探索丨全球首座第四代核电站

  吉林省科学技术协会主办，致力于传播科学思想，分享科技生活，提高公众科学素质

  在山东半岛的荣成市，一个海滨小城正承载着中国核电版图的“先锋使命”。全球首座第四代核电站——华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程在此正式投入商业运行。这一里程碑式的成就不仅标志着中国在四代核能研发应用领域达到了世界领先水平，也让我们对未来能源的发展充满了无限遐想。那么，这座备受瞩目的核电站究竟有何“过人之处”？它的投运为何如此重要？让我们一同走进华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程，揭开其神秘的面纱。

  时间回溯到2012年12月，华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程在荣成石岛湾正式开工建设。从无到有，从蓝图变为现实，这一过程中凝聚了几代科研工作者的心血和智慧。早在上世纪80年代，我国就开始了以固有安全为主要特征的先进核能研发技术。在国家“863计划”的支持下，清华大学团队在王大中院士的带领下，突破了球形燃料元件、球床流动特性等多项关键技术，并于2000年建成了10兆瓦高温气冷实验堆。这一重大科学技术成果的实现，为后续的商业示范堆建设奠定了坚实基础。

  经过十多年的努力，示范工程终于在2023年迎来了它的高光时刻。从项目核准、开工建设到并网发电，再到如今的商业运行，每一步都充满了挑战与艰辛。尤其是在日本福岛核事故后，全球核电项目一度陷入停滞，但示范工程团队凭借坚定的信念和不懈的努力，克服了重重困难，最终实现了这一科技壮举。

  这是该示范工程的核心技术之一。采用球床型设计，燃料元件为球形，堆芯由大量的球形燃料元件堆积而成。这种结构使得堆芯内部的传热和流体流动特性更加均匀，提高了反应堆的安全性和稳定能力。与传统的反应堆堆芯结构相比，球床堆芯具有更高的灵活性和可操作性，能够更好地适应不一样的运行工况。

  在安全方面具有显著创新。例如，采用石墨作为慢化剂，堆芯结构材料不含金属，稳定性高；堆芯热容量大、功率密度低，这在某种程度上预示着即使在发生不正常的情况时，堆芯也能够吸收大量的热量，避免温度急剧上升。同时，在主传导系统失效的情况下，堆芯余热可借助热传导等自然机理导出，再通过非能动余热排出系统排出，剩余发热不足以使堆芯发生熔毁；采用全陶瓷包覆颗粒燃料元件，以四层屏蔽材料对燃料核心进行包裹，进一步提升了放射性物质的包容能力，即使在极端情况下，放射性物质的泄漏也能得到一定效果控制。

  该工程实现了不停堆的连续在线装卸燃料方式，这是一项重大的技术突破。传统的核电站在换料时需要停堆，不仅会影响发电效率，还会增加操作的复杂性和风险。而华能石岛湾核电站示范工程的不停堆换料技术，使得反应堆可以在持续运行的状态下进行燃料的更换，大幅度的提升了核电站的运行效率和可靠性。

  燃料元件设计为球形，每个元件直径为 60mm，含有 7 克浓缩至 8.5%的燃料。这种球形燃料元件拥有非常良好的流动性和传热性能，能够更好地适应堆芯内部的复杂环境。同时，球形燃料元件的制造工艺也具有较高的难度和技术上的含金量，我国在这方面取得了自主研发的突破，形成了完整的知识产权。

  华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程采用氦气作为一回路冷却剂，氦气拥有非常良好的导热性能，可以有明显效果地地将堆芯产生的热量传递出去。与传统的水冷技术相比，氦气冷却技术能避免水在高温下有几率发生的腐蚀、沸腾等问题，提高了冷却系统的可靠性和安全性。此外，氦气冷却技术还能大大的提升反应堆的出口温度，为后续的热电联产、高温制氢等综合利用提供了有利条件。

  示范工程采用了先进的数字化控制管理系统，可以在一定程度上完成对反应堆的精确控制和监测。该系统能实时采集各种参数，如温度、压力、流量等，并根据预设的程序进行自动调节，确保反应堆始终处于安全、稳定的运作时的状态。同时，控制管理系统还具备故障诊断和预警功能，能够及时有效地发现潜在的问题并采取对应的措施，提高了核电站的安全性和可靠性。

  采用模块化建造方式，将核电站的每个部分在工厂内进行预制，然后运输到现场进行组装。这种建造方式不但可以提高施工效率，缩短建设周期，还能大大的提升工程质量，降低建设成本。同时，模块化建造技术也便于对核电站来维护和升级，为核电站的长期稳定运行提供了保障。

  华能石岛湾核电站示范工程的另一大亮点是其高达93.4%的设备国产化率。这一成就彰显了中国在大国重器领域的硬核担当。示范工程集聚了设计研发、工程建设、设备制造、生产运行等产业链上下游500余家单位，共同攻克了多项世界级关键技术。

  在设备研制方面，示范工程成功研制出2200多套世界首台套设备和反应堆的主要设备，包括主氦风机、蒸汽发生器、能承受压力的容器等。其中，蒸汽发生器被称为“核电之肺”，是高温气冷堆最关键的设备之一。由于全球首创的设计没有可参考的制造和装配工艺，示范工程的建设者们凭借着一股子不怕难、肯钻研的劲头，成功建成了国际首个核级螺旋盘管和换热单元生产线。

  这些设备的成功研制不仅提升了中国核电技术的自主创造新兴事物的能力，也推动了相关产业链的快速发展。通过产学研深层次地融合的创新网络生态体系，示范工程形成了攻关合力，推动了一批关键设备从图纸、样品变成了产品，实现了从“实验室”到“工程应用”的飞跃。

  示范工程的成功投运，离不开产学研深层次地融合的创新网络生态体系。在这一体系中，中核集团和清华大学是最早开展产学研协作的两家单位。他们共同组建了中核能源科技有限公司，负责示范工程的工程设计、工程总包等工作。同时，双方还联合举办了核工程硕士班，将工程技术人员所承担的工程任务转化为核工程硕士班的毕业设计课题，将理论知识与工程实践密切结合起来。

  这种产学研深层次地融合的模式，不仅推动了关键技术的突破和设备的国产化，还培养了一批具备高温气冷堆建设和运维管理经验的专业人才队伍。这些人才不仅为示范工程的成功投运提供了有力保障，也为我国核电技术的持续创新和发展储备了人才资源。

  持续稳定供电。作为全世界首座第四代核电站，华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程成功并网发电后，可向电网持续输送清洁稳定的电力。其电功率为211MW，能为当地及周边地区的电力供应提供有力保障，缓解用电压力，对于优化区域能源结构、保障能源安全具备极其重大意义。

  居民供暖突破。2024年3月，示范工程核能供热系统正式并入市政供热管网，首次实现向城镇居民供暖，覆盖20万平方米的供热面积。每个供暖季可替代燃煤3700吨，减排二氧化碳6700吨，在保障民生的同时，助力城市低碳高水平质量的发展，为核能综合利用提供了新的应用方向和实践经验。

  高温气冷堆具有较高的出口温度，适合用于热电联产。可以为工业生产过程提供稳定的电力和热能，提高能源利用效率，降低企业的能源成本，对于推动工业领域的节能减排和可持续发展具有积极作用。

  利用高温气冷堆产生的高温蒸汽，能应用于稠油热采工艺中，提高稠油的开采效率。相比于传统的开采方式，核能稠油热采能够减少对化石能源的依赖，降低开采过程中的碳排放，具备比较好的经济效益与环境效益。

  高温气冷堆的高温特性为高温制氢提供了有利条件。通过核能驱动的高温制氢技术，能轻松实现高效、大规模的氢气生产，为氢能产业的发展提供稳定的氢源，有助于推动氢能在交通、工业等领域的应用，促进能源转型。

  在化工冶金过程中，往往需要高温环境。华能石岛湾核电站示范工程的高温气冷堆技术能为化工冶金行业提供高温热源，满足工艺过程对温度的要求，推动化工冶金行业的技术升级和产业发展。

  华能石岛湾核电站示范工程的成功投运，不仅是中国核电科技的一大突破，更是对未来能源发展的积极探索。随着全球对清洁能源需求的持续不断的增加，核电作为一种高效、清洁的能源形式，将在未来能源体系中发挥逐渐重要的作用。

  华能石岛湾核电站示范工程以其卓越的安全性和高效的能源利用方式，为全球核电技术的发展树立了新的标杆。未来，随技术的不停地改进革新和应用的不断拓展，高温气冷堆将在全世界内得到更广泛的应用和推广。同时，中国也将继续加强与国际社会的合作与交流，一同推动全球核电技术的安全发展和可持续利用。

  华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程的成功投运，标志着中国在四代核能研发应用领域达到了世界领先水平。这一里程碑式的成就不仅是中国核电科技的重大突破，更是对未来能源发展的积极探索。随技术的不停地改进革新和应用的不断拓展，我们有理由相信，高温气冷堆将在全世界内发挥逐渐重要的作用，为人类社会的可持续发展贡献更多的力量。

  华能石岛湾核电站示范工程的成功投运，不仅让我们正真看到了中国核电科技的硬核实力，更让我们对未来能源的发展充满了无限遐想。让我们共同期待，在不久的将来，高温气冷堆将成为全世界能源体系中的重要一环，为人类社会的可持续发展注入新的活力。

  毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。