探秘高溫氣冷堆：怎樣做到固有安全

迄今為止，核電代際劃分的主導(dǎo)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(fù)n次方”這樣的事故概率來表達其安全指標(biāo)；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(biāo)簽。

這一史上未有的核電安全標(biāo)簽是怎么回事？又如何做到？記者日前參加由中國核工業(yè)建設(shè)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(fā)展到具有系統(tǒng)安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)并實現(xiàn)了商業(yè)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(chǔ)上總結(jié)提高的第三代核電，其間最重要的邏輯關(guān)聯(lián)，就是安全性的遞進；在安全可靠前提下，兼顧效率和經(jīng)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(yè)界不僅是常識性的理念，更是數(shù)十年一以貫之的實踐。

為確保核電站安全，世界所有發(fā)展核電的國家都制定了各自的安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，它涵蓋了核電站選址、設(shè)計、建設(shè)和設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，以概率作出定量表示，具有代表性，并為各國仿效。

大規(guī)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(yè)角度，絕對的、100％的安全是不存在的。所以，安全指標(biāo)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(yōu)先考慮的環(huán)節(jié)。國家科技重大專項高溫氣冷堆總設(shè)計師、清華大學(xué)核研院院長張作義把“核能安全的關(guān)鍵問題”準(zhǔn)確歸結(jié)為：防止功率失控增長、載出剩余發(fā)熱、放射性物質(zhì)的包容。國家科技重大專項大型先進壓水堆“核電關(guān)鍵設(shè)計軟件自主化技術(shù)研究”首席科學(xué)家楊燕華則簡化為兩點：廠房內(nèi)，事故條件下反應(yīng)堆堆芯熔化的可能性；廠房外，大規(guī)模放射性釋放的可能性。

對應(yīng)美國核管會要求，概言之，二代核電設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為，反應(yīng)堆堆芯熔化事故概率小于10的負(fù)4次方／堆·年，大規(guī)模放射性釋放概率小于10的負(fù)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(chǔ)上各提高一個數(shù)量級，意味著大規(guī)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(fā)生概率，到根本不讓它發(fā)生

全稱為“球床模塊式高溫氣冷堆”的第四代先進核電技術(shù)，在張作義看來，其設(shè)計圓滿解決了他所說核安全的三大關(guān)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(tǒng)。這種系統(tǒng)的功能實現(xiàn)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(fā)生堆芯融化事故或大量放射性釋放事故。

2004年，清華大學(xué)對高溫氣冷堆固有安全性進行驗證試驗：在反應(yīng)堆正常運行時切斷電源，模擬最嚴(yán)重的事故工況；結(jié)果反應(yīng)堆在沒有人為干預(yù)的情況下依靠自身安全地停了下來。國際原子能機構(gòu)（iaea）專家組現(xiàn)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(shè)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(xì)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(shù)和工藝，可保反應(yīng)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(shè)計是如此周全，以至國際業(yè)界猜想，即使燃料球周邊發(fā)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(jié)為“以往核電站安全設(shè)計是盡可能降低事故發(fā)生的概率，而高溫氣冷堆做到了根本不讓它發(fā)生”。

2012年，中國完整自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料元件由國際權(quán)威的荷蘭核研究咨詢機構(gòu)petten進行輻照檢測試驗。結(jié)果裂變氣體釋放率維持在10的負(fù)9次方水平，遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，也明顯優(yōu)于其他國家同類元件。

據(jù)悉，燃料元件即將應(yīng)用于山東榮成石島灣200兆瓦高溫氣冷堆示范電站。