龙的摇篮:华龙一号的“中国心”
发布日期:2019-04-30 访问次数: 信息来源: 字号:[ ]

       当人们还在对门口的信号基站指指点点,又怎么可能期待一座座核电站建立起来?

  然而,当见过了它真实的样子,就会意识到,我们原先的恐惧,仅仅是出于未知。

  4月24日,有幸受到国资委和中核集团的邀请,我前往成都的某核工业研究机构,进行拜访。

  这个单位的大门上没有任何字迹,对外只有一个代号:

  909

  

  位于西南某处山里的909纪念碑。

  核潜艇起家

  909前身是研究核潜艇的。

  故事开端于毛主席当年的一句“核潜艇,一万年也要搞出来!”

  1965年8月,核潜艇工程启动。

  而核潜艇,最重要的还是那个“核”,也就是核反应堆动力源。

  这里的核反应是指核裂变。根据爱因斯坦妇孺皆知的方程:E=mc2。物质质量“消失”时,会产生巨大能量。

  最著名的例子,我不说你都知道,就是原子弹。

  1965年9月,代号909的研究基地成立。次年,8000人从全国各地,操着各种口音,开进了西南地区的这座山沟。

  当时,整个研究团队,几乎没人懂核,更没人懂核潜艇。资料极度匮乏,研究人员手头只有三张模糊不清的照片和一个美国的潜艇玩具。

  更倒霉的是,赶上了困难时期,8000子弟到了这里,第一年基本是在采野菜。

  当时,核潜艇总设计师彭士禄,住着简陋的土房子,房间里只有一张行军床和一个书桌。

  

  核潜艇总设计师彭士禄当年的住处

  但就是这种环境,中国人从零开始,克服万难,搞起了核潜艇。

  1971年,我国第一艘核潜艇“长征一号”试航。

  核潜艇,不用一万年,五年就够了。

  华龙一号

  现在的909,将更多的精力投注到了新的领域——核电站。

  核电站的工作原理也简单:通过精心控制核裂变,用核能去加热水,产生水蒸气驱动发电机发电。

  简单来说,就是“烧热水”。

  

  核电站工作原理,图片来源:维基百科

  相比于火电站,核电站“烧热水”的资源利用率更高,据计算,1千克铀裂变释放出的能量相当于2500吨煤。

  中国目前最好的核电站,名叫“华龙一号”。

  

  建设中的华龙一号核电站,供图:中国核动力研究设计院。

  我们得到机会,跟“华龙一号”的主要设计者们进行了一次谈话。

  从事核电站研究的各位,不过都是普通人模样。混在人群中,你很难想象,他们的手里,掌握着惊天动地的力量。

  不过,从核动力历史,到蒸发器制造,只要开始谈“核”,他们眼里就会发光。

  当然,说到某些内容时,谈话会戛然而止,双方有默契地笑而不语。

  从目前公开的资料来看,“华龙一号”最核心的两部分:一个是堆芯,另一个是安全系统。

  堆芯里面存储着核原料,通过裂变反应,产生热量,加热周围的水。从这个意义上来讲,堆芯,就如同一个核裂变版的“热得快”。

  堆芯的外形如同一大把插在筷子笼里的筷子,“筷子”的数量及排列方式,是核电机型最核心的特征。

  

  “华龙一号”堆芯,图片来源:China-nea.cn

  国外普遍采用堆芯的构型是“121堆芯”和“157堆芯”,即每个堆芯里面有121或者157个燃料组件。

  1997年,我国学者首次提出“177堆芯”的概念,也就是把堆芯中组件数量提升到177个。增加组件数量,不仅可以提高发电功率,又能有效降低每个单独燃料组件的运作功率,提高安全性。

  当然,这一方案也是经过了十余年的探索与优化,才最终投入使用。

  现在,说到核电站,只要一提“177”,全世界就知道,这是中国人的技术。

  安全到飞机撞上都没事

  安全,肯定是我们最大的疑虑。

  首先,这有两个基本常识:

  1、核电站绝对不是原子弹,核电站不可能发生核爆炸。

  因为铀的浓缩度不够,原子弹中的铀-235含量高达90%以上,而核电站中用到铀的浓缩度不超过5%。

  2、核电站的辐射水平很低。

  衡量辐射对生物影响的单位叫做西弗(Sv),核电站周围的辐射是每年0.01毫西弗。

  与之相比,自然界中,来自天空、海洋、土壤、空气中的辐射是每年2.4毫西弗;再比如,从北京坐飞机往返巴黎,受到的辐射是0.04毫西弗。

  换句话说,去欧洲旅行一次,受到辐射量,相当于在核电站附近住了四年。

  现如今,核电站最大的安全隐患,是突发意外后,裂变反应所残余的巨大热量。

  这就如同,用电磁炉搞了顿火锅,吃完菜,关了电源,但炉子依然烫手。

  在这件事上,人类吃过最大的亏是日本福岛核电站事故。

  

  2011年3月20日无人机航拍的海啸后的福岛第一核电站,从右至左分别是第1、2、3、4机组。冒出的白烟是水蒸气。图片来源:Air Photo Service Co. Ltd., Japan

  2011年,日本东北部发生里氏9级强震,电网遭到了大面积破坏。位于此地区的日本福岛第一核电站,全厂断电,反应堆关停。

  为了应对巨大的余热,福岛核电站采用的措施是,借助外部电力把余热排出,这套系统叫做“能动”安全装置。

  然而,福岛核电站中,作为备用电源的应急发电机被海啸淹没。没了电力,能动系统陷入瘫痪,无法给反应堆降温。

  巨大的热量无法导出,堆芯熔毁。同时,反应堆材料与水蒸气反应产生了大量氢气,在厂房内聚集。

  热量+氢气,一场爆炸在所难免。巨大的冲击波掀翻了厂房,同时喷射出大量放射性物质。

  “福岛核事故”被定义为7级核事故,上一次得到这个评级的,是切尔诺贝利。

  而此时,“华龙一号”的前身——CP1000已经通过了安全审查,正准备动工建设。福岛事故发生后,我国紧急暂停了相关项目的所有工作。

  一名高级工程人员回忆道,“就好像婚礼上,迎亲的队伍已经出去了,突然这婚不结了。”

  没办法,为了安全,需要再升级,也就有了如今的“华龙一号”。

  吸取了福岛的教训,“华龙一号”在原有“能动”系统基础上,又引入了一套“非能动”安全装置。

  

  华龙一号“非能动”部分安全装置实验台,供图:赵洋

  所谓的“非能动”,是指事故发生后,不用电力,就可以导出余热的安全措施。

  华龙一号的“非能动”系统主要有三部分,分别是:冷却水箱,消氢装置和双层外壳。

  首先,华龙一号中有巨大的冷却水箱,里面存着约三千吨的水。发生严重事故时,在重力作用下,这些水会迅速注入堆腔,冷却堆芯。

  第二是消氢系统。为了防止福岛出现的氢气爆炸,华龙一号安装了几十台氢气复合器,里面有很多催化剂,可以通过化学反应将氢气变成水。

  再有,不同于现有核电站的单层外壳,华龙一号的外壳有两层。这种安全壳除了能防止放射物跑到室外,还能抵抗外部的巨大冲击。

  双层壳有多安全呢?工作人员说:“飞机撞上都没事”。

  看似繁琐冗余的安全措施叠加在一起,虽然提升了成本,但是,华龙一号想做的是,100%的安全。

  国家名片

  “华龙一号”整套机组:共有6万多台设备,5300多家企业涉及生产,20万人先后参加建设。而且,全是中国自己的技术。

  177堆芯,“能动+非能动”安全系统,全自主知识产权,“华龙一号”是中国的一张国家名片。

  现在,已有两台“华龙一号”机组在巴基斯坦开始建设,并与多个国家达成合作意向。

  

  华龙一号全球首堆示范工程福清核电基地,图片来源:中核集团

  2020年,华龙一号,将首次商运。

  这条中华之龙,明年,起飞。(科普中国)

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