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龍的搖籃:華龍一號的“中國心”

2019-05-10 21:47    華龍一號  中核集團

我們得到機會,跟“華龍一號”的主要設計者們進行了一次談話。從事核電站研究的各位,不過都是普通人模樣。混在人群中,你很難想象,他們的手里,掌握著驚天動地的力量。


??當人們還在對門口的信號基站指指點點,又怎么可能期待一座座核電站建立起來?

然而,當見過了它真實的樣子,就會意識到,我們原先的恐懼,僅僅是出于未知。

4月24日,有幸受到國資委和中核集團的邀請,我前往成都的某核工業研究機構,進行拜訪。

這個單位的大門上沒有任何字跡,對外只有一個代號:909。

 

位于西南某處山里的909紀念碑。
位于西南某處山里的909紀念碑。

核潛艇起家

909前身是研究核潛艇的。

故事開端于毛主席當年的一句“核潛艇,一萬年也要搞出來!

1965年8月,核潛艇工程啟動。

而核潛艇,最重要的還是那個“核”,也就是核反應堆動力源。

這里的核反應是指核裂變。根據愛因斯坦婦孺皆知的方程:E=mc2。物質質量“消失”時,會產生巨大能量。

最著名的例子,我不說你都知道,就是原子彈。

1965年9月,代號909的研究基地成立。次年,8000人從全國各地,操著各種口音,開進了西南地區的這座山溝。

當時,整個研究團隊,幾乎沒人懂核,更沒人懂核潛艇。資料極度匱乏,研究人員手頭只有三張模糊不清的照片和一個美國的潛艇玩具。

更倒霉的是,趕上了困難時期,8000子弟到了這里,第一年基本是在采野菜。

當時,核潛艇總設計師彭士祿,住著簡陋的土房子,房間里只有一張行軍床和一個書桌。

核潛艇總設計師彭士祿當年的住處。
核潛艇總設計師彭士祿當年的住處。

但就是這種環境,中國人從零開始,克服萬難,搞起了核潛艇。

1971年,我國第一艘核潛艇“長征一號”試航。

 

核潛艇,不用一萬年,五年就夠了

華龍一號

現在的909,將更多的精力投注到了新的領域——核電站

核電站的工作原理也簡單:通過精心控制核裂變,用核能去加熱水,產生水蒸氣驅動發電機發電。

簡單來說,就是“燒熱水 ”。

核電站工作原理。圖片來源:維基百科
核電站工作原理。圖片來源:維基百科

相比于火電站,核電站“燒熱水”的資源利用率更高,據計算,1千克鈾裂變釋放出的能量相當于2500噸煤。

中國目前最好的核電站,名叫“華龍一號 ”。

建設中的華龍一號核電站,供圖:中國核動力研究設計院。
建設中的華龍一號核電站,供圖:中國核動力研究設計院。

我們得到機會,跟“華龍一號”的主要設計者們進行了一次談話。

從事核電站研究的各位,不過都是普通人模樣。混在人群中,你很難想象,他們的手里,掌握著驚天動地的力量。

不過,從核動力歷史,到蒸發器制造,只要開始談“核”,他們眼里就會發光。

當然,說到某些內容時,談話會戛然而止,雙方有默契地笑而不語。

從目前公開的資料來看,“華龍一號”最核心的兩部分:一個是堆芯 ,另一個是安全系統

堆芯里面存儲著核原料,通過裂變反應,產生熱量,加熱周圍的水。從這個意義上來講,堆芯,就如同一個核裂變版的“熱得快”。

堆芯的外形如同一大把插在筷子籠里的筷子,“筷子”的數量及排列方式,是核電機型最核心的特征。

“華龍一號”堆芯。圖片來源:China-nea.cn
“華龍一號”堆芯

國外普遍采用堆芯的構型是“121堆芯”和“157堆芯”,即每個堆芯里面有121或者157個燃料組件。

1997年,我國學者首次提出“177堆芯”的概念,也就是把堆芯中組件數量提升到177個。增加組件數量,不僅可以提高發電功率,又能有效降低每個單獨燃料組件的運作功率,提高安全性。

當然,這一方案也是經過了十余年的探索與優化,才最終投入使用。

現在,說到核電站,只要一提“177”,全世界就知道,這是中國人的技術。

 

安全到飛機撞上都沒事

 

安全,肯定是我們最大的疑慮

首先,這有兩個基本常識:

1、核電站絕對不是原子彈,核電站不可能發生核爆炸

因為鈾的濃縮度不夠,原子彈中的鈾-235含量高達90%以上,而核電站中用到鈾的濃縮度不超過5%。

2、核電站的輻射水平很低

衡量輻射對生物影響的單位叫做西弗(Sv),核電站周圍的輻射是每年0.01毫西弗。

與之相比,自然界中,來自天空、海洋、土壤、空氣中的輻射是每年2.4毫西弗;再比如,從北京坐飛機往返巴黎,受到的輻射是0.04毫西弗。

換句話說,去歐洲旅行一次,受到輻射量,相當于在核電站附近住了四年。

現如今,核電站最大的安全隱患,是突發意外后,裂變反應所殘余的巨大熱量。

這就如同,用電磁爐搞了頓火鍋,吃完菜,關了電源,但爐子依然燙手。

在這件事上,人類吃過最大的虧是日本福島核電站事故。

2011年3月20日無人機航拍的海嘯后的福島第一核電站,從右至左分別是第1、2、3、4機組。冒出的白煙是水蒸氣。

2011年,日本東北部發生里氏9級強震,電網遭到了大面積破壞。位于此地區的日本福島第一核電站,全廠斷電,反應堆關停。

為了應對巨大的余熱,福島核電站采用的措施是,借助外部電力把余熱排出,這套系統叫做“能動”安全裝置。

然而,福島核電站中,作為備用電源的應急發電機被海嘯淹沒。沒了電力,能動系統陷入癱瘓,無法給反應堆降溫。

巨大的熱量無法導出,堆芯熔毀。同時,反應堆材料與水蒸氣反應產生了大量氫氣,在廠房內聚集。

熱量+氫氣,一場爆炸在所難免。巨大的沖擊波掀翻了廠房,同時噴射出大量放射性物質。

“福島核事故”被定義為7級核事故,上一次得到這個評級的,是切爾諾貝利。

而此時,“華龍一號”的前身——CP1000已經通過了安全審查,正準備動工建設。福島事故發生后,我國緊急暫停了相關項目的所有工作。

一名高級工程人員回憶道,“就好像婚禮上,迎親的隊伍已經出去了,突然這婚不結了。”

沒辦法,為了安全,需要再升級,也就有了如今的“華龍一號”。

吸取了福島的教訓,“華龍一號”在原有“能動”系統基礎上,又引入了一套“非能動 ”安全裝置。

華龍一號“非能動”部分安全裝置實驗臺。圖片來源:趙洋
華龍一號“非能動”部分安全裝置實驗臺

所謂的“非能動”,是指事故發生后,不用電力,就可以導出余熱的安全措施。

華龍一號的“非能動”系統主要有三部分,分別是:冷卻水箱,消氫裝置和雙層外殼。

首先,華龍一號中有巨大的冷卻水箱,里面存著約三千噸的水。發生嚴重事故時,在重力作用下,這些水會迅速注入堆腔,冷卻堆芯。

第二是消氫系統。為了防止福島出現的氫氣爆炸,華龍一號安裝了幾十臺氫氣復合器,里面有很多催化劑,可以通過化學反應將氫氣變成水。

再有,不同于現有核電站的單層外殼,華龍一號的外殼有兩層。這種安全殼除了能防止放射物跑到室外,還能抵抗外部的巨大沖擊。

雙層殼有多安全呢?工作人員說:“飛機撞上都沒事”。

看似繁瑣冗余的安全措施疊加在一起,雖然提升了成本,但是,華龍一號想做的是,100%的安全。

國家名片

“華龍一號”整套機組:共有6萬多臺設備,5300多家企業涉及生產,20萬人先后參加建設。而且,全是中國自己的技術。

177 堆芯,“能動+非能動”安全系統,全自主知識產權 ,“華龍一號”是中國的一張國家名片。

現在,已有兩臺“華龍一號”機組在巴基斯坦開始建設,并與多個國家達成合作意向。

華龍一號全球首堆示范工程福清核電基地。圖片來源:中核集團
華龍一號全球首堆示范工程福清核電基地。

2020年,華龍一號,將首次商運。

這條中華之龍,明年,起飛。

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