出品：科普中国
制作：寒木钓萌
监制：中国科学院计算机网络信息中心
要了解高温气冷堆到底有多安全 ， 咱们先来看看其运行机制 。
上图黑色的小圆柱体为压水堆的核燃料芯块 ， 它们一节一节地被装入燃料棒中 。 而高温气冷堆的核燃料却是这样的：
图为高温气冷堆的球形燃料元件 ， 每一个都如网球般大小 。
中国山东荣成的石岛湾高温气冷堆预计2018年并网发电 ， 图为工作人员正在检查球形燃料元件 ， 图片来自CNI23 。
球形燃料元件看上去傻大黑粗的样子 ， 但其实它很精密 ， 因为它不止是一个球 ， 它里面还包含着1.2万个“小球” 。
直径60毫米的球形燃料元件包含1.2万个“小球” 。
而内部密密麻麻的每一个“小球”也具有精密的结构 ， 如下：
“小球”直径1毫米 ， 内部的二氧化铀核芯直径0.5毫米 。
以上 ， 就是高温气冷堆使用的燃料元件 ， 它们放入反应堆时大概是这个样子 。
接下来 ， 咱们再看看它是怎么运作的 。
如上图 ， 上万个球形燃料元件在反应堆容器里面进行反应 ， 热量由透明的氦气带走 ， 通过热交换 ， 高达750摄氏度的高温氦气将自身热量传递给二回路中的水 。 此图为了简明 ， 少画了一个鼓风机 ， 显然 ， 只有鼓风机高速运转 ， 才能让氦气高速通过堆芯并带走热量 。
高温气冷堆的顶部是加料口 ， 底部有卸料口 ， 这意味着 ， 即使核电站还在运行 ， 换料时也无须停堆 。
实际上 ， 高温气冷堆中 ， 其燃料元件并不是用一次就完事 ， 而是一两年内多次循环使用 ， 10次左右 ， 直到经过检测 ， 燃料不能再用为止 。
图片来自Graham Templeton 。
固有安全性
就像一架战斗机 ， 它必须满足隐身、超音速巡航等重要条件后才能称之为第五代战斗机一样 。 第四代反应堆也具有很多特征 ， 而其中的一个重要特征是安全性进一步提高 。
从这一点上来说 ， 高温气冷堆是满足的 ， 因为它的安全不是依靠人的掌控 ， 而是依赖于一种物理现象 。
1987年 ， 10兆瓦高温气冷实验堆的建设被列入国家“863”计划 。 1995年 ， 由清华大学核能与新能源技术研究院建造 ， 2003年1月实现满功率运行 。
2004年的时候 ， 中国10兆瓦高温气冷堆向60多位国际原子能专家进行了核安全展示 。
【气冷堆到底有多安全？】这次展示是这样的：在反应堆正常运行时突然切断电源 ， 也就是说 ， 鼓吹氦气的鼓风机停转 ， 冷却系统被关闭 ， 同时 ， 也没有人为地插入控制棒 ， 结果 ， 反应堆自己停了下来 ， 事后也没有发生堆芯熔毁、燃料元件烧毁等事故 。
山东石岛湾20万千瓦高温气冷堆 ， 其技术是依据之前的10兆瓦高温气冷实验堆进一步提升发展而来 ， 所以它也将具有这种固有安全性 。
现在 ， 让我们来看看 ， 高温气冷堆的这种高安全性是怎么来的 。
反应堆中 ， 参与裂变的是铀235 ， 而铀238虽然会吸收中子 ， 但它不会参与裂变 。 神奇的是 ， 如果反应堆温度升高 ， 则铀235吸收中子的能力就会减弱 ， 但铀238吸收中子的能力却会增强 ， 这是一种物理现象 ， 叫做“多普勒展宽” 。
根据多普勒展宽 ， 高温气冷堆中如果失去冷却 ， 那么显然 ， 堆内温度将升高 ， 可高到一定程度时 ， 因为铀235吸收中子能力减弱 ， 同时铀238又吸引了过多中子 ， 结果就是 ， 没有足够的中子 ， 裂变就玩不下去了 。 而堆内的球形燃料元件即使经受1650℃的高温时也不会破损 。
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