龍的搖籃:華龍一號的“中國心”_風聞
观察者网用户_274403-2019-05-14 09:35
文章來源丨我是科學家
本文為“科幻科普作家進新國企”活動的一部分,寫作取材過程部分接受了中國核工業集團的實地取材接待
當人們還在對門口的信號基站指指點點,又怎麼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,僅僅是出於未知。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

位於西南某處山裏的909紀念碑。
核潛艇起家
909前身是研究核潛艇的。故事開端於毛主席當年的一句“核潛艇,一萬年也要搞出來!”
1965年8月,核潛艇工程啓動。
而核潛艇,最重要的還是那個“核”,也就是核反應堆動力源。這裏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,我不説你都知道,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,操着各種口音,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。更倒黴的是,趕上了困難時期,8000子弟到了這裏,第一年基本是在採野菜。當時,核潛艇總設計師彭士祿,住着簡陋的土房子,房間裏只有一張行軍牀和一個書桌。

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。簡單來説,就是“燒熱水”。
核電站工作原理,圖片來源:維基百科
相比於火電站,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於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。
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。混在人羣中,你很難想象,他們的手裏,掌握着驚天動地的力量。不過,從核動力歷史,到蒸發器製造,只要開始談“核”,他們眼裏就會發光。當然,説到某些內容時,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。堆芯裏面存儲着核原料,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裏的筷子,“筷子”的數量及排列方式,是核電機型最核心的特徵。
“華龍一號”堆芯,圖片來源:China-nea.cn
國外普遍採用堆芯的構型是“121堆芯”和“157堆芯”,即每個堆芯裏面有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餘年的探索與優化,才最終投入使用。現在,説到核電站,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。換句話説,去歐洲旅行一次,受到輻射量,相當於在核電站附近住了四年。
如今,核電站最大的安全隱患,是突發意外後,裂變反應所殘餘的巨大熱量。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後的福島第一核電站,從右至左分別是第1、2、3、4機組。冒出的白煙是水蒸氣。圖片來源:Air Photo Service Co. Ltd., Japan
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。位於此地區的日本福島第一核電站,全廠斷電,反應堆關停。為了應對巨大的餘熱,福島核電站採用的措施是,藉助外部電力把餘熱排出,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,無法給反應堆降温。巨大的熱量無法導出,堆芯熔燬。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。巨大的衝擊波掀翻了廠房,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。福島事故發生後,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。所謂的“非能動”,是指事故發生後,不用電力,就可以導出餘熱的安全措施。
華龍一號“非能動”部分安全裝置實驗台,供圖:趙洋
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,裏面存着約三千噸的水。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台氫氣複合器,裏面有很多催化劑,可以通過化學反應將氫氣變成水。再有,不同於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?工作人員説:“飛機撞上都沒事”。
看似繁瑣冗餘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6萬多台設備,5300多家企業涉及生產,20萬人先後參加建設。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,已有兩台“華龍一號”機組在巴基斯坦開始建設,並與多個國家達成合作意向。
華龍一號全球首堆示範工程福清核電基地,圖片來源:中核集團
2020年,華龍一號,將首次商運。
這條中華之龍,明年,起飛。





