? ? ? ?在2020年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，國際著名核能科學(xué)家、中國科學(xué)院院士【王大中】被授予國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

? ? ? ?王大中，男，1935年2月出生，河北昌黎人。1958年畢業(yè)于清華大學(xué)工程物理系。曾任清華大學(xué)核能技術(shù)研究所所長、清華大學(xué)校長。1993年當(dāng)選中國科學(xué)院院士?！緝?nèi)容轉(zhuǎn)載自清華大學(xué)《國家最高科技獎(jiǎng)出爐，你還不知道高溫氣冷堆是咋回事？》，如有侵權(quán)，聯(lián)系刪除】

一、世界級(jí)的難題：核能應(yīng)用的安全性

? ? ? ?大家應(yīng)該對(duì)幾次影響巨大的核反應(yīng)堆造成的核泄漏事故，深感恐懼，記憶猶新。1979年美國三哩島核電站事故、1986年的蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故和2011年日本福島核電站事故。科學(xué)家們意識(shí)到，安全性是核能發(fā)展的生命線，是核能技術(shù)發(fā)展必須面對(duì)的主要矛盾。

? ? ? ?1956年，愛德華·泰勒曾提出：要使公眾接受核能，反應(yīng)堆安全必須是“固有的”（inherent safety）。也就是說，出現(xiàn)任何事故，核反應(yīng)堆不依靠外部操作，而僅靠自然物理規(guī)律都能夠趨向安全狀態(tài)。

? ? ? ?更具體地說，要實(shí)現(xiàn)核能安全，必須確保三大要素：

要素一：核裂變反應(yīng)的有效控制。

要素二：及時(shí)導(dǎo)出停堆以后堆芯的余熱。

要素三：牢牢地把放射性物質(zhì)包容起來

? ? ? ?而“固有安全”，就是“反應(yīng)堆不靠外部動(dòng)力、信號(hào)、冷卻劑，就能確保這三大要素的實(shí)現(xiàn)，不失控、不熔毀、放射性不泄漏”。也就是說，即使反應(yīng)堆突發(fā)故障或遭遇自然災(zāi)害，一切人為操作系統(tǒng)都失靈，反應(yīng)堆仍然可以依靠自然規(guī)律自己趨向安全的狀態(tài)。

? ? ? ?具有“固有安全性”的【高溫氣冷堆】的出現(xiàn)，像一簇暗夜中的火光，不可避免地吸引了各國科學(xué)家的目光。

二、高溫氣冷堆優(yōu)勢(shì)：固有安全特性

? ? ? ?與壓水堆發(fā)電的原理一樣，高溫氣冷堆也是通過核能-熱能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)發(fā)電。高溫氣冷堆是一種先進(jìn)第四代核電堆型技術(shù)，具有固有安全、模塊化設(shè)計(jì)與建造、發(fā)電效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好和多用途等優(yōu)勢(shì)特性，被認(rèn)為是【最有前途的第四代反應(yīng)堆堆型】。

? ? ? ?高溫氣冷堆不是通過“水冷”而是通過“氣冷”的方式進(jìn)行堆芯冷卻和熱傳導(dǎo)，即冷卻劑是氣體。中國高溫氣冷堆使用【氦氣作為冷卻劑】。作為一種理想的惰性氣體，氦氣化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，高溫下不容易與反應(yīng)堆的其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，并且有著較好的熱力學(xué)性能。

? ? ? ?為使熱中子反應(yīng)堆里的核裂變反應(yīng)得以持續(xù)進(jìn)行，核反應(yīng)過程還需要一種材料，叫慢化劑，又稱中子減速劑，用以減慢中子的運(yùn)動(dòng)速度。不同于輕水堆、重水堆核電站以水（H2O）和重水（D2O）作為慢化劑，高溫氣冷堆采用【石墨作為慢化劑】，具有良好的耐高溫特性。

? ? ? ?以氦氣為冷卻劑、以石墨為慢化劑，加上堆內(nèi)核燃料和其它材料均采用耐高溫材料，這些條件使得高溫氣冷堆的工作溫度和冷卻劑的堆芯出口溫度可以達(dá)到其它堆型難以企及的高度——900～1000攝氏度。

? ? ? ?核反應(yīng)堆冷卻劑的出口溫度對(duì)發(fā)電效率有決定性影響。高溫氣冷堆氦氣出口平均溫度可達(dá)750攝氏度，并具備提高至950攝氏度以上的潛力，采用傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)方式，熱效率可以達(dá)到40%-47%；采用氦氣循環(huán)方式，熱效率可達(dá)到50%。與壓水堆相比，高溫氣冷堆的發(fā)電能力相當(dāng)于一座同等熱功率壓水堆發(fā)電能力的1.5倍，發(fā)電效率高約10%，并且排放到環(huán)境中的熱量相對(duì)較少。

三、中國高溫氣冷堆：三大核心創(chuàng)新技術(shù)

? ? ? ?今天的山東石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程項(xiàng)目【采用2座模塊反應(yīng)堆，兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器帶動(dòng)一臺(tái)汽輪機(jī)發(fā)電，裝機(jī)容量20萬千瓦】是世界首座在工業(yè)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)固有安全的具有第四代核電技術(shù)主要特征的球床模塊式高溫氣冷堆核電站，領(lǐng)先世界。

? ? ? ?在國家“863計(jì)劃”支持下，1995年王大中帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始了10兆瓦模塊式高溫氣冷堆研發(fā)。在清華大學(xué)“200號(hào)”建成的10兆瓦【1萬千瓦】高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆，2003年并網(wǎng)發(fā)電，安全運(yùn)行近20年，就已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)堆的規(guī)模上實(shí)現(xiàn)了固有安全這一特性。

? ? ? ?從實(shí)驗(yàn)室到工程化，王大中團(tuán)隊(duì)繼續(xù)將中國自主創(chuàng)新成果推向世界前沿。

? ? ? ?2004年Wired雜志稱其為“不會(huì)熔毀的反應(yīng)堆”，是一種固有安全的核能系統(tǒng)，達(dá)到了當(dāng)今世界核能安全的最高水平。

（一）是模塊式反應(yīng)堆設(shè)計(jì)

? ? ? ?為了踐行追尋固有安全的初心，高溫氣冷堆采用模塊式設(shè)計(jì)。其核心思想是把一個(gè)百萬千瓦的大反應(yīng)堆拆分成10個(gè)小的模塊，每一個(gè)模塊都是一座可以獨(dú)立運(yùn)行的小反應(yīng)堆。當(dāng)然反過來，這10個(gè)模塊也可以把各自產(chǎn)生的蒸汽合并送入一臺(tái)汽輪機(jī)，形成大的核電機(jī)組。

? ? ? ?為什么要這么設(shè)計(jì)呢？與燃煤電廠不同，核反應(yīng)堆停止運(yùn)行后，堆芯里的裂變產(chǎn)物還會(huì)繼續(xù)發(fā)生衰變，產(chǎn)生可觀的余熱。所以，即使停堆了，如果不能及時(shí)冷卻堆芯、載出余熱，堆芯內(nèi)熱量越積越多、溫度越升越高，包裹核燃料的外殼就有可能因?yàn)檫^熱而造成熔化，破壞放射性包容能力，釀成嚴(yán)重的事故后果。

? ? ? ?發(fā)生任何意外時(shí)，即使不進(jìn)行人為的能動(dòng)冷卻，停堆后堆芯的余熱也可以通過熱傳導(dǎo)、熱輻射等基本的自然現(xiàn)象安全地散發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)了余熱非能動(dòng)載出，避免堆芯熔化。此外，反應(yīng)堆內(nèi)有大量的石墨結(jié)構(gòu)材料可以吸收余熱，使得堆芯具有很大的熱容量，停堆后溫度上升緩慢。這就好比一小壺水的熱容量很小，很容易就能燒開；而一大鍋水的熱容量較大，需要更多的熱量才能燒開。

? ? ? ??這樣一來，通過自然規(guī)律高溫氣冷堆就實(shí)現(xiàn)了上文提到的核安全三要素之一：及時(shí)導(dǎo)出停堆以后堆芯的余熱，從一個(gè)方面支撐了固有安全。

? ? ? ?同時(shí)，多模塊組合的設(shè)計(jì)，意味著這類核電站的規(guī)?？筛鶕?jù)不同國家、不同區(qū)域的電力需求靈活配置。20萬、60萬、100萬等系列裝機(jī)容量，只需要考慮用2個(gè)、6個(gè)還是10個(gè)模塊疊加就可以實(shí)現(xiàn)，這使得高溫氣冷堆核電站具有更廣闊的適應(yīng)性和靈活性。

（二）是自主研制的“耐高溫全陶瓷包覆顆粒球形核燃料元件”

? ? ? ?球床型高溫氣冷堆采用的核燃料元件是耐高溫全陶瓷包覆顆粒球形核燃料元件，也可以叫做燃料球。在石島灣高溫氣冷堆示范電站，燃料球直徑6厘米，最外層是石墨層，里面是彌散在基體石墨粉中的大約12000個(gè)四層全陶瓷材料包覆的、直徑0.9毫米的核燃料顆粒。

? ? ? ?你可以把它想象成，每一個(gè)燃料球和其中的燃料顆粒就像是一個(gè)球形糖果盒里裝著12000顆層層夾心的巧克力球，巧克力的最中心就是核燃料——鈾-235。

? ? ? ?層層包覆的牢固結(jié)構(gòu)、耐高溫高壓的強(qiáng)悍屬性、嚴(yán)苛的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，使得每個(gè)燃料球都能把放射性物質(zhì)牢牢包裹起來，有效防止正常運(yùn)行或意外發(fā)生時(shí)放射性物質(zhì)泄漏，從而實(shí)現(xiàn)了上文提到的另一個(gè)核安全要素：把放射性物質(zhì)牢牢包容起來，進(jìn)一步支撐了固有安全。

（三）是反應(yīng)堆不停堆在線換料

? ? ? ?通常堆型的燃料元件多為燃料棒，燃料棒插在堆內(nèi)固定位置，運(yùn)行一段時(shí)間后（一般為12-18個(gè)月）要把反應(yīng)堆停下來，換掉部分“燒透”的燃料棒，再補(bǔ)充新的燃料棒?？梢韵胍?，新裝入的燃料棒能量是有富余或者是過量的，存在核反應(yīng)的過剩反應(yīng)性，這就給固有安全三要素之一：有效控制核裂變反應(yīng)帶來了壓力。

? ? ? ?球床高溫氣冷堆的好處是，在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，新燃料球從反應(yīng)堆頂部填裝進(jìn)反應(yīng)堆中，球靠重力自然落入堆芯并往下流動(dòng)，反應(yīng)完的燃料球自行從反應(yīng)堆底部卸出，整個(gè)裝卸料過程不需要停堆，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆不停堆在線換料。不但大大提高了運(yùn)行效率，而且不用階段性裝入過多核燃料，大幅減少了堆內(nèi)的過剩反應(yīng)性，因而大大降低了有效控制核裂變反應(yīng)的難度。

? ? ? ?通俗地說，就像農(nóng)家土灶燒飯，一上來就往灶里放很多新柴，火勢(shì)必?zé)酶?，但火?shì)不好控制；而不停堆在線換料意味著我們可以在初期少放點(diǎn)柴，等它燒起來看情況添柴燒飯，燒完的炭自行從爐柵縫隙漏到下面取出，火勢(shì)夠用而又平穩(wěn)安全。

四、有效控制核裂變：“負(fù)溫度系數(shù)”設(shè)計(jì)

? ? ? ?要保證任何情況下都能有效控制核裂變反應(yīng)，還需要反應(yīng)性的“負(fù)溫度系數(shù)”設(shè)計(jì)。通過周密的材料匹配與堆芯物理設(shè)計(jì)，模塊式球床高溫氣冷堆具有很大的反應(yīng)性“負(fù)溫度系數(shù)”，堆芯溫度升高會(huì)引起反應(yīng)性自動(dòng)下降。也就是說，一旦溫度升高，核反應(yīng)過程就能自己減速、甚至 “剎車”停下來。換句話說，即使因?yàn)槿藶榛蜃匀粸?zāi)害導(dǎo)致控制失誤或喪失，沒能人為能動(dòng)停堆，只要反應(yīng)堆溫度升高，它自己就會(huì)減少核反應(yīng)直至自動(dòng)停堆。

? ? ? ?一般反應(yīng)堆里，核裂變反應(yīng)的控制都是通過控制棒來實(shí)現(xiàn)的，緊急停堆或發(fā)生事故時(shí)控制棒會(huì)快速落下，促使反應(yīng)堆快速停止核裂變反應(yīng)，否則就有事故風(fēng)險(xiǎn)。而模塊式球床高溫氣冷堆即使控制棒卡住無法落下也沒關(guān)系，依靠自然規(guī)律實(shí)現(xiàn)了核裂變反應(yīng)的有效控制，從第三個(gè)方面支撐了固有安全。

? ? ? ?現(xiàn)在還有一個(gè)問題，反應(yīng)堆溫度升高后是會(huì)自動(dòng)停堆，可是最終停堆前，堆內(nèi)的材料能熬過這個(gè)溫度升高的過程嗎？

? ? ? ?答案是：沒問題。由于反應(yīng)堆內(nèi)使用了大量石墨結(jié)構(gòu)材料，燃料元件也是耐高溫的全陶瓷材料，和其他反應(yīng)堆相比，高溫氣冷堆足夠耐高溫，完全不在怕的！ 不把安全寄托在人為的操作或各種安全保護(hù)裝置上，而是依靠自然規(guī)律讓反應(yīng)堆自己就能逐漸趨于安全狀態(tài)，泰勒的固有安全的設(shè)想，半個(gè)世紀(jì)后在中國變成了現(xiàn)實(shí)。

五、高溫氣冷堆未來：造福人類

? ? ? ?高溫氣冷堆能夠達(dá)到其它核反應(yīng)堆型達(dá)不到的冷卻劑出口溫度，讓它不只能高效發(fā)電，還能利用高溫特性發(fā)展核能的非電應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)綜合利用、一舉多得。

? ? ? ?目前，世界能源有約40%以電的形式得到利用，其余都是非電應(yīng)用，包括以各種形式利用的工業(yè)熱、民用熱和交通能源等。各個(gè)行業(yè)對(duì)高溫工藝熱有很大需求。

? ? ? ?石島灣高溫氣冷堆示范電站的氦氣出口溫度能達(dá)到750℃，產(chǎn)生566℃的過熱蒸汽，在高效發(fā)電之外，高溫蒸汽還能用于熱電聯(lián)產(chǎn)、稠油熱采、化工、冶金等。10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆超高溫運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明，高溫氣冷堆有望進(jìn)一步提高運(yùn)行溫度, 目前技術(shù)水平的高溫氣冷堆具備運(yùn)行在950℃的能力，可用于核能大規(guī)模綠色制氫，有望對(duì)解決石化、冶金、交通等行業(yè)的二氧化碳排放問題發(fā)揮關(guān)鍵支撐作用。

? ? ? ?2021年9月12日，石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程成功實(shí)現(xiàn)首次臨界，并計(jì)劃年底首次并網(wǎng)發(fā)電。商運(yùn)以后，它將帶來每年14億度的發(fā)電量，預(yù)計(jì)每年可以減少二氧化碳（CO2）排放90萬噸，有望為我國加快“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施，為中國乃至世界能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)治理、應(yīng)對(duì)全球氣候變化貢獻(xiàn)重要的“綠色力量”。

六、中國航空母艦核動(dòng)力：高溫氣冷堆

? ? ? ?航空母艦采用核動(dòng)力，有3個(gè)先決條件：

1、核反應(yīng)堆的安全設(shè)施必須保障航母工作人員的身體健康和駐泊港口的水文環(huán)境安全；

2、核反應(yīng)堆產(chǎn)生的功率必須滿足航母上的設(shè)備在極端惡劣的情況下正常運(yùn)行；

3、核反應(yīng)堆在航母服役期間不需要更換核燃料，全生命周期內(nèi)只需開始裝填一次核燃料。

? ? ? ?目前，航空母艦采用核動(dòng)力的有美國和法國。法國戴高樂號(hào)航母，由于采用的是2座法國新一代凱旋級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇相同GEC Alsthom PWR Type K-15核反應(yīng)堆，但卻造成了戴高樂號(hào)性能上的重大缺憾──動(dòng)力不足，總輸出僅76200軸馬力，航速太慢，經(jīng)常趴窩。

? ? ? 美國航空母艦核動(dòng)力有尼米茲級(jí)和福特級(jí)兩類。美國尼米茲級(jí)核動(dòng)力航母使用兩具功率各130000馬力的西屋A-4W反應(yīng)堆最大發(fā)電功率超過5萬千瓦，總發(fā)電功率高達(dá)10萬千瓦級(jí)別。但是在航母服役中期【服役25年】要更換核燃料，花費(fèi)巨大，時(shí)間也長。美國新一代的福特級(jí)航母采用兩臺(tái)大功率一體化A1B反應(yīng)堆，功率較尼米茲級(jí)增加25%以上，同時(shí)配備13500伏輸配電系統(tǒng)，供電能力則高達(dá)20萬千瓦，幾乎是尼米茲級(jí)的三倍，能充分供給EMALS所需的電力。A1B反應(yīng)堆的堆芯使用壽命長達(dá)50年，在服役的全生命周期不需要回到船塢更換堆芯，從而增加了壽命周期內(nèi)的執(zhí)勤時(shí)間，具有理論上的無限續(xù)航能力。

? ? ? ?中國的航空母艦要采用核反應(yīng)堆作為動(dòng)力，必須能夠滿足【馬偉明院士】的【電磁彈射】電力要求，只有唯一的選擇：【王大中院士】主導(dǎo)研發(fā)的自主創(chuàng)新【高溫氣冷堆】。

【一】高溫氣冷堆具有固有安全性，氦氣作為冷卻劑，石墨作為慢化劑，核反應(yīng)堆發(fā)生故障或遭遇自然災(zāi)害，一切人為操作系統(tǒng)都失靈，不失控、不熔毀、放射性不泄漏。

【二】高溫氣冷堆工作溫度和冷卻劑的堆芯出口溫度可以高達(dá)900~1000攝氏度，是其他任何一款核反應(yīng)堆型難以企及的高度。核反應(yīng)堆冷卻劑的出口溫度對(duì)發(fā)電效率有決定性影響。相同熱功率下，高溫氣冷堆的發(fā)電能力是壓水堆的1.5倍，發(fā)電效率比壓水堆高出10%。

【三】高溫氣冷堆模塊式設(shè)計(jì)與制造，單個(gè)模塊核反應(yīng)堆裝機(jī)容量10萬千瓦，驅(qū)動(dòng)10萬噸航母只需要2個(gè)模塊【27萬馬力】，恰好是山東石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程裝機(jī)容量。

【四】高溫氣冷堆是【唯一】不需要停止核反應(yīng)，在線進(jìn)行換料的核反應(yīng)堆，節(jié)省了大量的換料時(shí)間，降低了運(yùn)行成本，經(jīng)濟(jì)性好，增加了全生命周期的執(zhí)勤戰(zhàn)斗時(shí)間。

【五】高溫氣冷堆的10MW實(shí)驗(yàn)堆已經(jīng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行了20多年，【實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)】，王大中院士【高溫氣冷堆】與馬偉明院士【綜合電力系統(tǒng)】和【電磁彈射】三位一體。

? ? ? ?某年某月，福州船政局成立1X0周年，中國第一艘核動(dòng)力航空母艦XX號(hào)與18號(hào)福建艦單縱隊(duì)航行，殲-15T、殲-35和KJ-600相繼從甲板彈射起飛，低空通場，緬懷中國現(xiàn)代海軍先驅(qū)，向英雄致敬！