破解熔堆难题，打造核电站反应堆的“安全锁”

文/曹克美

国家电力投资集团上海核工程研究设计院股份有限公司正高级工程师，主要从事核电厂安全研究。

“国和一号”是我国自主设计的大型先进非能动压水堆核电站，它能够在极小概率熔堆事故发生时，保障核电站的安全，让人们不再谈“核”色变。

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20世纪以来，全球经济和社会获得了前所未有的快速发展，这背后离不开化石能源的重要驱动。然而，对化石能源的过度依赖也带来一些全球性问题，如环境污染和能源安全等，开发清洁低碳的能源日益成为各国发展的重点。

我国是能耗大国，正处于能源革命的关键阶段。我国之前主要依靠煤炭发电，但是，煤炭发电污染性大，长期开采后，我国的优质煤炭资源在逐渐枯竭。为了完成碳达峰、碳中和的“双碳”目标，风能、太阳能等可再生能源以及核能等在我国逐渐得到广泛应用。

与其他清洁低碳的能源相比，核能最主要的特征是高效和稳定。首先，核电站占地面积小。我国自主研发的第三代先进核电“国和一号”是目前世界上最大的非能动压水堆核电站，其单机组输出电功率达到了150万千瓦。风力发电或光伏发电要达到同样的发电功率，就需要更多的发电机组或电池阵列，占用更多的土地资源。其次，风力发电或光伏发电具有不稳定性，属于“看天吃饭”。高效、稳定的核电在未来有望部分取代煤电，成为我国的基荷能源。

“国和一号”外观图

“国和一号”总体布置图

核安全与核事故

核安全是核电发展过程中最重要的一个问题。人们之所以谈“核”色变，其中一个原因是“核”最初是以核武器的形式出现在人们的视野中。1945年，美国在日本的广岛和长崎分别投掷了一颗原子弹，迫使日本投降，结束了第二次世界大战。原子弹巨大的杀伤性和破坏性给人们留下了深刻的印象。

1954年，苏联建成了世界上第一座核电站——奥布灵斯克核电站，核电作为一种可控能源开始进入人们的视野。核安全一直是核电站重点考虑的因素，人们也设计了一些指标来定量化评价核事故的风险。国际原子能机构将核事故分为7级，最低级别为1级，最高级别为7级。1986年的苏联切尔诺贝利核事故和2011年的日本福岛核事故，都是因为反应堆堆芯熔化，安全屏障丧失，放射性物质泄漏到周围环境而导致的，并列为7级核事故。

设计核电站反应堆的“安全锁”

那么，应该如何为核反应堆加设“安全锁”，在守住安全底线的基础上充分利用核能、发展核电呢？

在发生核事故后，首先需要采取停堆措施，即停止反应堆的运行。但是，由于核反应堆的特殊性，在停堆之后，依然会持续不断地产生大量热量，这些热量如果不能及时转移导出，就会在反应堆内形成高温熔融物，其温度可达3 000℃。核反应堆熔融物有三大特点：一是热量大，二是温度高，三是热量分布不均匀。

熔融物的成分非常复杂，包括堆芯燃料组件材料（二氧化铀、锆及其反应产物等），还包括反应堆的一些构件材料，如不锈钢、控制棒材料等。同时，高温熔融物之间存在复杂的物理化学反应，给机理现象研究和应对措施研发带来了巨大的困难。

为了最大限度地降低核反应堆熔堆事故带来的破坏性后果，在国家电力投资集团核能总工程师、国家科技重大专项大型先进压水堆核电站“国和一号”总设计师郑明光领衔下，上海核工程研究设计院股份有限公司牵头进行了“大型核电厂熔堆事故应对技术研究及应用”项目的攻关。

研究团队进行了15年的技术攻关，破解了熔堆难题，获得了3项主要的创新成果。第一，采用含铀材料开展了表征反应堆原型的大型熔融物试验，获得了关于熔融物形成、相互作用以及热量分布的机理；第二，创建了熔融物热量调节技术，研究团队在“国和一号”设计之初，就对反应堆堆内构件的材料和几何形状进行了最优化设计，从而显著降低熔融物向反应堆压力容器传热的不均匀度；第三，开发出反应堆内外协同冷却技术，能够有效移出熔融物热量，解决了135万千瓦以上电功率反应堆的熔融物堆内滞留难题，在极小概率熔堆事故发生后，不依赖任何外部能源的干预，将熔融物的热量稳定可靠地带出去。

为核电站安全保驾护航

十多年的辛苦耕耘换来了累累硕果，“大型核电厂熔堆事故应对技术研究及应用”项目成果总体达到国际领先水平，经济效益、社会效益和环境效益显著，该项目因此荣获了2022年度上海市科技进步奖一等奖。

近几年，我国的核电发展非常迅猛。2023年，我国核准了5个核电项目，共计10台核电机组，加上2022年核准的10台核电机组，两年共计核准20台核电机组，这在中国核电发展史上是前所未有的盛况。

目前，我国建设中的核电机组以三代压水堆为主。在国家电力投资集团所承担的非能动压水堆核电站技术路线中，全部应用了“大型核电厂熔堆事故应对技术研究及应用”项目的研究成果，包括山东荣成“国和一号”示范工程、浙江三门核电、山东海阳核电、广东廉江核电、广西白龙核电等。随着对核安全要求的日益加强，该项目成果将会得到更广泛的应用。

本文相关成果“大型核电厂熔堆事故应对技术研究及应用”荣获2022年度上海市科技进步奖一等奖。

见《科学画报》2024年第2期