在2020年度国家科学技术奖励大会上，国际著名核能科学家、中国科学院院士【王大中】被授予国家最高科学技术奖。

图一、中科院院士王大中，主导研发自主创新的高温气冷堆，领先世界。

       王大中，男，1935年2月出生，河北昌黎人。1958年毕业于清华大学工程物理系。曾任清华大学核能技术研究所所长、清华大学校长。1993年当选中国科学院院士。【内容转载自清华大学《国家最高科技奖出炉，你还不知道高温气冷堆是咋回事？》，如有侵权，联系删除】

一、世界级的难题：核能应用的安全性

       大家应该对几次影响巨大的核反应堆造成的核泄漏事故，深感恐惧，记忆犹新。1979年美国三哩岛核电站事故、1986年的苏联切尔诺贝利核电站事故和2011年日本福岛核电站事故。科学家们意识到，安全性是核能发展的生命线，是核能技术发展必须面对的主要矛盾。

       1956年，爱德华·泰勒曾提出：要使公众接受核能，反应堆安全必须是“固有的”（inherent safety）。也就是说，出现任何事故，核反应堆不依靠外部操作，而仅靠自然物理规律都能够趋向安全状态。

       更具体地说，要实现核能安全，必须确保三大要素：

要素一：核裂变反应的有效控制。

要素二：及时导出停堆以后堆芯的余热。

要素三：牢牢地把放射性物质包容起来

       而“固有安全”，就是“反应堆不靠外部动力、信号、冷却剂，就能确保这三大要素的实现，不失控、不熔毁、放射性不泄漏”。也就是说，即使反应堆突发故障或遭遇自然灾害，一切人为操作系统都失灵，反应堆仍然可以依靠自然规律自己趋向安全的状态。

       具有“固有安全性”的【高温气冷堆】的出现，像一簇暗夜中的火光，不可避免地吸引了各国科学家的目光。

二、高温气冷堆优势：固有安全特性

       与压水堆发电的原理一样，高温气冷堆也是通过核能-热能-机械能-电能的转化实现发电。高温气冷堆是一种先进第四代核电堆型技术，具有固有安全、模块化设计与建造、发电效率高、环境适应性强、经济性好和多用途等优势特性，被认为是【最有前途的第四代反应堆堆型】。

       高温气冷堆不是通过“水冷”而是通过“气冷”的方式进行堆芯冷却和热传导，即冷却剂是气体。中国高温气冷堆使用【氦气作为冷却剂】。作为一种理想的惰性气体，氦气化学性质稳定，高温下不容易与反应堆的其他物质发生反应，并且有着较好的热力学性能。

       为使热中子反应堆里的核裂变反应得以持续进行，核反应过程还需要一种材料，叫慢化剂，又称中子减速剂，用以减慢中子的运动速度。不同于轻水堆、重水堆核电站以水（H2O）和重水（D2O）作为慢化剂，高温气冷堆采用【石墨作为慢化剂】，具有良好的耐高温特性。

       以氦气为冷却剂、以石墨为慢化剂，加上堆内核燃料和其它材料均采用耐高温材料，这些条件使得高温气冷堆的工作温度和冷却剂的堆芯出口温度可以达到其它堆型难以企及的高度——900～1000摄氏度。

       核反应堆冷却剂的出口温度对发电效率有决定性影响。高温气冷堆氦气出口平均温度可达750摄氏度，并具备提高至950摄氏度以上的潜力，采用传统蒸汽循环方式，热效率可以达到40%-47%；采用氦气循环方式，热效率可达到50%。与压水堆相比，高温气冷堆的发电能力相当于一座同等热功率压水堆发电能力的1.5倍，发电效率高约10%，并且排放到环境中的热量相对较少。

三、中国高温气冷堆：三大核心创新技术

       今天的山东石岛湾高温气冷堆核电站示范工程项目【采用2座模块反应堆，两台蒸汽发生器带动一台汽轮机发电，装机容量20万千瓦】是世界首座在工业规模上实现固有安全的具有第四代核电技术主要特征的球床模块式高温气冷堆核电站，领先世界。

       在国家“863计划”支持下，1995年王大中带领团队开始了10兆瓦模块式高温气冷堆研发。在清华大学“200号”建成的10兆瓦【1万千瓦】高温气冷实验堆，2003年并网发电，安全运行近20年，就已经在实验堆的规模上实现了固有安全这一特性。

       从实验室到工程化，王大中团队继续将中国自主创新成果推向世界前沿。

图二、2021年9月12日，王大中（中）、吴宗鑫（左）、张作义（右）在山东石岛湾高温气冷堆示范工程现场留影

       2004年Wired杂志称其为“不会熔毁的反应堆”，是一种固有安全的核能系统，达到了当今世界核能安全的最高水平。

（一）是模块式反应堆设计

       为了践行追寻固有安全的初心，高温气冷堆采用模块式设计。其核心思想是把一个百万千瓦的大反应堆拆分成10个小的模块，每一个模块都是一座可以独立运行的小反应堆。当然反过来，这10个模块也可以把各自产生的蒸汽合并送入一台汽轮机，形成大的核电机组。

       为什么要这么设计呢？与燃煤电厂不同，核反应堆停止运行后，堆芯里的裂变产物还会继续发生衰变，产生可观的余热。所以，即使停堆了，如果不能及时冷却堆芯、载出余热，堆芯内热量越积越多、温度越升越高，包裹核燃料的外壳就有可能因为过热而造成熔化，破坏放射性包容能力，酿成严重的事故后果。

图三、高温气冷堆采用模块式反应堆设计，单个模块功率10万千瓦，超过13万马力。

       发生任何意外时，即使不进行人为的能动冷却，停堆后堆芯的余热也可以通过热传导、热辐射等基本的自然现象安全地散发出去，实现了余热非能动载出，避免堆芯熔化。此外，反应堆内有大量的石墨结构材料可以吸收余热，使得堆芯具有很大的热容量，停堆后温度上升缓慢。这就好比一小壶水的热容量很小，很容易就能烧开；而一大锅水的热容量较大，需要更多的热量才能烧开。

        这样一来，通过自然规律高温气冷堆就实现了上文提到的核安全三要素之一：及时导出停堆以后堆芯的余热，从一个方面支撑了固有安全。

       同时，多模块组合的设计，意味着这类核电站的规模可根据不同国家、不同区域的电力需求灵活配置。20万、60万、100万等系列装机容量，只需要考虑用2个、6个还是10个模块叠加就可以实现，这使得高温气冷堆核电站具有更广阔的适应性和灵活性。

（二）是自主研制的“耐高温全陶瓷包覆颗粒球形核燃料元件”

       球床型高温气冷堆采用的核燃料元件是耐高温全陶瓷包覆颗粒球形核燃料元件，也可以叫做燃料球。在石岛湾高温气冷堆示范电站，燃料球直径6厘米，最外层是石墨层，里面是弥散在基体石墨粉中的大约12000个四层全陶瓷材料包覆的、直径0.9毫米的核燃料颗粒。

图四、高温气冷堆示范电站球形燃料元件示意图

       你可以把它想象成，每一个燃料球和其中的燃料颗粒就像是一个球形糖果盒里装着12000颗层层夹心的巧克力球，巧克力的最中心就是核燃料——铀-235。

图五、左白色为普通高尔夫球，右蓝色为球形燃料元件

       层层包覆的牢固结构、耐高温高压的强悍属性、严苛的质量标准检验，使得每个燃料球都能把放射性物质牢牢包裹起来，有效防止正常运行或意外发生时放射性物质泄漏，从而实现了上文提到的另一个核安全要素：把放射性物质牢牢包容起来，进一步支撑了固有安全。

（三）是反应堆不停堆在线换料

       通常堆型的燃料元件多为燃料棒，燃料棒插在堆内固定位置，运行一段时间后（一般为12-18个月）要把反应堆停下来，换掉部分“烧透”的燃料棒，再补充新的燃料棒。可以想见，新装入的燃料棒能量是有富余或者是过量的，存在核反应的过剩反应性，这就给固有安全三要素之一：有效控制核裂变反应带来了压力。

       球床高温气冷堆的好处是，在反应堆运行过程中，新燃料球从反应堆顶部填装进反应堆中，球靠重力自然落入堆芯并往下流动，反应完的燃料球自行从反应堆底部卸出，整个装卸料过程不需要停堆，实现反应堆不停堆在线换料。不但大大提高了运行效率，而且不用阶段性装入过多核燃料，大幅减少了堆内的过剩反应性，因而大大降低了有效控制核裂变反应的难度。

图六、高温气冷堆示范电站一个模块【10万千瓦】示意图

       通俗地说，就像农家土灶烧饭，一上来就往灶里放很多新柴，火势必烧得更旺，但火势不好控制；而不停堆在线换料意味着我们可以在初期少放点柴，等它烧起来看情况添柴烧饭，烧完的炭自行从炉栅缝隙漏到下面取出，火势够用而又平稳安全。

四、有效控制核裂变：“负温度系数”设计

       要保证任何情况下都能有效控制核裂变反应，还需要反应性的“负温度系数”设计。通过周密的材料匹配与堆芯物理设计，模块式球床高温气冷堆具有很大的反应性“负温度系数”，堆芯温度升高会引起反应性自动下降。也就是说，一旦温度升高，核反应过程就能自己减速、甚至 “刹车”停下来。换句话说，即使因为人为或自然灾害导致控制失误或丧失，没能人为能动停堆，只要反应堆温度升高，它自己就会减少核反应直至自动停堆。

       一般反应堆里，核裂变反应的控制都是通过控制棒来实现的，紧急停堆或发生事故时控制棒会快速落下，促使反应堆快速停止核裂变反应，否则就有事故风险。而模块式球床高温气冷堆即使控制棒卡住无法落下也没关系，依靠自然规律实现了核裂变反应的有效控制，从第三个方面支撑了固有安全。

       现在还有一个问题，反应堆温度升高后是会自动停堆，可是最终停堆前，堆内的材料能熬过这个温度升高的过程吗？

       答案是：没问题。由于反应堆内使用了大量石墨结构材料，燃料元件也是耐高温的全陶瓷材料，和其他反应堆相比，高温气冷堆足够耐高温，完全不在怕的！ 不把安全寄托在人为的操作或各种安全保护装置上，而是依靠自然规律让反应堆自己就能逐渐趋于安全状态，泰勒的固有安全的设想，半个世纪后在中国变成了现实。

五、高温气冷堆未来：造福人类

       高温气冷堆能够达到其它核反应堆型达不到的冷却剂出口温度，让它不只能高效发电，还能利用高温特性发展核能的非电应用，实现综合利用、一举多得。

       目前，世界能源有约40%以电的形式得到利用，其余都是非电应用，包括以各种形式利用的工业热、民用热和交通能源等。各个行业对高温工艺热有很大需求。

图七、王大中院士和夫人在清华大学留影（2020年9月14日摄）

       石岛湾高温气冷堆示范电站的氦气出口温度能达到750℃，产生566℃的过热蒸汽，在高效发电之外，高温蒸汽还能用于热电联产、稠油热采、化工、冶金等。10兆瓦高温气冷实验堆超高温运行实验证明，高温气冷堆有望进一步提高运行温度, 目前技术水平的高温气冷堆具备运行在950℃的能力，可用于核能大规模绿色制氢，有望对解决石化、冶金、交通等行业的二氧化碳排放问题发挥关键支撑作用。

图八、高温气冷堆的用途示意（引自美国NGNP项目）

       2021年9月12日，石岛湾高温气冷堆核电站示范工程成功实现首次临界，并计划年底首次并网发电。商运以后，它将带来每年14亿度的发电量，预计每年可以减少二氧化碳（CO2）排放90万吨，有望为我国加快“双碳”战略实施，为中国乃至世界能源结构优化升级、生态环境保护治理、应对全球气候变化贡献重要的“绿色力量”。

六、中国航空母舰核动力：高温气冷堆

       航空母舰采用核动力，有3个先决条件：

1、核反应堆的安全设施必须保障航母工作人员的身体健康和驻泊港口的水文环境安全；

2、核反应堆产生的功率必须满足航母上的设备在极端恶劣的情况下正常运行；

3、核反应堆在航母服役期间不需要更换核燃料，全生命周期内只需开始装填一次核燃料。

       目前，航空母舰采用核动力的有美国和法国。法国戴高乐号航母，由于采用的是2座法国新一代凯旋级弹道导弹核潜艇相同GEC Alsthom PWR Type K-15核反应堆，但却造成了戴高乐号性能上的重大缺憾──动力不足，总输出仅76200轴马力，航速太慢，经常趴窝。

      美国航空母舰核动力有尼米兹级和福特级两类。美国尼米兹级核动力航母使用两具功率各130000马力的西屋A-4W反应堆最大发电功率超过5万千瓦，总发电功率高达10万千瓦级别。但是在航母服役中期【服役25年】要更换核燃料，花费巨大，时间也长。美国新一代的福特级航母采用两台大功率一体化A1B反应堆，功率较尼米兹级增加25%以上，同时配备13500伏输配电系统，供电能力则高达20万千瓦，几乎是尼米兹级的三倍，能充分供给EMALS所需的电力。A1B反应堆的堆芯使用寿命长达50年，在服役的全生命周期不需要回到船坞更换堆芯，从而增加了寿命周期内的执勤时间，具有理论上的无限续航能力。

图九：福州船政局，003航空母舰18号福建舰战斗状态模型。

       中国的航空母舰要采用核反应堆作为动力，必须能够满足【马伟明院士】的【电磁弹射】电力要求，只有唯一的选择：【王大中院士】主导研发的自主创新【高温气冷堆】。

【一】高温气冷堆具有固有安全性，氦气作为冷却剂，石墨作为慢化剂，核反应堆发生故障或遭遇自然灾害，一切人为操作系统都失灵，不失控、不熔毁、放射性不泄漏。

【二】高温气冷堆工作温度和冷却剂的堆芯出口温度可以高达900~1000摄氏度，是其他任何一款核反应堆型难以企及的高度。核反应堆冷却剂的出口温度对发电效率有决定性影响。相同热功率下，高温气冷堆的发电能力是压水堆的1.5倍，发电效率比压水堆高出10%。

【三】高温气冷堆模块式设计与制造，单个模块核反应堆装机容量10万千瓦，驱动10万吨航母只需要2个模块【27万马力】，恰好是山东石岛湾高温气冷堆核电站示范工程装机容量。

【四】高温气冷堆是【唯一】不需要停止核反应，在线进行换料的核反应堆，节省了大量的换料时间，降低了运行成本，经济性好，增加了全生命周期的执勤战斗时间。

【五】高温气冷堆的10MW实验堆已经安全、稳定运行了20多年，【实践是检验真理的唯一标准】，王大中院士【高温气冷堆】与马伟明院士【综合电力系统】和【电磁弹射】三位一体。

       某年某月，福州船政局成立1X0周年，中国第一艘核动力航空母舰XX号与18号福建舰单纵队航行，歼-15T、歼-35和KJ-600相继从甲板弹射起飞，低空通场，缅怀中国现代海军先驱，向英雄致敬！ 作者：荒漠胡杨的金银花2022 https://www.bilibili.com/read/cv25170066/ 出处：bilibili