为我国摘下世界第一的高温气冷堆，是怎样的“大国重器”？

12月6日，具有完全自主知识产权的国家重大科技专项标志性成果、全球首座第四代核电站——山东荣成华能石岛湾高温气冷堆核电站商业示范工程，圆满完成168小时连续运行考验，正式投入商业运行。

这标志着我国在第四代核电技术领域达到世界领先水平，中国打开了第四代核能系统技术从实验堆迈向商用市场的大门。

石岛湾高温气冷堆核电站示范工程外景。图源：清华大学

核能发电是个好东西，但自从1979年发生美国三里岛事故，到1986年的苏联切尔诺贝利事故，尤其是2011年日本福岛事故后，全球各国对于核电安全深感担忧。

因此，各国在发展第四代核电站时均把保证绝对安全当做第一要务，而高温气冷堆在安全性方面不遑多让。

高温气冷堆究竟是怎样的“大国重器”？它对于解决核电安全问题有何“绝招”？什么是第四代核电站？核电将怎样改变我国发电格局？潮新闻带你一文看懂。

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不外泄、不失控、不熔毁

这座反应堆“天生”安全

什么是高温气冷堆？“高温”是指反应堆堆芯采用石墨等耐高温材料，使得堆芯出口温度远远超越其他堆型，让它不仅能高效发电，还能利用高温实现供热，一举多得。

“气冷”指反应堆采用惰性气体氦气进行堆芯冷却和热传导，而非传统压水堆的“水冷”。氦气在高温下不容易与反应堆其他物质发生反应。

安全性是核能发展的生命线。被称作“不会熔毁的反应堆”的高温气冷堆，从设计原理阶段就实现了“天生”的固有安全性，即“固有安全反应堆”。

据高温气冷堆核电站重大专项总设计师、清华大学核能与新能源技术研究院院长张作义透露，在任何事故和自然灾害条件下、在丧失所有冷却能力的情况下，不依靠人为干预，该反应堆按自然规律能够自然冷却，不会出现堆芯熔毁和放射性物质外泄，始终保持安全状态。

怎么能做到固有安全性？高温气冷堆有以下两大法宝。

法宝之一，是四层耐高温“盔甲”。

高温气冷堆里有许多拳头大小的黑色圆球，这就是燃料球。“它最外面一层是石墨，里面有大概这样12000个燃料颗粒，每个颗粒里都有用于发生核裂变、释放能量的核燃料。” 示范工程调试人员王锐说，“与其他燃料不同，这里的核燃料被四层耐高温的陶瓷‘盔甲’层层包裹，可有效防止放射性物质外泄。”

法宝之二，核电站由“搭积木”而成。

据悉，示范工程采用模块化设计制造，由两座模块化反应堆组合而成，每个模块都是一座可独立运行的小反应堆，能随时连续地装卸核燃料。

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迈入“无人区”闯过重重关卡

已建立起自主知识产权体系

据华能山东石岛湾核电公司总经理张延旭介绍，核电站由中国华能牵头，联合清华大学、中核集团共同建设，于2006年被列入国家科技重大专项，2012年12月开工，2021年12月首次并网发电，此次是在稳定电功率水平上正式投产转入商业运行。

建设过程中，该项目集中产业链上下游优势资源，联合开展关键技术攻关和核心设备研制，攻克了一批世界级关键技术，研制出2200多套首台套设备，设备国产化率达93.4%。

从2020年7月全面进入调试阶段到今天正式投产，在机组调试运行上闯过重重关卡，迈进世界核电技术的“无人区”。核电站调试相当于给机组“排雷”，对于拥有2200多个首台套设备的高温气冷堆示范工程来说，毫无经验可循，难度极大。

在石岛湾核电站，这里拥有世界上最大、最重的核电压力容器，用来包裹堆芯和氦气的大金属罐，氦气分子小、易泄漏，因此调试的首要任务是验证压力容器的密封性。“这是罕见的大体积、高气压试验，潜在风险高，我们要对压力容器上100多个可能漏气的风险点开展监测，同时控制温度，避免设备损坏。”王锐说。

经过近30个月的调试，工程人员累计完成700多项调试试验，研发了针对高温气冷堆特有的调试运行六大关键核心技术，成功验证了高温气冷堆的固有安全性和持续运行能力。

同时，还培养了一批具备高温气冷堆建设和运维管理经验的专业人才队伍，形成一套可复制、可推广的标准化管理体系，并建立起以专利、技术标准、软件著作权为核心的自主知识产权体系。

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四代核电遭遇福岛事故而步入寒冬

中国后发先至拔得头筹

1999年，美国能源部首次提出第四代核电站的倡议，并于2000年1月组织巴西、加拿大、法国、日本等九国就开发第四代核电的国际合作问题进行讨论。六个月后，这九国成立了第四代核能系统国际论坛（GIF）。

根据GIF的定义，第四代核能系统必须具有四个重要特征：核能的可持续利用——通过对核燃料的有效利用，实现核废物量的最少化；经济性——发电成本优于其他能源；安全与可靠性——大幅降低堆芯损伤的概率及程度，并具有快速恢复反应堆运行的能力等；防扩散与实物保护——保证难以用于核武器或被盗窃。

国际上，四代堆型中，以下六种被公认最具发展潜力——钠冷快堆、铅冷快堆因技术相对成熟而受各国青睐，还包括气冷快堆、超临界水堆、高温气冷堆和熔盐堆。

然而在福岛核事故以后，曾经轰轰烈烈的四代核电研发高潮逐步走入了寒冬。

2015年，采用钠冷快堆技术的俄罗斯BN-1200反应堆被无限期叫停。

2019年8月，位于法国的欧洲第一座四代核电示范堆的ASTRID钠冷快堆项目宣布搁浅。

采用铅冷快堆方案的法国ALFRED、欧盟ELSY以及俄罗斯的BREST-300三大项目，进度均落后于搁浅的ASTRID项目，前景遥遥无期。

近年以来，中国在四代核电领域的研发领域的进展尤其引人瞩目。2007年中国成为了GIF的成员国之一，并于2008年10月和2009年3月分别加入高温气冷堆和钠冷快堆两个系统安排。

2014年12月，中国首座钠冷快中子反应堆——中国实验快堆首次达到100％功率。

今年6月，甘肃武威的液态燃料钍基熔盐试验堆获得运行许可证。

今天，在一开始并不是最显眼的高温气冷堆领域，中国获得世界级突破，率先投入商业运行。

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高温气冷堆或将助力实现海水淡化

2030年前我国在运核电规模有望世界领先

对于中国未来核能产业而言，高温气冷堆有望打开巨大的想象空间。

据悉，在高温气冷堆的后续推广中，可建设20万、40万、60万、80万、100万千瓦等系列装机容量的核电机组以适应不同地区用户的需求，高温气冷堆技术有望开启千亿级产业。

“当前核电海水淡化已为多个核电厂厂用水提供保障，正在探索商业化核电海水淡化项目。”中国核能行业协会专家委员会特邀顾问、国家电投原董事长王炳华介绍，“江苏、广东、贵州等多个省份也在规划和布局高温气冷堆、小堆开展综合利用。”

根据4月26日中国核能行业协会发布的《中国核能发展报告2023》蓝皮书，我国在建核电机组24台，总装机容量2681万千瓦，继续保持全球第一；商运核电机组54台，总装机容量5682万千瓦，位列全球第三。中国已形成每年10台/套左右的百万千瓦级压水堆主设备制造能力，自主三代核电综合国产化率达到90%以上，具备同时建造40余台核电机组的工程施工能力。

蓝皮书显示，预计2030年前，我国在运核电装机规模有望达到世界领先，预计到2035年，我国核能发电量在总发电量的占比将达到10%，支撑我国能源结构低碳转型发展。

（参考资料来源：央视新闻、新华社、国家能源局官网、中核集团等）