高温气冷堆核电技术是什么?为什么说是“任何情况下的零风险”?

中国核工业建设集团公司董事长王寿君4月20日宣布,全球瞩目的第四代核电技术——高温气冷堆技术,历经基础研究、实验堆建设、示范堆建设,如今,我国已经系统掌握其全部技术,在国际上长期处于领先地位;

“相比前三代核电技术,高温堆是一种革命”,因为“任何情况下的零风险,使它具备了固有安全性”。王寿君表示,在任何情况下,高温堆都不会发生堆芯融化事故和大量放射性释放事故,不会对人类健康和环境造成影响,所以是本质上的安全。http://www.kepu.gov.cn/index/keputop/201504/t20150421_1076857.shtml

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17个答案
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玛雅蓝翻译爱好者,MOOC学习者

2015-04-22 14:04

简单对比一下气冷堆和现在主流的压水堆吧。

1-燃料

气冷堆:包覆颗粒燃料,裂变的燃料是富集度90%以上的二氧化铀[2],外面包裹的涂层能够防止有放射性的产物逸出。(如下图,请想象一颗乒乓球大小的麦丽素,或者新康泰克。)

图片来自中国核建[1]

压水堆:二氧化铀燃料棒,把二氧化铀做的燃料块像手电筒里的电池一样一个个接起来,装进锆合金做成的管子里。U235富集度(即U235的质量占比)为3%到5%。锆合金和蒸汽在高温下反应会产生氢气,这就是福岛事件中核电站厂房爆炸的主要原因。

补充一点。铀的富集度是一个很重要的指标,高富集度的铀是核武器的主要燃料(请自行搜索伊朗铀浓缩设施相关新闻),压水堆的燃料芯块是铀加上陶瓷材料烧制的,铀富集度很低,基本上杜绝了发生核爆炸的可能性。那么气冷堆的U235富集度是多少?

我查到的资料里关于压水堆的数据是说U235富集度,关于高温气冷堆里的数据说的是二氧化铀富集度,所以实际上U235的富集度要稍微低一些,可以借助燃料中U235和U238的比例以及相对原子质量换算,不过我没有查到这个同位素比例的数据。另外,气冷堆的铀富集度说的是燃料球里燃料颗粒的铀富集度,加上包覆材料之后算出来的富集度又会大大下降。(原来没想起来区分U235和U238,感谢@biohu 的提醒。)


2-慢化剂

气冷堆:石墨。石墨比热容很大,是常用的耐火材料。如果出现紧急事故,比如冷却剂丧失事故,或者冷却系统失效,导致氦气泄漏,石墨也能吸收大量的热,要过一两天反应堆的温度才会上升到2000℃以上。[3] 二氧化铀的熔点是2800℃,所以用石墨作为慢化剂基本上可以避免堆芯熔化的事故,而堆芯熔化可以说是现有商用核电站可能出现的最严重的事故。[2]中国核建官网表示,气冷堆“在任何情况下,燃料元件最高温度不超过其安全限值1620℃”。[1]

补充一点,石墨是可燃的,燃点和表面积、空气中氧气浓度等因素有关,没法给出一个准确的数值,有一种说法是3000℃。[4]在切尔诺贝利事故中,堆芯温度升高导致水迅速蒸发,水蒸气引发了爆炸,空气进入厂房,使石墨起火。不过,如果让石墨密封在堆芯里,不和水或者空气接触的话,还是比用水作慢化剂要安全。

压水堆:普通的水。水在这里同时起到了慢化剂和导热材料的作用,压水堆的堆芯是泡在水里的,如果一回路泄漏,发生堆芯失水事故,反应堆温度会在几分钟内上升到1000~2000℃。[3]


3-冷却剂(导热材料)

气冷堆:氦气。氦气是惰性气体,化学性质非常稳定,避免了压水堆里水和锆合金反应的隐患。而且氦气还有个很棒的性质,就是接受辐照后不会被活化(即不会变得有放射性),也不会像水那样携带带有放射性的反应产物。所以,万一发生氦气泄漏,放射性物质也不会大量扩散。

有人问能不能用其他的惰性气体,补充@阮郎_RunLong 的评论:

用氦气不仅仅是因为氦气是惰性气体化学稳定。其它的惰性气体不一定适用。比如氩,Ar-40很容易被中子活化成Ar-41,在一般的中子辐照场中,常常需要考虑中子对空气中Ar的活化,当然,Ar-41半衰期极短,一般放个几天就好了。另外一个,氡本身是有放射性的。氙气的某个同位素Xe-133对中子极易吸收,即传说中的反应堆氙中毒。

压水堆:仍然是普通的水。水在这里同时起到了慢化剂和导热材料的作用。压水堆的一回路是封闭的,它像一个高压锅,能使水温维持在300℃以上而不沸腾。正常运行情况下一回路的水不会泄漏,但它和反应堆堆芯直接接触,携带了一些放射性物质。一旦发生了福岛那样的事故,有放射性的水就会污染环境。如果核电站退役或者需要换水,这些水也要收集起来进行处理。

来个压水堆示意图,红色的就是一回路。(图片来自维基百科


4-反应堆结构

气冷堆:全陶瓷堆芯结构材料,以及混凝土压力容器[3] 。

压水堆:钢铁锅炉,以及混凝土压力容器。

反应堆不仅是一个容器,还要起到屏蔽辐射的作用。对陶瓷材料不了解,就不评论了。


参考资料:

[1]中国核建官网[1]
[2] MIT专家:福岛到底发生了什么
[3] 《反应堆热工水力学》,清华大学出版社(google books
[4]http://dailyresourcehunter.com/crash-course-graphite-profitable-graphene/


硬广时间:对核能、能源感兴趣的同学可以到Coursera 学习《人类能源的未来》,这是加州大学圣迭戈分校开设的一门MOOC课程,时间自主,长期开放。(你问MOOC和公开课有什么不同?戳这里!

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阮郎_RunLong核物理学学士,现辐射防护人员

2015-04-21 18:11

高温气冷堆说简单点就是把冷却剂从水换成了氦气。具体的说,请百度或维基,这个东西的定义要引用就是大段大段的事。还是自己挑或详细或简单的看吧。

关于风险挑我了解的说:

先引用一般"高温堆的固有安全性得益于极耐高温的燃料元件设计、耐高温全陶瓷堆芯设计、非能动安全系统设计、简化的系统设计和较低的功率密度"

反应堆的风险一般说是三个:安全停堆、余热导出、放射性包容。

所谓安全停堆,就是不管发生什么事故,都要有方法把堆停下来。包括电力丧失。所以,所有的反应堆都会有非能动的停堆手段。一般有放硼酸水、各种安全棒的外部介入的手段,还有设计的时候把反应堆设计成对温度有负反馈(温度升高抑制反应性,即温度越高达到临界所需要的燃料越多(或者控制棒要提得更高,或者硼酸浓度需要降低))。这种外部介入的手段和自身的负温度效应一般同时都要有。

高温气冷堆的“非能动安全系统设计”是反应堆必备的安全技能之一。

它的余热导出这一部分我不了解。停堆后反应堆还会继续发热很长一段时间,余热传不出去而在堆芯积累会让堆芯熔化,虽然堆芯熔点很高,但如果热导不出去,升温是很容易的,例如,小的电烙铁一般也就25W,比电吹风的1700W小得多,但电烙铁至少可以把焊锡烧熔了。如果把电吹风放在被子里开着……(危险,请勿尝试)。福岛因为余热导出这一环的问题,堆芯熔出了安全壳。

高温气冷堆的余热导出可能有新技能,这一点我不了解,“较低的功率密度”可能与这个技能有关,不过功率密度低可能意味着堆要建成更大些。推荐有兴趣可以去参观了解(不一定能看到真堆,但模型旁边的妹子一般都懂一些详细的硬货)。

还有一个是放射性包容,其实反应堆如果不爆,那些余热什么的出来也没事,有事的是出来的不仅仅是能量,还有一些放射性物质。传统的堆芯用的是不锈钢或锆合金包着燃料在堆里烧,烧过的燃料如果一直被包着,放射性物质多半是跑不出来的,跑出来一般都是因为破了,或者熔化了。为了避免这个,一般选同时耐高温又耐辐照的材料做包壳。不锈钢一般般吧,锆也不错,但如果把燃料本身做成一个致密的硬货,就包得更紧密了。“耐高温全陶瓷堆芯设计”与这个技能有关,其它反应堆也有用陶瓷燃料的。

至于陶瓷堆芯是个什么玩意,LOOK!(下图为一般反应堆的燃料芯块,非高温气冷堆)

http://www.ulba.kz/en/production13.htm


这个东西会生产的国家应该不少吧。我不太清楚,但上述这个网址有卖的,有兴趣的同学请想办法自己联系,应该不支持支付宝付款。

反应堆最最重要的安全,就这三点,围着这三点有好多事情要做。高温气冷堆可能有内在的优势也说不定,这样会使实现这三点变得容易,或者,让这三点变得在更严峻的环境下有效。

题外话,世界上第一个反应堆是不用考虑各种意外情况的,让它临界就是成功了。之后的反应堆总会遇到不同的风险,然后下一代的设计,就要考虑更多的安全。福岛之后,除了安全需要应堆更严峻的状况,以前按历史最大地震设计就可以包容所有的地震情况,现在,要考虑下一次地震可能超过了历史上所有的地震,同时还叠加了海啸。即超设计基准事故如果发生了,如何保障安全。就像,汽车设计时考虑国内高速限速120,按120算是安全的不够,就应对有人发飙跑到200,这时候安全才是绝对安全,但后来发现,有两个人都飙到了200还对撞了,于是设计标准进一步提高到时速400。现在的反应堆设计、建造,包括选址,要考虑的安全因素很多,不仅仅正常运行是安全的,应对事故的能力也越来越强。

但是:

一、反应堆的大安全虽然只有这几点,但小安全不可忽视,总有一些区域是不适合人员长期待着的,辐射安全有时候也很重要。

二、固有安全特性需要良好工艺与严格管理做保障,再好的越野车不加机油总会坏。

三、外部监督是第二点的保障。

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一只虫子的冬眠一个苦逼的搬砖工

2015-10-16 18:16

任何事故情况下,包括丧失所有冷却的情况下,不采取任何人为的和机器的干预,反应堆都能保持安全状态,即所谓的“固有安全性”。

高温气冷堆里面所说的不会发生堆芯熔融的情况是因为燃料包壳有很大的负温度系数,可以允许冷却剂完全丧失。依靠非能动方式就可以排除余热,在任何事故工况下燃料温度都不会超过1600摄氏度,所以就不会发生堆芯熔融的情况。而堆芯熔融是导致核电厂爆炸的最主要原因,熔融的堆芯和地面反应会产生大量的氢气,氢气浓度过高的话就会引发爆燃,而后发生爆炸。所以如果没有堆芯熔融的情况的话,就这一个事故发生几率还是非常低的。

堆芯结构原理:高温气冷堆采用的是由耐高温的陶瓷型涂敷颗粒燃料组成的球形燃料元件,以化学惰性和热工性能良好的氦气(He)作为冷却剂,耐高温的石墨作为慢化剂和堆芯结构材料。其中,涂覆颗粒燃料为直径只有0.9mm的微型小球,其核芯为直径0.5mm的UO2的颗粒,UO2颗粒外包覆了一层低密度热介碳,两层高密度热介碳和一层碳化硅。包覆层将UO2颗粒中产生的裂变产物充分地阻留在包覆颗粒内,并能承受气体裂变产物产生的内压力。
球床高温气冷堆堆芯由球形燃料元件和石墨反射层组成。直径约60mm的球形燃料元件从堆芯顶部连续装入堆芯,同时从堆芯底部卸料管连续卸出燃料元件。卸出的燃料元件如果未达到预定的燃耗深度,则再送回堆内使用,使每个燃料元件的燃耗深度基本一致,从而实现了不仃堆装卸料。这样既大大提高了电站的负荷因子,又无需储备补偿燃耗所需的反应性,即后备反应性小(<1.0%),从而大大提高了反应堆的安全性。 -----《高温气冷堆的技术特点与发展前景》陈伯清

但是这只是保证的堆芯燃料的安全,也可以确认堆芯泄露事故的发生率比常规其他核电站的低了非常多,至于其他的放射性活化产物的话,如果严格按照规程来做是完全可以达到可接受水平的。不过人因失误这种东西只能尽量去预防了。


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任何情况下的零风险是夸大的。但是高温气冷堆的确比轻水堆安全这是公认的。

轻水堆(压水堆和沸水堆)在技术进步中基本可以避免切尔诺贝利的堆芯解体事故,但是仍然存在一长串可能导致堆芯熔化的事故系列。主要的原因有几个:水冷堆由于相变的原因存在沸腾危机,在某些情况下可能造成元件的烧毁;在瞬态或LOCA中导致冷却剂装量的损失,堆芯裸露后,燃料中的衰变热将引起燃料元件温度上升,造成烧毁;在高温下锆包壳会发生锆水反应,产生氢气,并且解体,解体后失去完整性堆芯可能冷却困难;严重事故发生后熔融堆芯会导致压力容器的破损,其一系列后果可能进一步危及安全壳,造成放射性外泄。

高温气冷堆的燃料元件是包覆燃料颗粒,细小的铀氧化物由热解碳缓冲层-热解碳致密层-碳化硅包覆,可以承受1600度的高温保持完整性;包覆燃料颗粒在石墨基体中包裹制成燃料元件。石墨有良好的高温性能,可以保证堆芯在高温下的完整性;反应堆负温度系数很大,可以保证自动停堆;反应堆功率密度低,堆芯热容量大和可以承受的高温一起有利于余热的自然排出。氦气不存在相变和慢化作用,并且是惰性气体,失去冷却仅仅需要考虑温度变化,而不需要考虑反应性与化学作用,。

高温气冷堆的这些特点决定了它可以实现这样一个特性,在失去外部热阱的情况下,无人干预下,反应堆自动停堆,并且可以自行排出衰变余热,这一点比水冷堆强得多。高温气冷堆实际运行中主要的安全事故是三个:误操作、二回路水或地震造成球床密实化进入引入正反应性;冷却剂失压外泄;一回路破损的情况下的大量水、空气和石墨可能发生反应。正反应性引入和反应堆本身的温度系数相比不大,堆芯温度不会超过上限;失压事故的放射性排放量很小,主要是氦气系统中存在的污染物,大部分放射性仍被约束在保持完整的包覆颗粒中;后者多发生在冷却剂失压的情况下,反应速率慢,不足以彻底破坏石墨基体,在人为干预下,包覆燃料颗粒的完整性可以保证。因此可以说高温气冷堆的严重事故后果比轻水堆轻得多。


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阿尔吉农飞岛国语言专家

2015-04-23 04:55
支持者: 穿长靴的柴郡猫

歪个楼,当年日本曾经搞过一个文殊快堆,用熔融钠做冷却剂。我很好奇当年日本为什么要搞这种快堆,因为液态钠的风险太大,肯定还是由于有巨大的收益才让日本人去这么做的。那么有没有人能够说明一下到液态钠冷却剂底有什么样的突出优点呢?

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窃以为还是多多思考后再说这样的宣传语言,想不到的隐患很可能在某一时刻害死人!

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这玩意是靠氦气做冷媒吗

请教个问题,氦气矿基本都是老美把着,那我们将来这块岂不是要看老美眼色?

事实上,在贸易问题上,老美已经用氦气拿捏过中国了。

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西湖船家电气控制工程师

2015-04-26 17:30

支持核电发展!不能因为现实存在的危险就放弃应用,放弃研究!

火药是中国人发明的,够危险所以最终只是用于制作夜晚绽放的礼花,直到被西方文明炸开国门才发现已经落后很多很多……

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用石墨做慢化剂就要考虑到二回路的水进入一回路引发爆炸或者是一回路混入空气的问题了。所谓完全没有安全隐患,零风险不过是宣传语言,令人反感。

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JordonZ经济师/翻译/Visual Sense コン

2015-04-23 12:17

首先要说的是“历经···掌握···”,国人总是这么说,你懂的。

其次,HTR-PM的固有安全性主要就是楼上提到的pebble-bed,TRISO coated fuel ball,也就是高温堆的燃料组件,由于各层物理特性,其耐热温度为1600℃,而在极端事故状态下,失去冷却的堆芯温度也在1600以下,这就杜绝了堆芯融化的可能性。

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怎么可能,说这种话也不怕风大扇了舌头。

三次核事故,美国三里岛、俄国切尔诺贝利、日本福岛,全都是一个又一个的错误累加。风险永远存在,绝对安全只有不建。

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核反应堆不太了解,不过看到“任何”两个字我就“呵呵”了。

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堆是更安全了,然而以后积累下来的废料辐射问题怎么解决,怎么经济地解决!这是一个本来要关注的严重问题

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手手不乖电子DIYer,安装造价工程师

2015-04-23 08:18

我想知道在遇到比如切尔诺贝利那种情况,工人操作失误,仪表失灵的情况下这些货色也能保证安全不?

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技术上或许风险很小,但是瓷器国的工作人员素质会严重放大这个风险。

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支持者: 饶冰青

“任何情况下的零风险”,这句话就是牛B吹大了。安全生产需要各个环节一起保障,只要有人为等不可控因素在里面,就不能保证万无一失。生产单位干久了就会知道,安全事故什么花样都有,只能预防,不能杜绝。所以越是这么说,就越不信任它。

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支持者: xipo

所以是本质上的安全。

看到“本质”这两字我就不看后面了。。。很多东西本质都安全,但是在我天朝。。。。

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