編者按:隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,石油、煤炭等化石能源逐漸枯竭,且對(duì)生態(tài)環(huán)境影響巨大。人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,對(duì)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(guó)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn),運(yùn)用這種簡(jiǎn)單的反應(yīng)堆技術(shù),就可能為國(guó)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(guó)就掀起了一個(gè)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(shí)稱核能所)田嘉夫在北京香山舉行的“中國(guó)中小型核動(dòng)力反應(yīng)堆會(huì)議”上發(fā)表了題為“低溫核熱和供熱反應(yīng)堆”的報(bào)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(gè)冬季的實(shí)驗(yàn)。
接著,田嘉夫團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(shí)用化的創(chuàng)新設(shè)計(jì),是1985年我國(guó)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(jì)地供應(yīng)商用采暖能源。
這種低溫核供熱項(xiàng)目得到國(guó)家核工業(yè)和核安全部門、熱能和城建部門以及國(guó)家環(huán)境保護(hù)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(píng)審論證,專家們一致贊成我國(guó)可以首先在這樣的新能源項(xiàng)目上作出示范和進(jìn)一步推廣應(yīng)用。曾在國(guó)內(nèi)5座城市開展了試點(diǎn)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(jìn)行了采暖供熱試驗(yàn)。殼式堆是國(guó)際上通用的發(fā)電堆型,當(dāng)時(shí)俄國(guó)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?yàn)樵诘蜏氐蛪合?汽化膨脹迅速,安全上遇到了難以解決的問題。我國(guó)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(shí)現(xiàn)商用采暖供熱。
但是,5兆瓦試驗(yàn)堆的成果卻獲得了1991年國(guó)家教委科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)和1992年國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng),被評(píng)為1989、1990年全國(guó)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(shí)事求是的對(duì)待領(lǐng)先世界的科研結(jié)果,就只能停步不前。常常有外國(guó)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(guó)家的集中供熱采暖和海水淡化提供清潔能源呢?”
實(shí)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(gè)重要得多的民用和軍用的能源工程項(xiàng)目。
上世紀(jì)60年代末,田嘉夫團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)和球形元件堆積實(shí)驗(yàn)研究。在球形元件隨機(jī)堆積實(shí)驗(yàn)中,曾有一個(gè)創(chuàng)造性成果,利用球的流動(dòng)能將反應(yīng)堆分區(qū),使總功率提高一倍多,德國(guó)球床實(shí)驗(yàn)室知道后,還申請(qǐng)成專利。
隨后團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)最好的是不用球形元件隨機(jī)堆積,采用規(guī)則堆積,使反應(yīng)堆性能有多方面重大改進(jìn)。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(diǎn),這是中國(guó)特有的突破(獲中國(guó)發(fā)明專利權(quán)),受到很多國(guó)家重視。后來,在2008年德國(guó)才揭露出原有的兩座實(shí)驗(yàn)堆球形元件隨機(jī)堆積技術(shù)是失敗的。
田嘉夫團(tuán)隊(duì)還有另一項(xiàng)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(jī)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(jì)性。它能夠以核能小堆方式帶基本負(fù)荷運(yùn)行,能夠雙燃料滿功率以60%的高效率發(fā)電運(yùn)行,還能以雙燃料調(diào)峰適應(yīng)外界負(fù)荷要求方式運(yùn)行。這樣嶄新的雙燃料應(yīng)用特性,為國(guó)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(xiàng)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(diǎn)?，F(xiàn)有球床高溫氣冷堆因?yàn)槿剂锨螂S機(jī)堆積,堆積密度是疏松的,遇到振動(dòng)時(shí)會(huì)變高,導(dǎo)致瞬發(fā)臨界核爆炸,這是絕對(duì)不允許的。這也是美、俄、日等國(guó)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(dòng)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(dá)到深燃耗,加上燃?xì)廨啓C(jī)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(duì)核能轉(zhuǎn)化新思路給予特殊的關(guān)心和支持。
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