“昌平200号”孵出第四代核电站

来源:北京晚报 2016-3-31 张航


  3月20日中午12时许,山东荣成石岛湾,在两台千吨级吊车共同努力下,一个直径约6米,高20多米的巨型“易拉罐”经历了离地50米、水平移动近百米后,稳稳地在一个水泥壳里“入座”。今后的日子,这个“易拉罐”里装的不是饮料,而是货真价实的核反应堆及相关设备。当天,全球首座模块式高温气冷堆示范工程的首台主设备压力容器吊装到位。

  记者采访了解到,高温气冷堆示范工程由清华大学核能与新能源技术研究院主持设计。清华的技术研究前后长达三十多年,参与科研人员近千人。使用该反应堆的石岛湾核电站将成为我国首座第四代核电站,采用氦气循环冷却技术、具有“固有安全”特性,使得该核电站的安全性、发电效率大大提升。

缘起:

30年前着眼“固有安全” 当年学生成领军人

  采访不可避免地提及了五年前发生的日本福岛核电站泄漏事故。清华核研院副院长董玉杰说,福岛核电站当时引发全世界关注,一个重要原因是电力中断迟迟无法对核燃料堆芯进行有效冷却,堆芯一旦融化突破外壳,就会带来灾难性事故。

  董玉杰说,核电站发展至今投用了三代技术,每一代的安全性都大大进步。作为第二代的福岛核电站采用能动设施进行冷却、换热;第三代核电站则通过自然水冷等技术实现“非能动”换热,告别动力依赖,我国目前新修建的三门、海阳核电站都属于第三代。

  董玉杰说,早在上世纪80年代,科学界就开始讨论更先进的“固有安全”技术,即在严重事故下,丧失冷却剂等所有冷却能力的情况下,不采取任何人为和机器的干预,反应堆能保持安全状态。在经历了美国三里岛核电站事故和前苏联切尔诺贝利核电站事故后,“固有安全”的重要性更加凸显,清华的科研人员长期致力于这项研究,对准了高温气冷堆技术,当时的学术带头人就是后来的清华大学校长、中科院院士王大中。

  历经几代人的努力,如今高温气冷堆示范电站已进入设备安装阶段,王大中院士已经80岁高龄,他当年的学生张作义已经成为清华核研院院长、高温气冷堆核电站示范工程国家重大专项的总设计师。

研发:

“200号”建起 模拟“核电站”

  在昌平南口燕山脚下,有一座普通院子,这里孕育着世界上最先进的核技术。这座“年龄”超过半个世纪的院子被清华师生称为“200号”。高温气冷实验堆就在这里诞生。

  1986年,清华高温气冷堆研究被列入国家高技术“863”计划。1992年,国务院批复同意在“200号”建造我国第一座10兆瓦高温气冷实验堆。“这是一座实验反应堆,但技术要求以及安全性完全是奔着实际应用去的,要求非常严格。”董玉杰对记者说,实验堆1995年动工建设,2003年实现满功率并网发电,“2015年还运行了100天,非常可靠。” 一兆瓦的电功率就意味着每小时可以发电一千度。

  研究从实验堆走向了建设商用“示范堆”,2006年,高温气冷堆核电站示范工程被列入《国家中长期科学技术发展规划纲要(2006-2020年)》。首座模块式高温气冷堆商用示范电站选址在山东荣成石岛湾。

  “任何一项核能技术在投入应用前,都经历了长期研究反复验证。”董玉杰告诉记者,为了确保高温气冷堆核电站示范工程的顺利建设、投产,清华在“200号”专门建设了一座先进反应堆工程实验室,这几乎就是一座“核电站”——除了没有核反应堆。记者专程探访了这座104米长、35米宽、25米高的厂房,里面从主氦风机到蒸汽发生器、从反应堆控制设备到燃料装卸系统,全部按照真实的核电站制作了1:1工程样机进行验证。

安装:

8小时吊装 570吨“易拉罐”

  3月20日,在荣成石岛湾完成吊装的是该示范工程首台反应堆的压力容器。在核研院研究员张征明看来,这标志着整个示范工程从建设进入了设备安装阶段,具有关键里程碑的意义。作为压力容器的设计团队负责人,张征明和其他科研人员付出了艰辛的努力。

  “设计压力容器经历了方案论证、初步设计、订货等多个阶段,最艰苦的就是设计阶段。”张征明说,高温气冷堆在国际上都属于尖端前沿技术,国内核电站多采用的是传统的压水堆,因此没有任何经验可供借鉴。“普通压水堆压力容器直径约3.8米,高约12米,我们的压力容器内径5.7米,高约22.5米,对设计提出了极高要求。”他说。

  张征明带领科研团队反复研究,设计容器图纸。一套图纸装册约400张,从A0尺寸到A4尺寸,叠起来厚度相当于两本《辞海》。他说,结合材料采购和制造工艺的实际情况,设计图纸经历了大量变更,累计起来超过了一千张。

  设备吊装前,核研院的科研人员经常是早上赶第一班飞机到荣成,解决问题后当晚又坐夜班机回学校的实验室,“高铁没办法满足我们这种清早走、夜里回的节奏,只能靠飞机,再晕机的人也能给治愈了。”董玉杰笑道。

  3月20日凌晨4点,位于石岛湾的吊装现场,一台3200吨和一台1000吨的超级巨无霸吊车就位。在指挥员的协调中,自重达570吨的压力容器缓缓离地,然后水平移动。整整8个小时过后,这个巨型“易拉罐”被准确吊装进入核电站的设备厂房。当天的石岛湾晴空万里,能见度很高,“天公作美,给足了我们面子。”张征明笑着说。

应用:

氦气带热量来发电 余热传大气保安全

  董玉杰说,高温气冷堆在石岛湾的示范工程包括两个反应堆模块、一套发电机组,装机容量共20万千瓦,根据规划,电站将力争2017年并网发电。虽然功率不及我国已经投入使用多年的秦山核电站和大亚湾核电站,但作为第四代核电技术在国内的首次应用,意义深远。国际核能界也高度关注这个项目的进展,国际高温气冷堆技术会议就在这里召开,来自20个国家的科学家见证了中国领先的高温气冷堆技术。

  记者了解到,高温气冷堆采用了氦气作为回路冷却剂,当反应堆运行时,氦气将核反应产生的热量带出堆芯,进入蒸汽发生器产生过热蒸汽,推动汽轮发电机发电。冷却后的氦气由主氦风机升压后送回堆芯进行下一次循环。

  此外,750度氦气出口温度在提高电站发电效率的同时,还可以支持多种工业应用,例如为炼油、化工、稠油热采等领域提供高参数蒸汽。未来850至1000度的出口氦气可用于高温水裂解制氢,为开辟核能新的应用领域创造了条件。

  安全性方面,在石岛湾的示范工程采用非能动的余热排出系统,把余热从堆芯传递给位于反应堆舱室的水冷壁,通过水的自然循环,把热量带到空气冷却器,与空气进行换热,从而使热量扩散到大气环境中,“如果从纯技术层面考虑,即使发生了事故,不采取任何人为和机器的干预,反应堆仍然能保持安全状态,并将剩余热量安全排出。”董玉杰说。

关于核安全:

最保守的技术 最严格的措施 保障核安全

  五年前发生的福岛核安全事故一度让不少人谈“核”色变。到底核电是否安全?董玉杰说,从技术层面来说,核电目前依然是全世界安全系数最高的发电方式之一。

  他说,科学家对核电应用一直持最保守的技术和最严格的措施,即使以现在最先进的第四代核电技术为例,从理论研究到现在的示范应用,也经历了三十多年的科研攻关;最严格的措施方面,我国所有的核电站都有一套非常严格的监管措施,以石岛湾核电站为例,核燃料安装、核电站生产必须处于层层监管之下,各种预案制定到位。

  他直言,人类生产生活无法彻底杜绝意外和事故。只要风险足够低,人们便可以接受。“就好比民航飞机,虽然偶有空难发生,但这并不影响人们将其作为最安全高效的交通方式使用。”在目前大气治污的背景下,核电的经济效益和环境效益突出,一套20万千瓦的核电机组,一年只需要消耗核燃料两吨,如果换成同等功率的火电厂,每天消耗的燃煤就得上千吨,排放大量二氧化硫、烟尘。

编辑:苑苑

 

2016年03月31日 15:36:32  清华新闻网

更多 ›图说清华

最新更新