“十四五”開局之年，中國在第四代核電技術方面取得世界領先級重大突破！ 2021年12月20日，國家科技重大專項——華能石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程1號反應堆完成發電機初始負荷運行試驗評價，成功並網發電。這一全球首座具有第四代先進核能係統特徵的球床模塊式高溫氣冷堆走出了中國核電技術從跟跑、並跑到領跑世界的成功之路，在中國核電發展史上書寫了濃墨重彩的一筆，將有力助推中國穩步實現碳達峰碳中和的可持續發展目標。

文｜北京 秦日安

基於四代核電技術的“最安全核電站”

核能利用是二十世紀人類最偉大的發現之一，核電也是迄今為止最為複雜的能源系統，安全是核電的生命線。歷史上，1979年美國三里島、1986年前蘇聯切爾諾貝利以及2011年日本福島等地核電站發生的嚴重事故，都曾引發較大社會恐慌，給核電蒙上了陰影，也使世界核電發展陷入了瓶頸。 60餘年來，核電技術經歷了從一代原型堆到二代商業化反應堆，再到三代先進大功率核反應堆的迭代升級。如今，人類正在向安全性更高、經濟性更好、廢物產生量更少的四代核電技術發起探索和實踐。

高溫氣冷堆（HTGR），顧名思義指具有高溫特徵、使用氣體進行堆芯冷卻的核反應堆。作為第四代核電技術的代表堆型之一，高溫氣冷堆是一種近乎理想的安全的核反應堆，固有安全性是它的核心特徵。

高溫氣冷堆的核燃料元件為耐高溫全陶瓷包覆燃料球。以華能石島灣高溫氣冷堆為例，其採用的燃料球直徑6厘米，最外層是石墨層，裡面是彌散在基體石墨粉中的大約12，000個四層全陶瓷材料包覆的、直徑約0。9毫米的核燃料顆粒。由於堆芯結構材料不含金屬，石墨的彈性模量很低，熱膨脹係數和熱中子吸引截面小，機械性能和穩定性很高。實驗表明，這種燃料球能更好地約束燃料和裂變產物，即使在1，620℃的高溫條件下仍能夠保持完好，防止出現堆芯熔融和放射性大量釋放的嚴重後果，所以高溫氣冷堆被稱為“不會熔毀的反應堆”。

要是溫度超過1，620℃怎麼辦？如若發生失冷失壓事故，主傳熱系統失效，高溫氣冷堆的堆芯餘熱可藉助熱傳導、熱輻射、對流換熱等自然機理導出，也就是說能夠保證燃料元件的最高溫度始終不超過1，620℃的安全限值。此外，高溫氣冷堆新燃料元件的補給和乏燃料的卸出是在一種不停堆的連續裝卸方式下進行，形成了一個流動的球床堆芯，如此又大大提高了反應堆的安全性。

簡言之，不採取任何外界幹預，高溫氣冷堆僅依靠材料本身的能力，就能夠保證反應堆放射性不會熔毀、不會大量外洩，能最大可能地降低核能安全風險。因此高溫氣冷堆又被業界叫作“傻瓜堆”，高溫氣冷堆核電站也被譽為“最安全的核電站”。

華能石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程，共包含2個反應堆。 2021年12月20日，其1號反應堆首次並網成功發出第一度電，標誌著全球首座具有第四代先進核能係統特徵的球床模塊式高溫氣冷堆實現了從“實驗室”到“工程應用”質的飛躍。面對全球核能係統更新換代的形勢，中國率先在人類能源進步史上立起里程碑，將使未來人類在更多利用核能的同時不再“談核色變”。

中國核電技術自主創新的新標桿

位於黃海之濱——山東榮成的華能石島灣核電站，是中國最新設計和開發的第一座具有完全自主知識產權、具備商用規模的模塊式高溫氣冷堆示範型核電站，是中國華能集團聯合清華大學、中核集團、哈電集團等單位自主設計、建造、調試和運營的又一項大國重器。

上世紀80年代，在國家“863”高技術研究發展計劃的支持下，以中國科學院院士王大中為代表的清華大學科研團隊率先開展了10MW高溫氣冷實驗堆的研究與開發工作。直至2003年1月，實驗堆終於實現了滿功率發電運行。至此，高溫氣冷堆技術轉化成商業堆應用、實現技術產業化的條件基本成熟。 2004年，華能石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程開始籌備，2006年被列入16個國家科技重大專項之一，並於2012年底正式開工建設。

三十餘年的磨礪、十餘年的建設，華能石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程是幾代核電人篳路藍縷、不辭勞苦的成果。整個研製過程由數百位科學家參與，在大約5萬張圖紙、10萬頁文件中不斷打破國外技術壟斷，並填補多項國內技術空白。

華能石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程中首次使用的設備達2，200餘台，其中創新型設備660餘台，包括蒸汽發生器、主氦風機等一系列世界首台套重大裝備製造和創新技術。其整體設備國產化率高達93。4%，申請國際專利近百件，其中已有50多項獲得授權，申請國內發明專利達400多項。

從10MW高溫氣冷實驗堆建成，到華能石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程正式並網發電，這是中國第一次在一種工業規模的先進反應堆技術上領先世界，是中國核電技術自主創新的新標桿，對促進中國核能高質量發展、助力高水平科技自立自強具有關鍵意義。

目前，華能石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程機組各項運行指標正常，反應堆、汽輪發電機及相關系統設備運行穩定。 1號反應堆正穩步向單堆滿功率推進，2號反應堆並網發電前各項試驗有序開展，雙堆有望於今年全面投入商運。

推動綠色低碳發展的重要支撐

核電自開發伊始即倍受世界各國矚目。從上世紀50年末前蘇聯建成首座商用核電廠以來，核電已經成為全球能源的重要組成部分，在減少二氧化碳排放、實現能源多元化保障等方面發揮著重要作用。中國的核電事業起步於上世紀70年代，然而直至1991年被譽為“國之光榮”的秦山核電站建成投入運行，中國內地核電才有了“零”的突破。

儘管起步較晚，但中國大步快趕，核電事業走過了從無到有、由弱到強、從學習引進、消化吸收到自主研發的歷程，先後掌握30萬、60萬、100萬千瓦級的型譜化核電技術，在研發設計、工程建設、裝備製造、運行維護等各方面能力均有了大幅提升，培養了一大批核電專業技術人才，具備了核電技術及裝備“走出去”的實力。如今，核電事業“三十而立”，中國也隨之成功躋身世界核電第一陣營，成為全球少數幾個擁有比較完整核工業體系的國家之一。

截至2021年12月31日，中國內地運行核電機組共53台，總裝機容量5，464。695萬千瓦，僅次於美國與法國，繼續位居世界第三位；中國內地在建核電機組16台，總裝機容量1，750。779萬千瓦，連續15年位居世界第一位。另據《中國核能發展報告（2021）》藍皮書預計，到2025年，中國核電在運裝機容量7，000萬千瓦左右，在建約5，000萬千瓦；到2030年，核電在運裝機容量達到1。2億千瓦，核電發電量約佔全國發電量的8%。

與此同時，中國核電始終保持著良好的安全運行記錄，為中國能源結構調整、二氧化碳減排和社會經濟發展皆做出了重要貢獻。小小的身體蘊藏著巨大的能量，這是核電的高效奧秘。與此同時，清潔無污染又賦予了核電更大的魅力。 2021年，中國核電發電量為4，071。41億千瓦時，佔全國發電量的5。02%；與燃煤發電相比，相當於減少燃燒標準煤11，558。05萬噸，減少排放二氧化碳30，282。09萬噸、二氧化硫98。24萬噸、氮氧化物85。53萬噸。在全球能源革命與可持續發展的大背景下，發展核電的優勢與趨勢不言而喻。

今年1月25日，習近平總書記深入分析推進碳達峰碳中和工作面臨的形勢任務，在主持中共中央政治局第三十六次集體學習時表示，推進“雙碳”工作是破解資源環境約束突出問題、實現可持續發展的迫切需要，是順應技術進步趨勢、推動經濟結構轉型升級的迫切需要，是滿足人民群眾日益增長的優美生態環境需求、促進人與自然和諧共生的迫切需要，是主動擔當大國責任、推動構建人類命運共同體的迫切需要。他同時提出，積極安全有序發展核電。

可以預見，下一步核電可與風、光、水等清潔可再生能源協同發展，大規模替代傳統化石能源，將成為中國優化能源結構、如期達成“雙碳”目標、推動綠色低碳發展的重要支撐。

以裝機容量20萬千瓦的華能石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程為例，其滿功率運行投產之後，將帶來每年14億度的發電量，可為200萬居民提供生活用電，預計每年可減少二氧化碳排放90萬噸，相當於每年減少燃煤25萬噸。又比如中國三代核電技術代表的“華龍一號”，每台裝機容量116。1萬千瓦的“華龍一號”機組年發電量近100億度，能夠滿足中等發達國家100萬人口的年度生產和生活用電需求，相當於每年減少標準煤消耗312萬噸、減少二氧化碳排放816萬噸，相當於植樹造林7，000多萬棵。

這樣一對比，華能石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程的發電體量似乎並不大。但是作為升級款的第四代核電技術，華能石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程的發電效率更高，同時可大幅拓展核電的應用領域，形成“以一電帶萬電”的跨越式發展，帶動全產業鏈轉型升級。因反應堆出口平均溫度可達750℃，並具備提高至950℃以上的潛力，這一溫度參數覆蓋乙醇提純、鹽化工、石油化工、煤化工、制氫等領域絕大部分熱源需求。反應堆作為溫度介質，最高的溫度可以用來制氫，400多度的溫度用來工業蒸汽或發電，底下100℃左右的餘熱可以非常經濟地用於民生供暖。

作為中國核電的“新名片”，華能石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程為“十四五”核電事業贏得了良好開局。在堅持自主創新、勇攀科技高峰的征程上，中國核電將繼續砥礪揚帆，在保障能源安全的同時，為穩步實現“雙碳”目標、建設美麗中國做出新的貢獻。

（作者係中科院研究員）

(本文發表於《紫荊》雜誌2022年3月號）