wù)合同書。該項目包括兩大研究領(lǐng)域：1、10兆瓦高溫氣冷實驗堆運行考驗和固有安全實驗；2、10兆瓦高溫氣冷堆直接氦氣循環(huán)發(fā)電裝置。
在10兆瓦高溫氣冷實驗堆一期工程蒸汽透平發(fā)電系統(tǒng)滿功率運行并網(wǎng)發(fā)電的基礎(chǔ)上，核研院完成了一系列運行特性研究和固有安全性驗證實驗：包括15項運行特性研究和8項固有安全特性驗證實驗。
2004年9月30日上午10點08分32秒。清華大學(xué)核研院。來自30多個國家的60多名核能專家和國際原子能機(jī)構(gòu)的官員紛紛屏住呼吸，靜靜地察看著10兆瓦高溫氣冷實驗堆開始的核安全演示。工作人員通過操作讓核反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)風(fēng)機(jī)停止工作，立刻反應(yīng)堆向外傳輸熱量的能力喪失了。要知道，核反應(yīng)堆在停堆之后還會繼續(xù)產(chǎn)生熱量，而不是像鍋爐熄火后便不再產(chǎn)生熱量。這個熱如果不加以冷卻，反應(yīng)堆就可能發(fā)生堆芯熔化、放射性外泄的嚴(yán)重事故，這也是核安全的最主要的技術(shù)挑戰(zhàn)。循環(huán)風(fēng)機(jī)剛一停止工作，報警聲便剌耳地響起，中外賓客瞪大眼睛盯住顯示屏上的變化，只見正常運行的曲線急劇下降，反應(yīng)堆的熱功率由3000多千瓦降為幾百千瓦，最后反應(yīng)堆發(fā)熱維持在正常運行時的1.5%左右。這表明熱量通過反應(yīng)堆壓力殼的表面自動散發(fā)到周圍環(huán)境中，而不需要任何附加的冷卻系統(tǒng)。
核研院的這一實驗展示了模塊式高溫氣冷堆的一個最重要特性：在任何事故情況下，包括喪失所有冷卻的情況下，不采取任何人為的和機(jī)器的干預(yù)，反應(yīng)堆能保持安全狀態(tài)。我國已經(jīng)掌握核電站的最新一代技術(shù)。
美國麻省理工學(xué)院教授、美國核學(xué)會前任主席克達(dá)克先生對清華核研院的這一安全演示給予極高的評價：中國這個滿功率運行的球床模塊式實驗反應(yīng)堆是目前世界上唯一的一座，它的技術(shù)及安全水平已走在了世界的前列，美國希望從這個實驗堆中學(xué)到更多的東西。
10兆瓦高溫氣冷堆直接氦氣循環(huán)發(fā)電裝置是世界上第一個將模塊化高溫氣冷堆與氣體透平直接循環(huán)相結(jié)合的試驗裝置。經(jīng)過兩年多的努力，項目在幾個關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)取得重大突破和進(jìn)展：
1）完成能量轉(zhuǎn)換單元熱力循環(huán)方案優(yōu)化；2）攻克了氦氣透平壓氣機(jī)組技術(shù)難關(guān)；3）破解了電磁軸承技術(shù)難題；4）解決了立式工作潤滑油密封和變工作壓力油站供油兩個氦氣氛圍立式高速齒輪減速器的技術(shù)難題。
高溫氣冷堆氦氣透平直接循環(huán)發(fā)電是高溫堆發(fā)展的方向，它的技術(shù)特點是：系統(tǒng)簡單，只有一個熱力回路；發(fā)電效率高，商用堆的發(fā)電效率可達(dá)47%左右，加上模塊式高溫堆的固有安全性特點，使之成為非常有競爭力的新堆型。但它也存在著一系列的技術(shù)難點和挑戰(zhàn)，例如：氦氣輪機(jī)與反應(yīng)堆耦合技術(shù)、氦氣透平的研制、高效緊湊式換熱器的研制、電磁軸承系統(tǒng)研制、高壓動力貫穿件等，都是各所屬學(xué)術(shù)領(lǐng)域前沿課題。許多國家投入相當(dāng)?shù)娜肆ξ锪M(jìn)行研究開發(fā)，但都停留在研究設(shè)計階段，只有我國的“10兆瓦高溫氣冷實驗堆氦氣透平發(fā)電系統(tǒng)”項目順利進(jìn)入實施階段。清華大學(xué)核研院有能力、有信心按期建成世界上第一座模塊化高溫氣冷堆氦氣透平發(fā)電系統(tǒng)實驗電站，保持我國在這一高技術(shù)領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平，在國際能源領(lǐng)域新一輪競爭中搶占制高點，早日實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為我國核能事業(yè)作出重大貢獻(xiàn)。
