編者按:隨著經(jīng)濟發(fā)展,石油、煤炭等化石能源逐漸枯竭,且對生態(tài)環(huán)境影響巨大。人類社會經(jīng)濟發(fā)展,對清潔、可持續(xù)的新能源的需求十分迫切。核能的開發(fā)利用,便成了擺在廣大科研工作者面前的重要課題。而其中核電站的小型輕量化研究,就具有十分重要的意義。

40年前,我國核能研究已經(jīng)經(jīng)過了起步階段,在研究用重水堆和游泳池型輕水堆方面,獲得了一些建造和運行經(jīng)驗,運用這種簡單的反應(yīng)堆技術(shù),就可能為國家提供急迫需要的清潔能源——城市采暖需要的低溫核能,于是我國就掀起了一個研究低溫核供熱反應(yīng)堆的熱潮。

核能低溫供熱堆技術(shù)來自清華大學(xué)核能所。1981年12月,清華大學(xué)核研院(當(dāng)時稱核能所)田嘉夫在北京香山舉行的“中國中小型核動力反應(yīng)堆會議”上發(fā)表了題為“低溫核熱和供熱反應(yīng)堆”的報告,首次提出了可在研究用反應(yīng)堆技術(shù)基礎(chǔ)上,研制出供應(yīng)低溫?zé)崮艿姆磻?yīng)堆。1983年核能所將池式研究堆稍加改造,就完成了為核能所幾幢樓房供暖一個冬季的實驗。

接著,田嘉夫團隊設(shè)計出了一種專用于低溫供熱的新型反應(yīng)堆,稱為深水池供熱堆。這是一種反應(yīng)堆實用化的創(chuàng)新設(shè)計,是1985年我國第一批發(fā)明專利之一。深水池供熱堆非常適用于低溫供熱,它具有原理性突破的意義,所用技術(shù)不復(fù)雜,又能安全經(jīng)濟地供應(yīng)商用采暖能源。

這種低溫核供熱項目得到國家核工業(yè)和核安全部門、熱能和城建部門以及國家環(huán)境保護部門專家的積極支持。前后經(jīng)過這些部門專家6 ～7次的聯(lián)合評審論證,專家們一致贊成我國可以首先在這樣的新能源項目上作出示范和進一步推廣應(yīng)用。曾在國內(nèi)5座城市開展了試點建設(shè)商用規(guī)模池式供熱堆的可行性研究。

1985年核研院在院內(nèi)建造了5兆瓦殼式供熱堆,同樣為核能所幾幢樓房進行了采暖供熱試驗。殼式堆是國際上通用的發(fā)電堆型,當(dāng)時俄國正試圖建造用于低溫供熱的殼式堆(AST-500),可是后來沒有建成,因為在低溫低壓下,汽化膨脹迅速,安全上遇到了難以解決的問題。我國殼式供熱堆大型化(200兆瓦)后,也存在同樣問題,因此至今未能實現(xiàn)商用采暖供熱。

但是,5兆瓦試驗堆的成果卻獲得了1991年國家教委科技進步特等獎和1992年國家科技進步一等獎和國家技術(shù)發(fā)明二等獎,被評為1989、1990年全國十大科技新聞和1990年世界十大科技成就之一。

田嘉夫說:“今天不能說明殼式堆大型化遇到的問題,不能實事求是的對待領(lǐng)先世界的科研結(jié)果,就只能停步不前。常常有外國人問我們,為什么你們不能用深水池供熱堆去供應(yīng)低于100度的熱水,為你們國家的集中供熱采暖和海水淡化提供清潔能源呢?”

實際上,清華大學(xué)核能所不僅是低溫供熱堆研究的起源單位,而且還是高溫氣冷堆的主要負(fù)責(zé)單位。高溫氣冷堆與低溫供熱堆相比可是一個重要得多的民用和軍用的能源工程項目。

上世紀(jì)60年代末,田嘉夫團隊就開始研究高溫氣冷堆技術(shù),做過大量的石墨高濃鈾零功率臨界實驗和球形元件堆積實驗研究。在球形元件隨機堆積實驗中,曾有一個創(chuàng)造性成果,利用球的流動能將反應(yīng)堆分區(qū),使總功率提高一倍多,德國球床實驗室知道后,還申請成專利。

隨后團隊發(fā)現(xiàn)最好的是不用球形元件隨機堆積,采用規(guī)則堆積,使反應(yīng)堆性能有多方面重大改進。功率可以提高2至3倍,相當(dāng)于集中了柱狀燃料堆和球形燃料堆的優(yōu)點,這是中國特有的突破(獲中國發(fā)明專利權(quán)),受到很多國家重視。后來,在2008年德國才揭露出原有的兩座實驗堆球形元件隨機堆積技術(shù)是失敗的。

田嘉夫團隊還有另一項創(chuàng)新,就是提出了能量轉(zhuǎn)換方式采用布雷頓循環(huán),高溫氣冷堆與常用的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機組配合,技術(shù)成熟而且具有一系列優(yōu)異性能。該創(chuàng)新技術(shù)避免了水汽漏入堆芯的安全問題,而且由于使用核和燃?xì)怆p燃料,出現(xiàn)了低投資和高效率的核能發(fā)電系統(tǒng),具有極好的經(jīng)濟性。它能夠以核能小堆方式帶基本負(fù)荷運行,能夠雙燃料滿功率以60%的高效率發(fā)電運行,還能以雙燃料調(diào)峰適應(yīng)外界負(fù)荷要求方式運行。這樣嶄新的雙燃料應(yīng)用特性,為國內(nèi)外廣泛應(yīng)用展示出前所未有的電力能源前景。

目前這兩項技術(shù)特性,可以顯著地改變了核電站又大又重又不靈活的特點。現(xiàn)有球床高溫氣冷堆因為燃料球隨機堆積,堆積密度是疏松的,遇到振動時會變高,導(dǎo)致瞬發(fā)臨界核爆炸,這是絕對不允許的。這也是美、俄、日等國家不研究球床堆,而研究柱狀燃料堆的原因之一。但規(guī)則床堆積密度是不變的,因此為高溫氣冷堆登上移動裝置,打開了軍用、民用等待多年的應(yīng)用大門。過去只有壓水堆小堆用到水面和水下艦船上,再加上燃料不便更換,總能源成本很高。但燃料球是便于更換的燃料,可以多堆聯(lián)合應(yīng)用,即使功率再小也可能達到深燃耗,加上燃?xì)廨啓C較小較輕的特性,完全可能為軍用民用帶來新局面。為此,田嘉夫呼吁,對核能轉(zhuǎn)化新思路給予特殊的關(guān)心和支持。

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