2023年12月6日，我國具有完全自主知識產權的國家科技重大專項——華能石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程正式投入商業運行，成為全球首座第四代核電站，標誌著我國在第四代核電技術研發和應用領域實現了世界領先，在中國乃至世界核電發展史上書寫下關鍵篇章。自上世紀80年代至2023年，中國幾代核電人勇攀高峰，製造出“最安全的核電站”，其具有“產、學、研、用為一體”的特點，實現多個中國首創、世界首創，為保障電力供應安全和推動降碳減排作出重要貢獻。

文｜ 北京 李唯

全球首座球床模塊式高溫氣冷堆項目

華能石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程位於山東省榮成市，是全球首座球床模塊式高溫氣冷堆項目，裝機容量200MW，由中國華能牽頭，聯合清華大學、中核集團等單位自主設計、建造、調試和運營。它的建成，是中國幾代核電人向未知領域勇攀高峰的一段鑄夢之旅。

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。研究團隊充分發揮自力更生、艱苦創業的工作作風，先後攻克高溫氣冷堆工業放大與工程實踐驗證技術、高性能燃料元件批量製備技術、氦氣透平直接循環發電等技術難題。2000年12月，實驗堆首次臨界，2003年1月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。

2003年，200MW高溫氣冷堆核電站示範工程被列為《國家中長期科學和技術發展規劃（2006-2020）》中的十六個科技重大專項之一。

2004年，中國華能集團、中國核工業建設集團股份有限公司、清華大學簽署了合作建設高溫氣冷堆核電站示範工程的框架協議，正式拉開了建設具有自主知識產權的電功率200MW的全球首座高溫氣冷堆核電站示範工程的帷幕，對促進我國核能利用技術進步、佔領世界未來核電技術的制高點具有重要戰略意義。

2006年，高溫氣冷堆示範工程與探月工程、北斗導航等一併被列入國家十六個科技重大專項，作為創新引領工程、重大戰略工程和標誌性工程備受矚目。

2012年12月，高溫氣冷堆示範工程正式開工建設。

2021年12月20日，高溫氣冷堆示範工程完成發電機初始負荷運行試驗評價，首次併網成功，發出第一度電，實現了從“實驗室”到“工程應用”質的飛躍。

2023年12月6日，高溫氣冷堆示範工程圓滿通過168小時連續運行考驗，正式投入商業運行，對促進我國核電安全發展、助力高水平科技自立自強等具有重要意義和積極影響。

理想安全的第四代核電技術

核能利用是二十世紀人類最偉大的發現之一，上世紀50年代末人類揭開了核電開發利用的能源新篇章，核電隨即成為大國爭先搶佔的戰略制高點。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。60多年來，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。

高溫氣冷堆是國際公認的第四代核電技術先進堆型，是世界核電未來發展的重要方向。高溫氣冷堆顧名思義指的是具有高溫特徵、使用氣體進行堆芯冷卻的核反應堆，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，熱膨脹系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”。

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借助熱傳導、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。

這意味著，即使在喪失所有冷卻能力的情況下，不採取任何外界干預，高溫氣冷堆僅依靠材料本身的能力就能保持安全狀態，不會出現堆芯熔毀和放射性物質外泄，如此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”。

高溫氣冷堆所具有的固有安全性、發電效率高、應用領域廣等優良性能，使其在核能發電、熱電冷聯產及高溫工藝熱應用等領域商業化應用前景廣闊，有助於優化能源結構、保障能源供給安全，是世界核電未來發展的重要方向。

實現多個中國首創與世界首創

作為具有第四代核電技術特徵的全球首座商用電站，華能石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程在技術上以自主研發為主，具有“產、學、研、用為一體”的特點。

建設初期由於工程技術不成熟，無參考電站可學習，項目團隊只能按照邊設計、邊研發、邊施工的模式逐步推進，運用新原理、新技術、新方法、新工藝、新材料，攻堅克難、集智攻關。在高溫氣冷堆示範工程調試運行階段，中國華能和清華大學共同研發並掌握了高溫氣冷堆特有的調試運行六大關鍵核心技術，即：大體積雙模塊化反應堆回路強度密封及升溫技術、低功率密度特點反應堆的固有安全性能驗證技術、反應堆持續裝卸料多點聯動控制技術、雙堆一機聯調聯配啟停堆運行技術、創建W功率平台運行模式、ALARA動態管控技術，為機組後續穩定運行和研發工作奠定了堅實基礎。

在長達十餘年的攻堅過程中，通過緊抓設計龍頭、高效配置資源、多元主體聯動等各項措施和手段，有力保證了一大批原創性、創新性技術得以實現工程轉化和驗證，帶動全產業鏈轉型升級，實現多個中國首創、世界首創，為搶佔核電產業制高點、落實“雙碳”目標提供了強有力的技術保障。

整個研製過程集聚了設計研發、工程建設、設備製造、生產運營等產業鏈上下游500餘家單位，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，攻克了一批“卡脖子”關鍵技術。通過集中產業鏈上下遊優勢資源聯合開展技術攻關，成功研製出2,200多套世界首台（套）設備，其中創新型設備600餘台（套），包括蒸汽發生器、主氦風機等一系列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。

依托該示範工程，我國系統掌握了高溫氣冷堆設計、製造、建設、調試、運維技術，培養了一批具備高溫氣冷堆建設和運維管理經驗的高素質專業人才隊伍，形成了一套可複製、可推廣的標準化管理體系，並建立起以專利、技術標準、軟件著作權為核心的自主知識產權體系，進一步提升了我國在高溫氣冷堆先進核電技術領域的國際話語權。

在建核電機組整體規模全球第一

科技自立自強是國家強盛之基、安全之要。我國核電事業起步於上世紀70年代，直至1991年被譽為“國之光榮”的秦山核電站建成投入運行，我國內地核電才有了“零”的突破。儘管起步較晚，但大步快趕下，我國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。從秦山核電站到全球首座第四代核電站，三十年光陰流轉，我國在前沿核電技術研發和應用領域已達到世界領先水平。

據中國核能行業協會發布的《中國核能發展報告2023》藍皮書指出，中國核電安全運行業績持續保持國際先進水平。2022年，中國核電總裝機容量占全國電力裝機總量的2.2%，發電量為4,177.8億度，同比增加2.5%，約佔全國總發電量的4.7%，核能發電量達到世界第二。與燃煤發電相比，2022年，中國核電發電相當於減少燃燒標准煤近1.2億噸，減少排放二氧化碳近3.1億噸。中國核電發電量持續增長，為保障電力供應安全和推動降碳減排作出了重要貢獻。

截至2023年4月，我國在建核電機組共24台，總裝機容量2,681萬千瓦，整體規模繼續保持全球第一；中國大陸商運核電機組54台，總裝機容量5,682萬千瓦，位列全球第三。我國已形成每年10台/套左右的百萬千瓦級壓水堆主設備製造能力，自主三代核電綜合國產化率達到90%以上，具備同時建造40餘台核電機組的工程施工能力。

藍皮書顯示，預計2030年前，我國在運核電裝機規模有望成為世界第一，在世界核電產業格局中佔據更加重要的地位；預計到2035年，我國核能發電量在總發電量的佔比將達到10%，支撐我國能源結構低碳轉型發展。

作為全球能源的重要組成部分，核電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。當前，全球能源格局加速重塑，低碳轉型任務艱巨。國際原子能機構等權威組織再次上調了全球核電發展預期，多個國家調整核能政策，將發展核能納入國家能源安全戰略。

《中共中央 國務院關於完整准確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《國務院關於印發2030年前碳達峰行動方案的通知》均明確指出，積極安全有序發展核電。如今，華能石島灣高溫氣冷堆示範工程成功商用投產，為我國核能產業發展開闢出了新賽道。其滿功率運行後，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。下一步，項目團隊將深入開展經驗總結以及高溫氣冷堆綜合利用和商業化推廣技術研究，繼續攀登高溫氣冷堆商業化推廣應用的高峰，為我國高溫氣冷堆核電技術產業化和實施“走出去”戰略提供項目依托，為安全如期完成“雙碳”目標、為保障國家能源安全持續蓄能。

（作者係國家部委研究員，本文發布於《紫荊》雜誌2024年2月號）