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    《科技日報》探秘高溫氣冷堆:怎樣做到固有安全

    時間:2016-07-19  來源:科技日報 作者: 瞿 劍 【字號:

    迄今為止,核電代際劃分的主導因素,毫無疑問是安全性。第三代核電及其之前,通常都以“10的負N次方”這樣的事故概率來表達其安全指標;到了“具有第四代核電特征”的高溫氣冷堆,才首次具備了“固有安全性”這樣令人印象深刻的身份標簽。

    這一史上未有的核電安全標簽是怎么回事?又如何做到?記者日前參加由中國核工業建設集團公司(以下簡稱中國核建集團)組織的由7位兩院院士隨行的高溫氣冷堆“院士專家行”活動,走訪了位于山東榮城石島灣的200兆瓦高溫氣冷堆核電示范工程,一探新一代核電的奧秘。

    “沒有最安全,只有更安全”

    中國核建集團介紹,從被稱為原型堆的第一代核電,發展到具有系統安全設計標準并實現了商業化、批量化的第二代或“二代+”(即二代改進型)核電,再到在二代基礎上總結提高的第三代核電,其間最重要的邏輯關聯,就是安全性的遞進;在安全可靠前提下,兼顧效率和經濟性。也就是說,“沒有最安全,只有更安全”。

    事實上,沒有最安全,只有更安全,在核電業界不僅是常識性的理念,更是數十年一以貫之的實踐。

    為確保核電站安全,世界所有發展核電的國家都制定了各自的安全標準和規定,它涵蓋了核電站選址、設計、建設和設備制造、運行直至退役的全方位和全壽命周期。其中,美國核管制委員會(NRC)1982年4月提出的核電站安全標準,以概率作出定量表示,具有代表性,并為各國仿效。

    大規模放射性釋放概率,跟隕石砸中腦袋差不多

    專家解釋,跟公眾所理解的泛化“安全”概念不同,從專業角度,絕對的、100%的安全是不存在的。所以,安全指標通常用事故概率來表示,也就是人們常說的“安全是利益和代價的平衡”。

    具體到核電站,安全控制千頭萬緒,但總有需優先考慮的環節。國家科技重大專項高溫氣冷堆總設計師、清華大學核研院院長張作義把“核能安全的關鍵問題”準確歸結為:防止功率失控增長、載出剩余發熱、放射性物質的包容。國家科技重大專項大型先進壓水堆“核電關鍵設計軟件自主化技術研究”首席科學家楊燕華則簡化為兩點:廠房內,事故條件下反應堆堆芯熔化的可能性;廠房外,大規模放射性釋放的可能性。

    對應美國核管會要求,概言之,二代核電設計標準為,反應堆堆芯熔化事故概率小于10的負4次方/堆·年,大規模放射性釋放概率小于10的負5次方/堆·年,意味著前者10萬年一遇,后者100萬年一遇;三代核電,則在此基礎上各提高一個數量級,意味著大規模放射性釋放概率小于千萬年一遇,“跟隕石砸中腦袋差不多”。

    從降低事故發生概率,到根本不讓它發生

    全稱為“球床模塊式高溫氣冷堆”的第四代先進核電技術,在張作義看來,其設計圓滿解決了他所說核安全的三大關鍵問題。

    他表示,這種高溫氣冷堆采用低功率密度,不需要輔助的安全系統。這種系統的功能實現依賴物理過程,可以實驗驗證,是一種固有的安全特性,不會發生堆芯融化事故或大量放射性釋放事故。

    2004年,清華大學對高溫氣冷堆固有安全性進行驗證試驗:在反應堆正常運行時切斷電源,模擬最嚴重的事故工況;結果反應堆在沒有人為干預的情況下依靠自身安全地停了下來。國際原子能機構(IAEA)專家組現場見證了試驗過程,并給予高度評價。

    高溫氣冷堆固有安全性的另一基石,是它對包覆顆粒燃料的絕妙設計。張作義指著一座“石榴形”的燃料元件模型說,它直徑約6厘米,由超高純度的石墨組成,其中密布約1.2萬個直徑0.9毫米的細微燃料顆粒,每顆都有熱解碳層、碳化硅層等多層包覆,以保護二氧化鈾燃料核芯。這種層層包覆的技術和工藝,可保反應堆燃料元件的最高溫度始終不會超過其安全限值1620℃,因此燃料顆粒無論如何不會被燒壞,這決定了高溫氣冷堆在任何情況下都不會有放射性泄露的可能。這一設計是如此周全,以至國際業界猜想,即使燃料球周邊發生一次爆炸,也不足以破壞直徑小于1毫米的燃料顆粒。

    楊燕華把它總結為“以往核電站安全設計是盡可能降低事故發生的概率,而高溫氣冷堆做到了根本不讓它發生”。

    2012年,中國完整自主知識產權的燃料元件由國際權威的荷蘭核研究咨詢機構PETTEN進行輻照檢測試驗。結果裂變氣體釋放率維持在10的負9次方水平,遠優于設計標準,也明顯優于其他國家同類元件。

    據悉,燃料元件即將應用于山東榮成石島灣200兆瓦高溫氣冷堆示范電站。



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