它主动切断冷却，就是为了证明自己永不熔毁

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2023年8月13日上午9点16分，山东石岛湾核电站，科研人员屏住呼吸，切断了所有冷却系统的电力供应。而此刻，电站内的反应堆仍处于满功率运行状态！

他们是疯了吗——要知道历史上，1979年美国三里岛事故与2011年日本福岛核灾难都是因为冷却系统故障才导致了堆芯熔毁，进而释放出放射性物质的——他们居然敢主动切断冷却系统！科研人员的勇气来自这座核电站本质的不同，因为它采用的是高温气冷堆。

所以，到底什么是高温气冷堆？它凭什么不怕熔毁？我们的核电技术又是如何从跟跑做到领跑的？今天我一口气给你讲清楚。

高温气冷堆的工作原理与传统压水堆或沸水堆存在本质差异。它的名字就很好地概括了它的特点。首先是“高温”。这种核电技术使用氦气作为传热介质，在从核能转换为热能的过程中，可以实现更高温度(750摄氏度)。而一般的核电站由于使用水作为传热介质，即便通过加压提高沸点，温度也只能达到300摄氏度左右。根据热力学知识，温度越高，发电效率越高，高温气冷堆的发电效率可以达到40%以上，是目前发电效率最高的核电技术。

其次是“气冷”。大多数的核电站都使用水作为传热介质和冷却介质。水将核燃料产生的热量带出，将其加热产生蒸汽，推动汽轮机发电。而高温气冷堆创造性地运用氦气作为介质，氦气的沸点是-268.93摄氏度，在常压下几乎始终都是气态，可被加热到更高的温度，而不像水温度过高后就很难保持原有的状态了。正是“气冷”保证了“高温” 的实现，使得高温气冷堆不仅可以应用于发电，还可以利用其高温的特性用于制氢或其他高温化工过程。

基于以上工作原理，高温气冷堆的核心设计围绕着三个关键要素展开：全陶瓷包覆燃料颗粒、氦气冷却剂与石墨慢化剂。

咱们先来看燃料元件。

这些直径约6厘米的球形燃料堪称高温气冷堆最大的特色。每个球体内嵌约8000颗直径0.92毫米的铀燃料颗粒。每颗铀颗粒被四层陶瓷材料包裹：最内层为疏松热解碳层，用于容纳裂变气体；第二层为致密热解碳层，防止裂变产物逸出；

第三层为碳化硅层，提供机械强度与阻隔放射性物质；最外层为致密热解碳层，抵抗高温腐蚀。这种“多层盔甲”使燃料元件可在1620℃高温下保持完整性，远超核反应可能达到的温度。

接着咱们再来看冷却与慢化系统。在高温气冷堆内，作为冷却剂的氦气不断循环流动，吸收核裂变产生的热量。氦气的化学惰性避免了冷却剂与燃料或结构材料的反应风险，同时其高热容（在7MPa压力下比热容达5.19 kJ/(kg·K)）确保了高效传热。堆芯周围布置的石墨块兼具慢化剂与结构支撑功能，石墨的晶体结构可将快中子慢化为热中子，维持链式反应，其高熔点（3650℃）与高热导率（约100 W/(m·K)）则保障了堆芯的物理稳定性。

而高温气冷堆的安全性源于其负温度反应性系数与被动余热排出能力。当堆芯温度升高时，燃料中的铀-238对中子的共振吸收增强，同时石墨的热膨胀导致中子逃逸概率增加，两者共同作用使反应性下降，实现自动功率调节。在冷却系统失效时，堆芯余热可以通过以下三种途径自然导出：石墨结构的导热将热量从堆芯传递至反应堆压力容器；压力容器外表面的热辐射将能量散发至混凝土生物屏蔽层；屏蔽层与外部空气的自然对流最终将热量耗散至大气。这一过程完全依赖热力学定律，无需外部能量输入。所以咱们可以说，高温气冷堆完全不受熔毁的影响，拥有固有安全机制。

回到刚开始的那个实验——其实同样的实验科研人员做了两次——它们的目的就是为了模拟核电站最极端的冷却失效场景。结果两次实验都显示，核电站内的两个反应堆模块在冷却失效后，堆芯余热通过热传导、热辐射和自然对流等被动机制，于35小时内将温度降至安全阈值以下。这一成果标志着全球首个商业规模的固有安全核反应堆通过实证检验，为核电安全设计树立了新的里程碑。

而固有安全，正是第四代核电技术所追求的目标之一，除此以外，可持续性与多用途能力也是其核心提升目标。国际核能界于2001年提出第四代核能系统的六种候选堆型，除高温气冷堆外，其他技术路线还包括：钠冷快堆（SFR）、熔盐堆（MSR）、铅冷快堆（LFR）、超临界水冷堆（SCWR）和气冷快堆（GFR）。但是，目前只有高温气冷堆是唯一实现商业运行的第四代堆型。而这个唯一，恰恰就是我们的山东石岛湾核电站。

所以你可以看到，在第四代核电技术上，中国已经成了领跑者。而这，源自于我们持续40年的系统化研发与全产业链协同创新。

在1980~2000年的基础研究阶段，清华大学核研院王大中院士团队基于德国AVR堆设计，提出球形燃料元件与模块化堆芯方案。1995年建成10MW高温气冷实验堆（HTR-10），2004年完成“不插入控制棒、不启动冷却系统”的72小时余热排出实验，首次验证固有安全性。

到了2001~2020年的工程验证阶段，通过国家科技重大专项支持，咱们攻克了氦气透平、螺旋管直流蒸汽发生器、耐高温压力容器等关键技术。2012年石岛湾示范工程开工，自主研制设备占比达93.4%，这其中就包括了世界首台大功率电磁轴承主氦风机，使电耗降低了70%。从2021年开始，我们的四代核电开始进入商业推广阶段，逐渐形成覆盖设计、制造、建设、运营的完整标准体系。石岛湾电站实现核能发电、工业蒸汽供应与区域供暖的三联供模式，验证多场景应用可行性，一跃成为举世瞩目的“下一代核电之星”。

国际原子能机构（IAEA）预测，到2050年全球高温气冷堆装机容量可达200GW，占核电总装机15%。随着中国技术标准输出与海外项目合作，这项源于实验室的创新或将重塑全球能源格局。让我们共同期待这一天的早日到来！