10兆瓦高溫氣冷實驗反應堆：推啟先進核能技術應用之門

在人眼無法觀察到的世界，一種微小的物質擁有著巨大的能量。核能源，它予人威懾，也為人類創造幸福，其差別就在於人類對它的控製。

　　2007年初，由清華大學研製的“10兆瓦高溫氣冷試驗反應堆”獲得了國家科技進步一等獎，其技術應用——我國“高溫氣冷堆核電示範工程”已列為國家中長期科學和技術發展規劃中的重大專項，並由中國華能集團公司、中國核工業建設集團公司和清華大學共同合作建造。

　　遠見：堅持更安全的核能技術

　　在位於北京昌平區的清華大學核能與新能源技術研究院（以下簡稱核研院），聳立著三座反應堆：上世紀60年代建成的“屏蔽試驗反應堆”、80年代建成的“5兆瓦低溫核供熱實驗反應堆”和世紀末建成的“10兆瓦高溫氣冷實驗反應堆”。

　　其中，10兆瓦高溫氣冷實驗反應堆是核研院人攻堅的一個代表。

　　近年來，隨著油價的不斷攀升、氣候環境問題的日益困擾，以及由石油引發的種種國際關係變動，保障國家能源安全成為各國製定能源戰略和政策的首要目標，能源的多元化是保障國家能源安全的重要基礎，核能將在我國優化能源結構和多元化的能源發展戰略中發揮重要的作用。核能是一種能大規模替代化石能源的清潔能源，使用時既不產生二氧化硫、粉塵等汙染物，也不產生二氧化碳溫室氣體。而且，鈾資源在國際上被認為是一種準國內資源，是保障國家能源安全的有效途徑。因為核發電成本中天然鈾采購費隻占極小的比重，天然鈾運輸和貯存都很方便，貯存的基礎設施的費用和貯存管理費也很低，在國際市場有利的情況下還可以大量購進天然鈾，用於戰略儲備，以應付突發事件。因此，發展核能是我國能源可持續發展的必然選擇，我國政府已提出了“積極發展核能” 的方針。

　　國際核能經曆了美國三哩島核事故和前蘇聯切爾諾貝利核事故的打擊而停滯發展，但能源緊張和環境惡化又呼喚著先進反應堆。1981年，德國科學家提出了“模塊式高溫氣冷堆”的概念。這種反應堆用氦氣做冷卻劑，采用全陶瓷型的燃料元件，出現事故不會對公眾造成傷害；它采用氦氣循環發電，比傳統蒸汽循環發電效率提高了5～7個百分點；而反應堆中氦氣高達700~950攝氏度的溫度，是一種優質熱源，可用於水熱裂解製氫，為未來氫能時代提供清潔能源，並可進行煤的氣化和液化等。這是一種具有重大創新性的新一代先進反應堆。

　　1981年，在西德於利希核研究中心做訪問學者的清華大學核能專家王大中，提出了雙區球床堆的新概念——環形堆芯模塊式高溫氣冷堆，他的研究成果《一種在嚴重事故下具有安全自穩定性的球床核反應堆》，在譽為“球床高溫堆之父”的蘇爾登教授的積極推薦下，獲得德國發明專利，並同時獲得美國和日本專利。西德報紙報道這項成果說：中國人實現了一個奇跡。

　　清華大學核研院的研究人員認識到核能的安全性和經濟性是影響未來核能的關鍵性因素，模塊式高溫氣冷堆是國際上公認的安全性優異、有發展前景的先進堆型。1986年，我國“863”高技術計劃開始實施，清華大學核研院的研究人員抓住這個機遇，在王大中教授的帶領和積極推動下，瞄準世界核能發展的前沿，經過三年多的論證和預演，10兆瓦高溫氣冷實驗反應堆項目獲得國務院的批準，開始實施。

　　創新：用中國的技術建設中國的反應堆

　　1987年，高溫氣冷堆被列入國家“863”計劃，經過四年的努力，核研院的工程技術人員完成了全部43項子課題的研究，其中15項達到了國際水平、27項達到了國內先進水平。1992年3月，國務院批準在清華大學核研院建造一座熱功率為10兆瓦的高溫氣冷實驗反應堆。

　　雖然有建設屏蔽試驗反應堆和低溫核供熱實驗反應堆的經驗，但建設高溫氣冷實驗反應堆依然存在著相當多未知的技術。為了建設這座核反應堆，核研院人付出了汗水、辛勞、假日，甚至是生命：佟允憲教授、郭人俊教授都在建堆過程中積勞成疾，離我們而去。但所有的付出都是為了這座實驗反應堆的建設，所有的付出都是為了中國能夠擁有自己的先進核能技術。

　　在高溫氣冷實驗反應堆的建設過程中，核研院的技術人員曾麵臨著這樣的選擇：高溫氣冷實驗反應堆的部分技術和元件都可以在德國和俄羅斯引進，這樣既不會有種種辛勞與痛苦，也可以更早地實現堆的運行，但引進永遠隻能慢半拍地跟在其他國家後麵亦步亦趨。

　　為了實現技術的自主化，核研院的技術人員開始了艱苦的創新曆程。

　　“10兆瓦高溫氣冷實驗反應堆”采用的是“球床”設計，因此關鍵技術之一就是燃料“球”的生產。這些微小的核燃料“球”彌漫在石墨中組成燃料元件。這種元件是保證高溫堆具有優異安全性的最核心技術。

　　製作“球”（全稱為“包覆顆粒”）要先把核燃料製成直徑0.5毫米的核芯，再在其外麵包上四層包覆層，每層隻有幾十微米厚，而且要嚴格控製每層的厚度、密度和各向同心性，最後製成的球形顆粒直徑隻有0.9毫米。八千個這樣的小顆粒均勻彌散在直徑5厘米的石墨基體裏，再在其外部圍上一層厚5毫米的石墨球殼，才能製成直徑6厘米的球形燃料元件。製造工序達36道，半成品、成品檢驗的性能指標34項，包覆顆粒製造不合格率要求小於萬分之一，隻要有一項性能不合格，這批產品就不能出廠。

　　為了研製這樣一個小“球”，核研院花了十幾年的心血。從實驗室研究到生產規模試驗，從小規模的工藝試驗到建立規範化的工藝流程，從經受輻照考驗到正式批量生產，最後超額生產出兩萬多個球形燃料元件產品，整個生產流程全部采用我國自主研發的全凝膠法、化學氣相沉積法、準等靜壓法等製備工藝，包覆燃料顆粒的不合格率達到十萬分之五以下，產品質量達到最先進的德國後期製造水平，其指標可滿足商用核電站的要求。

　　“球”製作後，如何在反應堆不停堆、無放射性的條件下維護反應堆，成為另一個重要問題。10兆瓦高溫氣冷實驗反應堆采取了一種新的球形燃料元件輸送形式，利用脈衝氣流讓燃料元件從卸料管中一個一個地排出。就好像用風給一個個“球”向下的外力，使其逐個滾落，不用停止反應堆就可以拆卸維修。而為了讓小“球”順利下落，燃料元件裝卸係統研製課題組研製了十多年，先後建立了頗具規模的冷實驗和熱實驗兩個台架，冷實驗做了十幾萬次，熱實驗又運行了幾萬個球。專家在這套係統的鑒定中這樣寫道：“該裝置是世界上第一套用脈衝氣動方法實現從卸料管球床中單列化排出燃料元件的裝置，在結構設計上有創新，在技術上有突破，居世界領先水平。”

　　為了確保安全性，10兆瓦高溫氣冷實驗反應堆的設計還采用了全數字化技術進行控製。1989年，負責該係統研製的楊自覺教授提出：高溫氣冷堆的保護係統應該采用數字化技術，在控製室內隨時把反應堆各個係統的狀態和參數以及整個過程變化顯示出來。但當時平板顯示器、觸摸屏、局域網等設備和技術在國外剛剛起步，國內不僅沒有見過，甚至沒有聽說過。然而，從接受任務到成功應用，楊自覺教授課題組用了11年時間，終於研製成功這套全新的反應堆全數字化控製保護係統，並把它用在了10兆瓦高溫氣冷實驗反應堆上。這項技術不僅填補了國內的空白，而且達到了世界先進水平。談到這段艱辛曆程，楊自覺情不自禁地說：“搞反應堆數字化保護係統，最大的困難是要突破傳統的觀念，不突破傳統觀念就沒有創新，可要真正實現創新，決非一日之功。”

　　“決非一日之功”是對“數字係統”的總結，也是對整個高溫氣冷實驗反應堆建設的總結。

　　在實驗反應堆的建設過程中，很多部分的研製都經曆了五年、十年甚至更長的建設實踐，勇氣、毅力、對目標的執著再一次在這種團隊作戰中發揮了它的靈魂作用。

　　“十年磨一劍。高溫氣冷堆的建設，是核研院一項有組織、有目標的攻關項目。”10兆瓦高溫氣冷實驗反應堆負責人之一、清華大學教授吳宗鑫說，“在研製過程中，我們在國際合作的基礎上加強了基礎集成，在很多領域進行了攻堅。在大家的共同努力下，我們終於在核問題的核心技術領域搶占了一席之地。”　　

　　安全運行：迎來核反應堆應用的春天

　　2000年12月，10兆瓦高溫氣冷實驗反應堆達到臨界，也意味著高溫氣冷實驗反應堆正式建成。時任教育部副部長周遠清在慶祝大會上講話，認為這一項目充分顯示出了高等學校在解決國民經濟和社會發展重大問題上的科技創新能力。

　　2003年1月，10兆瓦高溫氣冷實驗反應堆——這座世界上第一座模塊式球床高溫氣冷反應堆——實現了72小時連續滿功率運行，其後又完成了“全場斷電試驗”、“主氦風機停機失冷試驗”、“甩負荷試驗”三項安全性能試驗，成功地實現了事故後反應堆衰變熱的非動能載出。核反應堆與常規電廠鍋爐不同，在停堆之後還會繼續產生熱量，這三項試驗充分保證了高溫氣冷堆剩餘熱量利用自然規律被冷卻，不發生堆芯熔化、放射性外泄的事故，已經足以應對核安全技術中最大的挑戰。在當年5月的政府工作報告中，“10兆瓦高溫氣冷反應堆試驗工程建成”被列為“我國在相關領域跨入世界先進行列”的標誌之一。

　　2004年，在來自30多個國家的60餘位國際原子能專家的注視下，高溫氣冷實驗反應堆實現了“不插入控製棒下反應堆喪失冷卻”的核安全試驗演示。著名核能專家、原國際原子能機構副總幹事錢積惠說：“它在任何時候都不會出現切爾諾貝利核事故那樣對公眾和環境造成危害的嚴重情況。”