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气冷堆:从被抛弃到成为四代核反应堆技术

浏览:935 时间:2017-10-16

人们刚开始研究反应堆时,对于冷却剂的选用,人们首先想到的是气体,比如二氧化碳。

这简直是一个天才的想法!

石墨慢化的堆芯,加上数台功率强劲的鼓风机,就能轻松构成了一座反应堆。电动鼓风机结构远比现在压水堆主泵简单,气冷的堆芯也从来不用担心核泄漏,更不用担心冷却剂泄漏。在极端情况下,只要对着堆芯吹风,堆芯就不存在熔毁的风险,安全性比现在流行的压水和沸水反应堆不知道到高哪去了。

英国,法国,德国在早期研制商用反应堆时,都义无反顾的选择了气冷堆的技术路线。英国更是领先一步,建造了人类历史上第一座商用气冷堆,过气的日不落帝国再次向世界展现了其瘦死骆驼比马大的实力。

英国是研究早期气冷堆最积极的国家,在技术还未成熟时,英国就急不可耐地在国内建造了数十座气冷堆核电站,同时还向世界出口。当十年后这些早期气冷堆的缺点显露出来的时候,英国既坑了自己,也坑了其他国家,比如日本。

法国人刚开始也想搞气冷堆,经过法国浪漫的科学家门的不屑努力,法国在60年代初也建成了自己的气冷堆,就在科学家们准备庆祝的时候,他们尴尬的发现,这座气冷堆发的电,还不够反应堆的主风机的消耗。法国人创造了工程的奇迹,建成了人类历史上第一座耗电比发电多的核电机组。

当时,鼓风机技术不成熟,耗电巨大,气冷堆的堆芯设计还处于起步阶段,堆芯巨大,燃料密度低,不适合提高单机功率,经济性差,加上气冷堆的其他缺陷,气冷堆这种看似天才的技术方案,渐渐被水冷堆取代。看到英法这两个打头阵的难兄难弟牺牲在了气冷堆技术路线上,世界其他国家开始转而发展压水堆,将气冷堆作为备用技术扔在了一边。

然而,气冷堆还是时不时被核电科学家们想起来。科学家们认为,只要解决鼓风机的问题和堆芯设计问题,就解决了气冷堆的可靠性和经济性问题,这样,气冷堆依然是一种极有前途的反应堆技术。

上世纪70年代,气冷堆开始成为实验室内未来反应堆研究的重点堆型。德国创造性的设计了球床反应堆,美日设计了菱形反应堆,这两种堆型很快便成为了气冷堆研究最主要的两种堆型。

上世纪70年代初,我国开始研究快堆技术。与很多人想象的不一样,我国快堆研究初期,对于快堆的冷却剂,科学家们首先想到的并不是现在的液态钠,而是气体,比如惰性气体氦气。

我国的重大科研项目都有个特点,总结来说就是“零基础研究XX,从入门到精通”。快堆研究更是如此,当时我国没有快堆技术,技术的渣都没有,科学家将快堆研究分为了数十个子课题,反应堆气冷技术也是这众多课题中的一个。这个课题完全靠自己研究是不现实的,只有放眼世界,看看哪国技术好,就去取点经再说。

此时,正是德国气冷堆技术研究处于低谷的时期。德国虽然首创了球床式气冷堆,但是在工程上,气冷堆研究却出了一大堆问题,如1973年,AVR气冷堆的放射性氚泄漏突然增加,1976年,因堆芯温度不稳定,局部温度过高,导致整个一回路被放射性物质污染,1978年蒸汽发生器又发生了泄漏……德国的试验气冷堆上出的事,几乎颠覆了德国人严谨认真的形象,在德国这个反核势力最强大的国家,这些事情发生后,气冷堆等于在德国已经走到了末路。

1979年,德国“气冷堆之父”苏尔登博士受邀来清华大学做学术演讲,他惊讶的发生中国竟然还有这样一群热爱气冷堆技术的学者,这让他颇为欣慰。苏尔登博士将德国的气冷堆技术几乎是倾囊相授,不仅向清华大学的气冷堆技术研究科学家们介绍了气冷堆的基础知识,还将德国研究气冷堆的经验教训,设计,建造的主要知识都教给了这些中国学者。考虑到气冷堆技术在德国的前途,苏尔登博士向中国学者传授气冷堆技术的场景,颇似金轮法王求着教郭襄龙象波若功的情景。

尔后,苏尔登博士又邀请清华大学的核科学家们去德国学习气冷堆技术。以王大中为代表的我国核科学家们,开始赴德国学习气冷堆技术。

在80年代,核电界对气冷堆有着两种截然不同的看法。

支持派认为,气冷堆具有天然的安全性和经济性,在安全性上,当气冷堆的堆芯温度上升到一定程度时(约1600摄氏度),反应堆会因温度升高和自动停堆,这样就避免出现普通压水堆事故时无法停堆而熔毁的情况。在经济性上,气冷堆的这种固有安全性,让反应堆不需要安装普通压水堆类似的专设安全系统,大大节约了反应堆的建造成本,而这种安全系统的巨额成本,恰恰是导致现在的三代核电站成本飙升的重要因素。

反对派认为,气冷堆就和核聚变一样,就是一个看起来很美丽的气泡而已。理想很丰满,现实很骨感。英法早期气冷堆的失败就不多说了,在当时建造的新型气冷堆中,堆芯局部温度难以控制,燃料难以处理,以及反应堆风机设计难度大等原因,都在一次次证明气冷堆并不是那么好实现的。

王大中到了德国后,并没有过多的思考上述问题,或者说,作为一个实干家,他并不屑于考虑上述的问题。德国当时的气冷堆技术并不成熟,甚至还不如后来南非搞得好,王大中从1981年1月到德国学习气冷堆技术,到1982年10月取得博士学位回国,在不到两年的时间内,做了一百多个方案,去研究气冷堆的相关技术问题,实现了球床气冷堆功率从20万千瓦到50万千瓦的飞跃。

王大中设计的大功率安全自稳定性球床气冷反应堆,让苏尔登博士激动地热泪盈眶,经苏尔登博士推荐,王大中设计的这种反应堆,在美英法日意苏等研究气冷堆的主要国家进行了专利登记。这实际上标志着我国气冷堆技术已经处于了国际领先地位。

王大中回国后,成为我国高温气冷堆研究的核心人物。1986年,在“863”计划中,我国将快堆,高温气冷堆和聚变堆作为“863”能源计划研究的三种先进反应堆技术路线。1986年,那时中国人才刚刚解决了温饱问题,而国家的能源战略,已经规划到了百年(气冷堆)甚至千年(聚变堆)以后,我国领导层的战略眼光可见一斑。

好的开始就是成功的一半,当王大中回国后,我国气冷堆的发展就进入了“从入门到精通的过程”。

上世纪80年代中期,回国不久的王大中利用游泳池屏蔽试验反应堆进行低温核供热试验,让核反应堆除了发电,还能给工厂甚至居民区供热,开辟了核反应堆应用新功能。1995年6月,我国首台高温气冷堆机组开始动工建设,并在2000年顺利装料,并在当年年底实现了首次临界。

这座10MW的气冷堆和我们熟悉的普通反应堆完全不一样,它没有主泵,只有主鼓风机,他的堆芯没有水,只有惰性气体氦气,他的堆芯也没有一组一组整齐摆放的核燃料组建,只有一个个类似高尔夫球一样的燃料球(这正是球床反应堆得名的原因)。同时,这座反应堆也没有复杂的安全系统,甚至都没有安全系统,因为在严重事故工况下的固有安全稳定性,让它并不需要安全保护系统。而且,这座反应堆还是一座内陆反应堆(我国的很多实验堆都建造内地)。


                                                   球床式高温气冷堆的燃料球

这座试验堆的成功建设,标志着我国高温气冷堆从理论上赶超世界,变成了实际上的赶超世界。我国已经掌握了高温气冷堆的技术,稍作技术完善,便可实现商用。

2002年,世界国际论坛确定了六中堆型作为第四代核反应堆的技术路线,其中之一便是高温气冷堆。第四代核反应堆技术在强调安全性的同时,也强调经济性,而不像现在的第三代反应堆技术,片面强调安全性而牺牲经济性已经成了一种通病。

不过,我国的高温气冷堆技术还有一点并不满足四代反应堆要求,即出口温度,四代反应堆的出口温度要求在1000摄氏度以上,而我国的高温气冷堆设计的出口温度是950度,但这并非一个关键问题,当初这个“1000度”的标准,主要是考虑到四代反应堆能够用于制氢,不算关键技术标准。在山东石岛湾建设的高温气冷堆商用示范堆中,其业主华能集团和清华大学,在宣传时,也是精确地使用“世界首台具备第四代核能系统安全特性的商用核电机组”来描述这两台60万千瓦的高温气冷堆机组。

在中国快速推进高温气冷堆商用的时候,日美等国也在拼命研究气冷堆技术,但是他们的项目囿于资金,尤其是政治上的阻碍,推进一直不顺利。目前,我国在山东石岛湾建造的60万千瓦高温气冷堆机组正在建设中,我国已经开始领跑第四代核电技术。

气冷堆这个技术,怎么说呢,就像一本藏于山洞中的绝世武功,有的国家觉得练了容易走火入魔,避而远之,有的国家练着练着,觉得平淡无奇,束之高阁,有的国家迫于民众压力,只能偷偷摸摸的练,只有中国,不只是练了,还将其完善并发扬光大。

当气冷堆遇到中国,应该算是气冷堆技术的幸运,因为新技术快速发展需要满足三个要素,即国家对新技术求知若渴,国家有一大批聪明好学的学者,国家对新技术发展的强力支持,当今世界,唯有中国最符合这个标准,所以,高温气冷堆在中国发展起来,并不奇怪。

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