我國(guó)在第四代核電技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平
高溫氣冷堆打開核電發(fā)展新空間(創(chuàng)新故事)
2023年12月6日，國(guó)家重大科技專項(xiàng)標(biāo)志性成果、位于山東省威海市榮成石島灣的高溫氣冷堆核電站示范工程投入商業(yè)運(yùn)行。這是全球首座投入商業(yè)運(yùn)行的第四代核電站，標(biāo)志著我國(guó)在第四代核電技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
高溫氣冷堆是我國(guó)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)核能系統(tǒng)。它以氦氣為冷卻劑、石墨為慢化劑，采用獨(dú)特的全陶瓷包覆顆粒球形燃料元件。高溫氣冷堆發(fā)電效率高，即使采用傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)方式，其發(fā)電效率也可達(dá)40%以上。此外，高溫氣冷堆還能產(chǎn)生滿足石油精煉和煤化工、稠油熱采等領(lǐng)域需求的高品質(zhì)和多層次的蒸汽，其高溫的特點(diǎn)又適用于大規(guī)模、工業(yè)化制取綠氫。
固有安全性好是高溫氣冷堆最明顯的特征和優(yōu)勢(shì)。“高溫氣冷堆的核燃料元件是耐高溫全陶瓷包覆顆粒球形核燃料元件，也稱作燃料球。” 清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院院長(zhǎng)張作義介紹，在石島灣高溫氣冷堆示范電站，燃料球直徑為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1.2萬個(gè)4層全陶瓷材料包覆的、直徑0.9毫米的核燃料顆粒。實(shí)驗(yàn)表明，這種燃料球在1620攝氏度高溫條件下，仍能夠有效阻擋放射性泄漏。
在設(shè)計(jì)理念上，高溫氣冷堆采用模塊式設(shè)計(jì)，每一個(gè)小模塊約為大型壓水堆核電站的1/30。“因此，反應(yīng)堆停堆后產(chǎn)生的余熱處于較低水平，意味著發(fā)生意外時(shí)，即使不進(jìn)行人為干預(yù)，反應(yīng)堆也能自動(dòng)停堆并將余熱安全地散發(fā)出去。反應(yīng)堆的堆內(nèi)溫度不可能達(dá)到1620攝氏度的高溫限值，更不會(huì)發(fā)生堆芯熔化。”清華大學(xué)核研院副院長(zhǎng)董玉杰表示。
上世紀(jì)80年代，在中國(guó)科學(xué)院院士王大中帶領(lǐng)下，清華大學(xué)開展先進(jìn)核能技術(shù)研發(fā)，在國(guó)家“863計(jì)劃”支持下，突破了球形燃料元件、球床流動(dòng)特性等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并于2000年建成10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆，2003年并網(wǎng)發(fā)電。同年，中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司與清華大學(xué)共同組建了中核能源科技有限公司，正式開啟我國(guó)高溫氣冷堆科技成果轉(zhuǎn)化之路。
2006年，高溫氣冷堆被列入國(guó)家科技重大專項(xiàng)。2008年，高溫氣冷堆總體實(shí)施方案獲國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)。2012年12月，石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程正式開工，由中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司、清華大學(xué)、中國(guó)華能集團(tuán)有限公司共同建設(shè)。其中，清華大學(xué)是技術(shù)研發(fā)主體，負(fù)責(zé)研發(fā)、總體技術(shù)方案及核島主系統(tǒng)主設(shè)備的設(shè)計(jì)，中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司作為示范工程建設(shè)實(shí)施主體及燃料元件生產(chǎn)單位，中國(guó)華能集團(tuán)作為示范工程建設(shè)營(yíng)運(yùn)主體。
面對(duì)示范工程建設(shè)過程中的問題與挑戰(zhàn)，相關(guān)單位全面深化校企合作，搭建了產(chǎn)學(xué)研一體化的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，通過示范工程建設(shè)取得了一批重大成果：建成并運(yùn)行世界上首座模塊式高溫氣冷堆核電站，為發(fā)展第四代核電技術(shù)奠定基礎(chǔ)；形成高溫氣冷堆核電站的自主設(shè)計(jì)、制造、建造和運(yùn)行的能力，在世界上處于領(lǐng)先水平。
項(xiàng)目實(shí)施過程中，中核能源科技有限公司聯(lián)合相關(guān)設(shè)計(jì)單位和制造企業(yè)，實(shí)現(xiàn)了研究設(shè)計(jì)與加工制造的深度融合。中核能源科技有限公司副總經(jīng)理林立志舉例，設(shè)備制造方面，完成模塊式高溫氣冷堆反應(yīng)堆壓力容器、電磁軸承主氦風(fēng)機(jī)、組件式直流蒸汽發(fā)生器、控制棒和吸收球系統(tǒng)、燃料裝卸系統(tǒng)等多個(gè)首臺(tái)套設(shè)備研制，1.5萬多臺(tái)套設(shè)備中有2200臺(tái)套為首臺(tái)套，世界首創(chuàng)型設(shè)備超過660臺(tái)，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到93.4%。
隨著石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程建成并投入商運(yùn)，我國(guó)高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)鏈已初步形成，具備產(chǎn)業(yè)化推廣條件。中核能源科技有限公司副總經(jīng)理、總工程師石琦介紹，目前，在充分吸收、利用示范工程的主工藝、主設(shè)備、固有安全設(shè)計(jì)、工程驗(yàn)證實(shí)踐等方面的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，60萬千瓦高溫氣冷堆技術(shù)方案已經(jīng)形成，已完成了核島的初步設(shè)計(jì)，全面轉(zhuǎn)入施工圖設(shè)計(jì)階段。(人民日?qǐng)?bào))