石島灣：未來核電出發
　　中國電力報 中電新聞網記者 彭源長

　　在山東半島最東端的榮成市的海岸線上，一個叫石島灣的地方很早就進入核電建設者的視野，以其優良的地質地貌等條件，被規劃為大型核電基地。
　　12月中旬，記者來到石島灣看到，這兒實際分為兩部分電站。主體部分是規劃的數臺大型壓水堆，仍靜待國家重啟核電。在場地一角，2012年開工建設的“華能高溫氣冷堆示范核電站”的核島施工則正在進行，已初具雛形。
　　相對于身旁規劃的動輒百萬千瓦的大型壓水堆“兄弟”，高溫氣冷堆的個頭實在不起眼，只有20萬千瓦。但是，以其出眾的發電效率，尤其是突出的安全性，它和快堆技術被并稱為“超越下一代”的“未來核電”。
　　因此，它頻頻出現在我國能源戰略文件中，并吸引全世界業界的目光。6月23日，國家能源局局長吳新雄在全國 “十三五”能源規劃工作會議上要求，推進華龍１號、ＡＰ１０００、ＣＡＰ１４００、高溫氣冷堆、快堆技術攻關，同時加快國內自主技術工程驗證，重點建設好大型先進壓水堆、高溫氣冷堆重大專項示范工程。１０月２８日，該領域最高水平的國際會議——國際高溫氣冷堆技術會議在榮成開幕，來自全球１６個國家和地區的４００多名專家學者與會并參觀石島灣高溫氣冷堆示范工程。
　　超越下一代
　　核電站的堆型一般是根據慢化劑和冷卻劑的不同來劃分。核電運行中，用來觸發核燃料鏈式反應的中子的速度一般需要慢化，需要慢化劑 （快堆不用慢化劑，采用钚或高濃縮鈾作燃料）；核燃料　  需要冷卻和傳熱做功，需要冷卻劑。用來冷卻的介質一般有液態水和二氧化碳、氦等氣體，堆型就分為水冷堆和氣冷堆。氣冷堆的慢化劑是石墨，叫石墨氣冷堆（用天然鈾燃料）。水冷堆一般也用水作慢化劑。用來慢化中子的水又分為輕水和重水，堆型就有重水堆（坎杜堆，可用天然鈾作原料）和輕水堆之分（用低濃縮鈾作原料）。輕水堆中又分為沸水堆和壓水堆。沸水堆不設蒸汽發生器，水流過燃料組件時慢化中子的同時吸收熱量形成蒸汽，高壓狀態下泵入渦輪做功發電。
　　壓水堆則需要蒸汽發生器。在巨大壓力下，經過燃料組件并被加熱的始終是液態水，進入蒸汽發生器后加熱它回路中的水產生蒸汽，驅動渦輪發電。
　　華能石島灣核電公司總經理賀云生告訴記者，現在世界上商業運行的400多臺機組大部分在20世紀70年代石油危機后建設，稱為第二代核電機組，都是不同型號的水冷堆，主要是壓水堆。第二代技術證明了核電在經濟上是可行的。但是前蘇聯切爾諾貝利核電站和美國三里島核電站事故的發生，讓人們意識到第二代技術的不完善性。在美歐等國家的推動下，第三代核電的概念產生。一個根本差別是，第三代核電技術把設置預防和緩解嚴重事故作為設計核電站必須滿足的要求。
　　當前世界各國除了對正在運行的第二代機組進行延壽與補充性建一些二代加的機組外，核電建設重點轉向更安全、更經濟的第三代核電機型。我國第三代核電建設的步伐走在世界前列。國家核電技術公司引進的美國先進非能動型壓水堆（AP1000，落地電站浙江三門、山東海陽，正在建設）以及中國廣核集團公司引進的法國歐洲改進型壓水堆（EPR，落地電站廣東臺山，在建）都屬于第三代核電機型。同時，由中廣核和中核聯合開發的融合了“能動與非能動”先進設計理念的我國自主三代核電“華龍一號”已經基本成型，具備建設條件 （落地機組福建福清5、6號機組和防城港二期）。此外，在消化引進第三代先進核電AP1000技術的基礎上，我國還正在開發具有我國自主知識產權、功率更大的非能動大型先進壓水堆CAP1400（示范電站規劃于山東榮成石島灣）。
　　華能高溫氣冷堆核電站屬于什么技術？華能石島灣核電公司副總經理張愛軍形容，它是“超越第三代技術”、具有第四代核電特征的先進反應堆。
　　未來核電
　　張愛軍介紹，在三里島和切爾諾貝利事故后，世界核能界積極研究開發新一代具有更好安全性的核電技術。在輕水堆技術方面，發展了AP1000、EPR等第三代核電技術。在氣冷堆領域，于1980年初，德國西門子公司提出模塊式高溫氣冷堆概念。這種反應堆不但工作溫度遠高于現在的設計，從而獲得更高的效率；更吸引人的是，在喪失冷卻劑事故下，不采取任何應急冷卻措施，燃料元件的最高溫度不會超過其設計損壞限值。
　　它的工作原理是，高溫氣冷堆采用陶瓷型包覆顆粒燃料元件，采用耐高溫的石墨作為慢化劑和堆芯結構材料，用化學惰性的氦氣作為冷卻劑，利用氦氣將反應堆裂變反應產生的熱量導出，加熱二回路不帶放射性的水產生蒸汽，高溫高壓的蒸汽推動汽輪機旋轉從而帶動發電機發電。它引人注目的安全目標是：所有現實可設想的嚴重事故的后果都不得有顯著的場外輻射影響。模塊式高溫氣冷堆因此成為第四代核能系統技術的6個候選堆型之一。
　　這種反應堆比現在的反應堆要穩定得多。華能石島灣核電公司運行部主任陳立強告訴記者，其原理有關“多普勒展寬”。鈾燃料越熱，燃料分子振動就越強。當反應堆內部溫度升高，鈾-235吸收自由中子的能力降低，從而產生的裂變減少。與此同時，燃料顆粒中的鈾-238吸收中子的能力變強，導致自由中子數量減少。因此，燃料溫度越高，裂變強度越低。（每個反應堆都存在這個現象，高溫氣冷堆則更有效地運用了這種影響。）隨著功率降低，反應堆將穩定在某個溫度，而高溫氣冷堆的球形燃料足以耐受這些溫度。這樣，高溫氣冷堆排除了因燃料球燒毀而導致堆芯熔化的可能，在嚴重事故下可依靠自身的負反應性補償能力實現自動停 堆，出現任何事故在技術上甚至不需要采取廠外應急措施。
　　由于有這樣突出的安全特性，國際核電界一直緊鑼密鼓展開對高溫氣冷堆技術的研究。2005年美國能源法案要求能源部必須在2021年前開發高溫氣冷堆技術。法國的法馬通公司也在積極開展高溫氣冷堆技術研究，并已參加美國愛達荷高溫氣冷堆項目的投標。日本已經建成了高溫工程試驗研究堆HTTR用于研究高溫氣冷堆技術和高溫制氫技術。
　　在目前全球罕有在運第三代核電的情況下，難怪業界將石島灣高溫氣冷堆稱為“未來核電”技術。
　　世界首座
　　我國的高溫氣冷堆的研究發展工作始于20世紀70年代中期。1992年，作為863計劃能源領域的重點項目，確定在清華大學核研院建一座10兆瓦高溫氣冷實驗堆（HTR-10），其熱功率為10兆瓦。2000年12月，HTR-10建成并首次臨界成功。從2004年開始，華能集團聯合清華大學和中國核工業建設集團公司啟動了20萬千瓦級高溫氣冷堆核電站示范工程的前期工作。2007年1月，由中國華能集團公司、中國核工業建設集團公司、清華大學各出資47.5%、32.5%和20%共同組建華能山東石島灣核電有限公司。2011年3月1日，高溫氣冷堆示范工程項目核準報告順利通過國務院辦公會議批準。2012年12月9日，高溫氣冷堆示范工程第一罐混凝土澆筑，標志著項目正式開工建設。計劃到2017年，石島灣高溫氣冷堆將建成發電。
　　華能石島灣核電公司副總經理呂華權自豪地說，這將是1986年切爾諾貝利核事故后世界上第一個建造的、具有固有安全特性的商用新型核電站。“石島灣高溫氣冷堆發電效率不低于40%，機組可利用率不低于80%，設備國產化率不低于75%，達到第四代核能系統的核安全目標，標志著我國的高溫氣冷堆技術已走在了世界前列。”呂華權還介紹，高溫氣冷堆核電站的應用前景非常廣。由于采用模塊化建造，一個廠址可布置多個同樣的模塊，通過模塊化、標準化、批量化建造來降低成本。由于熱效率高，高溫氣冷堆核電廠排出的廢熱比輕水堆核電廠少35～40％。高溫氣冷堆核電廠可以建在冷卻水源不足的地方，選址非常靈活；由于熱污染少，可以建在人口較密的城鎮附近。此外，高溫氣冷堆核電站反應堆出口的氦氣溫度達到700~900攝氏度，是一種優質的工藝熱源，可用于水熱裂解制氫，為未來氫能時代提供清潔能源。
　　就像積極參與“未來煤電”技術發展，建設天津IGCC示范電站一樣，在發展世界先進核電技術上，華能同樣走在前面。華能集團瞄準石島灣這個優良的核電基地，一方面積極參與第三代核電技術開發建設，一方面超前地推進具有第四代核能技術特征的高溫氣冷堆核電站建設。一個國際領先水平的大型核電基地呼之欲出。