無(wú)標(biāo)題文檔10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆：“一個(gè)真實(shí)的神話(huà)”
○特約記者 李大慶
2005年6月，一個(gè)越洋長(zhǎng)途電話(huà)打到了清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院（下稱(chēng)核研院）。美國(guó)《紐約時(shí)報(bào)》記者向核研院院長(zhǎng)張作義了解10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆的建設(shè)和運(yùn)行情況，并就未來(lái)核電站的發(fā)展問(wèn)題進(jìn)行了采訪(fǎng)。這個(gè)引起美國(guó)媒體關(guān)注的試驗(yàn)堆就是國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目：10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆氦氣透平發(fā)電項(xiàng)目。
可能有不少人覺(jué)得，一個(gè)中國(guó)的科研項(xiàng)目被外國(guó)記者采訪(fǎng)并不是什么新鮮事。但核研院的高溫氣冷堆被美國(guó)媒體關(guān)注卻有其特殊的意義。首先，美國(guó)核專(zhuān)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(guó)人稱(chēng)“這種安全的反應(yīng)堆是一個(gè)真實(shí)的神話(huà)”；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(guò)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(duì)巨大的能量，從而大幅度降低制氫的成本。僅此兩點(diǎn)就不難理解為什么美國(guó)人對(duì)這個(gè)中國(guó)的“863計(jì)劃”項(xiàng)目如此關(guān)心了?？蓪?shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)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(guó)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的第四代核能系統(tǒng)。核研院建成了世界上第一個(gè)模塊化高溫氣冷堆實(shí)驗(yàn)電站，在這一高科技領(lǐng)域，我國(guó)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(shí)驗(yàn)堆是國(guó)家“863計(jì)劃”能源領(lǐng)域重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目之一。其研究目標(biāo)是：掌握模塊化高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)并積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)；進(jìn)行模塊化高溫氣冷堆固有安全特性的實(shí)驗(yàn)研究；開(kāi)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(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目計(jì)劃分兩個(gè)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(mǎn)功率運(yùn)行并網(wǎng)發(fā)電
10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目的“一期工程”于1992年被“863計(jì)劃”正式立項(xiàng)，1995年動(dòng)工建造，2000年12月達(dá)到首次臨界，反應(yīng)堆設(shè)計(jì)熱功率10兆瓦。一期工程采用具有兩個(gè)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(gè)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(guò)熱氣導(dǎo)管流向蒸汽發(fā)生器，氦氣通過(guò)蒸汽發(fā)生器將熱能傳輸給二回路中的水/水蒸氣，經(jīng)過(guò)氦風(fēng)機(jī)提供循環(huán)動(dòng)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(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從蒸汽透平出來(lái)的乏蒸汽被冷凝器凝結(jié)為水，經(jīng)過(guò)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(jì)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(mǎn)功率運(yùn)行并網(wǎng)發(fā)電。這是世界上第一座模塊化高溫氣冷堆實(shí)驗(yàn)電站，它的建成引起國(guó)內(nèi)外核能領(lǐng)域強(qiáng)烈反響：國(guó)內(nèi)，該項(xiàng)目在十屆人大政府工作報(bào)告中被列為四項(xiàng)重大科技成就之一，并獲2004年度教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)；國(guó)際上，包括國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)、美國(guó)能源部及其它多國(guó)能源管理當(dāng)局在內(nèi)的國(guó)際核能領(lǐng)域官員和專(zhuān)家絡(luò)繹不絕地到我國(guó)參觀(guān)10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆。鑒于我國(guó)在模塊化高溫氣冷堆方面取得的成就，國(guó)際上包括美國(guó)通用原子能公司、俄羅斯OKBM研究院、韓國(guó)原子能研究院、南非Eskom公司等多家國(guó)際核能領(lǐng)域研究機(jī)構(gòu)和能源公司主動(dòng)提出與核研院合作進(jìn)行高溫氣冷堆電站的研究與開(kāi)發(fā)。
二期工程已取得階段性成果
在10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆一期工程蒸汽透平發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電站設(shè)計(jì)建造并成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上，國(guó)家繼續(xù)對(duì)高溫氣冷堆技術(shù)的研究與發(fā)展給予支持。核研院適時(shí)提出10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆后續(xù)研究項(xiàng)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(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目納入“863計(jì)劃”，并于2003年與科技部簽訂“863計(jì)劃”課題任務(wù)合同書(shū)。該項(xiàng)目包括兩大研究領(lǐng)域：1、10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆運(yùn)行考驗(yàn)和固有安全實(shí)驗(yàn)；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(shí)驗(yàn)堆一期工程蒸汽透平發(fā)電系統(tǒng)滿(mǎn)功率運(yùn)行并網(wǎng)發(fā)電的基礎(chǔ)上，核研院完成了一系列運(yùn)行特性研究和固有安全性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：包括15項(xiàng)運(yùn)行特性研究和8項(xiàng)固有安全特性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
2004年9月30日上午10點(diǎn)08分32秒。清華大學(xué)核研院。來(lái)自30多個(gè)國(guó)家的60多名核能專(zhuān)家和國(guó)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(shí)驗(yàn)堆開(kāi)始的核安全演示。工作人員通過(guò)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(huì)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(gè)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(bào)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(jiàn)正常運(yùn)行的曲線(xiàn)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(yùn)行時(shí)的1.5%左右。這表明熱量通過(guò)反應(yīng)堆壓力殼的表面自動(dòng)散發(fā)到周?chē)h(huán)境中，而不需要任何附加的冷卻系統(tǒng)。
核研院的這一實(shí)驗(yàn)展示了模塊式高溫氣冷堆的一個(gè)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(guó)已經(jīng)掌握核電站的最新一代技術(shù)。
美國(guó)麻省理工學(xué)院教授、美國(guó)核學(xué)會(huì)前任主席克達(dá)克先生對(duì)清華核研院的這一安全演示給予極高的評(píng)價(jià)：中國(guó)這個(gè)滿(mǎn)功率運(yùn)行的球床模塊式實(shí)驗(yàn)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(guó)希望從這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)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(yàn)裝置。經(jīng)過(guò)兩年多的努力，項(xiàng)目在幾個(gè)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(rùn)滑油密封和變工作壓力油站供油兩個(gè)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(diǎn)是：系統(tǒng)簡(jiǎn)單，只有一個(gè)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(diǎn)，使之成為非常有競(jìng)爭(zhēng)力的新堆型。但它也存在著一系列的技術(shù)難點(diǎn)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(dòng)力貫穿件等，都是各所屬學(xué)術(shù)領(lǐng)域前沿課題。許多國(guó)家投入相當(dāng)?shù)娜肆ξ锪M(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，但都停留在研究設(shè)計(jì)階段，只有我國(guó)的“10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆氦氣透平發(fā)電系統(tǒng)”項(xiàng)目順利進(jìn)入實(shí)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(shí)驗(yàn)電站，保持我國(guó)在這一高技術(shù)領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先水平，在國(guó)際能源領(lǐng)域新一輪競(jìng)爭(zhēng)中搶占制高點(diǎn)，早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為我國(guó)核能事業(yè)作出重大貢獻(xiàn)。
