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10兆瓦高温气冷实验反应堆:推启先进核能技术应用之门

新闻中心记者 张莞昀

  在人眼无法观察到的世界,一种微小的物质拥有着巨大的能量。核能源,它予人威慑,也为人类创造幸福,其差别就在于人类对它的控制。

  2007年初,由清华大学研制的“10兆瓦高温气冷试验反应堆”获得了国家科技进步一等奖,其技术应用——我国“高温气冷堆核电示范工程”已列为国家中长期科学和技术发展规划中的重大专项,并由中国华能集团公司、中国核工业建设集团公司和清华大学共同合作建造。

  远见:坚持更安全的核能技术

  在位于北京昌平区的清华大学核能与新能源技术研究院(以下简称核研院),耸立着三座反应堆:上世纪60年代建成的“屏蔽试验反应堆”、80年代建成的“5兆瓦低温核供热实验反应堆”和世纪末建成的“10兆瓦高温气冷实验反应堆”。

  其中,10兆瓦高温气冷实验反应堆是核研院人攻坚的一个代表。

  近年来,随着油价的不断攀升、气候环境问题的日益困扰,以及由石油引发的种种国际关系变动,保障国家能源安全成为各国制定能源战略和政策的首要目标,能源的多元化是保障国家能源安全的重要基础,核能将在我国优化能源结构和多元化的能源发展战略中发挥重要的作用。核能是一种能大规模替代化石能源的清洁能源,使用时既不产生二氧化硫、粉尘等污染物,也不产生二氧化碳温室气体。而且,铀资源在国际上被认为是一种准国内资源,是保障国家能源安全的有效途径。因为核发电成本中天然铀采购费只占极小的比重,天然铀运输和贮存都很方便,贮存的基础设施的费用和贮存管理费也很低,在国际市场有利的情况下还可以大量购进天然铀,用于战略储备,以应付突发事件。因此,发展核能是我国能源可持续发展的必然选择,我国政府已提出了“积极发展核能” 的方针。

  国际核能经历了美国三哩岛核事故和前苏联切尔诺贝利核事故的打击而停滞发展,但能源紧张和环境恶化又呼唤着先进反应堆。1981年,德国科学家提出了“模块式高温气冷堆”的概念。这种反应堆用氦气做冷却剂,采用全陶瓷型的燃料元件,出现事故不会对公众造成伤害;它采用氦气循环发电,比传统蒸汽循环发电效率提高了5~7个百分点;而反应堆中氦气高达700~950摄氏度的温度,是一种优质热源,可用于水热裂解制氢,为未来氢能时代提供清洁能源,并可进行煤的气化和液化等。这是一种具有重大创新性的新一代先进反应堆。

  1981年,在西德于利希核研究中心做访问学者的清华大学核能专家王大中,提出了双区球床堆的新概念——环形堆芯模块式高温气冷堆,他的研究成果《一种在严重事故下具有安全自稳定性的球床核反应堆》,在誉为“球床高温堆之父”的苏尔登教授的积极推荐下,获得德国发明专利,并同时获得美国和日本专利。西德报纸报道这项成果说:中国人实现了一个奇迹。

  清华大学核研院的研究人员认识到核能的安全性和经济性是影响未来核能的关键性因素,模块式高温气冷堆是国际上公认的安全性优异、有发展前景的先进堆型。1986年,我国“863”高技术计划开始实施,清华大学核研院的研究人员抓住这个机遇,在王大中教授的带领和积极推动下,瞄准世界核能发展的前沿,经过三年多的论证和预演,10兆瓦高温气冷实验反应堆项目获得国务院的批准,开始实施。

  创新:用中国的技术建设中国的反应堆

  1987年,高温气冷堆被列入国家“863”计划,经过四年的努力,核研院的工程技术人员完成了全部43项子课题的研究,其中15项达到了国际水平、27项达到了国内先进水平。1992年3月,国务院批准在清华大学核研院建造一座热功率为10兆瓦的高温气冷实验反应堆。

  虽然有建设屏蔽试验反应堆和低温核供热实验反应堆的经验,但建设高温气冷实验反应堆依然存在着相当多未知的技术。为了建设这座核反应堆,核研院人付出了汗水、辛劳、假日,甚至是生命:佟允宪教授、郭人俊教授都在建堆过程中积劳成疾,离我们而去。但所有的付出都是为了这座实验反应堆的建设,所有的付出都是为了中国能够拥有自己的先进核能技术。

  在高温气冷实验反应堆的建设过程中,核研院的技术人员曾面临着这样的选择:高温气冷实验反应堆的部分技术和元件都可以在德国和俄罗斯引进,这样既不会有种种辛劳与痛苦,也可以更早地实现堆的运行,但引进永远只能慢半拍地跟在其他国家后面亦步亦趋。

  为了实现技术的自主化,核研院的技术人员开始了艰苦的创新历程。

  “10兆瓦高温气冷实验反应堆”采用的是“球床”设计,因此关键技术之一就是燃料“球”的生产。这些微小的核燃料“球”弥漫在石墨中组成燃料元件。这种元件是保证高温堆具有优异安全性的最核心技术。

  制作“球”(全称为“包覆颗粒”)要先把核燃料制成直径0.5毫米的核芯,再在其外面包上四层包覆层,每层只有几十微米厚,而且要严格控制每层的厚度、密度和各向同心性,最后制成的球形颗粒直径只有0.9毫米。八千个这样的小颗粒均匀弥散在直径5厘米的石墨基体里,再在其外部围上一层厚5毫米的石墨球壳,才能制成直径6厘米的球形燃料元件。制造工序达36道,半成品、成品检验的性能指标34项,包覆颗粒制造不合格率要求小于万分之一,只要有一项性能不合格,这批产品就不能出厂。

  为了研制这样一个小“球”,核研院花了十几年的心血。从实验室研究到生产规模试验,从小规模的工艺试验到建立规范化的工艺流程,从经受辐照考验到正式批量生产,最后超额生产出两万多个球形燃料元件产品,整个生产流程全部采用我国自主研发的全凝胶法、化学气相沉积法、准等静压法等制备工艺,包覆燃料颗粒的不合格率达到十万分之五以下,产品质量达到最先进的德国后期制造水平,其指标可满足商用核电站的要求。

  “球”制作后,如何在反应堆不停堆、无放射性的条件下维护反应堆,成为另一个重要问题。10兆瓦高温气冷实验反应堆采取了一种新的球形燃料元件输送形式,利用脉冲气流让燃料元件从卸料管中一个一个地排出。就好像用风给一个个“球”向下的外力,使其逐个滚落,不用停止反应堆就可以拆卸维修。而为了让小“球”顺利下落,燃料元件装卸系统研制课题组研制了十多年,先后建立了颇具规模的冷实验和热实验两个台架,冷实验做了十几万次,热实验又运行了几万个球。专家在这套系统的鉴定中这样写道:“该装置是世界上第一套用脉冲气动方法实现从卸料管球床中单列化排出燃料元件的装置,在结构设计上有创新,在技术上有突破,居世界领先水平。”

  为了确保安全性,10兆瓦高温气冷实验反应堆的设计还采用了全数字化技术进行控制。1989年,负责该系统研制的杨自觉教授提出:高温气冷堆的保护系统应该采用数字化技术,在控制室内随时把反应堆各个系统的状态和参数以及整个过程变化显示出来。但当时平板显示器、触摸屏、局域网等设备和技术在国外刚刚起步,国内不仅没有见过,甚至没有听说过。然而,从接受任务到成功应用,杨自觉教授课题组用了11年时间,终于研制成功这套全新的反应堆全数字化控制保护系统,并把它用在了10兆瓦高温气冷实验反应堆上。这项技术不仅填补了国内的空白,而且达到了世界先进水平。谈到这段艰辛历程,杨自觉情不自禁地说:“搞反应堆数字化保护系统,最大的困难是要突破传统的观念,不突破传统观念就没有创新,可要真正实现创新,决非一日之功。”

  “决非一日之功”是对“数字系统”的总结,也是对整个高温气冷实验反应堆建设的总结。

  在实验反应堆的建设过程中,很多部分的研制都经历了五年、十年甚至更长的建设实践,勇气、毅力、对目标的执著再一次在这种团队作战中发挥了它的灵魂作用。

  “十年磨一剑。高温气冷堆的建设,是核研院一项有组织、有目标的攻关项目。”10兆瓦高温气冷实验反应堆负责人之一、清华大学教授吴宗鑫说,“在研制过程中,我们在国际合作的基础上加强了基础集成,在很多领域进行了攻坚。在大家的共同努力下,我们终于在核问题的核心技术领域抢占了一席之地。”  

  安全运行:迎来核反应堆应用的春天

  2000年12月,10兆瓦高温气冷实验反应堆达到临界,也意味着高温气冷实验反应堆正式建成。时任教育部副部长周远清在庆祝大会上讲话,认为这一项目充分显示出了高等学校在解决国民经济和社会发展重大问题上的科技创新能力。

  2003年1月,10兆瓦高温气冷实验反应堆——这座世界上第一座模块式球床高温气冷反应堆——实现了72小时连续满功率运行,其后又完成了“全场断电试验”、“主氦风机停机失冷试验”、“甩负荷试验”三项安全性能试验,成功地实现了事故后反应堆衰变热的非动能载出。核反应堆与常规电厂锅炉不同,在停堆之后还会继续产生热量,这三项试验充分保证了高温气冷堆剩余热量利用自然规律被冷却,不发生堆芯熔化、放射性外泄的事故,已经足以应对核安全技术中最大的挑战。在当年5月的政府工作报告中,“10兆瓦高温气冷反应堆试验工程建成”被列为“我国在相关领域跨入世界先进行列”的标志之一。

  2004年,在来自30多个国家的60余位国际原子能专家的注视下,高温气冷实验反应堆实现了“不插入控制棒下反应堆丧失冷却”的核安全试验演示。著名核能专家、原国际原子能机构副总干事钱积惠说:“它在任何时候都不会出现切尔诺贝利核事故那样对公众和环境造成危害的严重情况。”

  如今,10兆瓦高温气冷实验反应堆已经进入应用阶段,清华大学核研院研究人员的目标是到2013年建成一座电功率20万千瓦的高温气冷示范电站,让高温气冷堆的产业化正式融入我国工业的发展。

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2007-02-27]
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