高温气冷堆的最简明介绍

　　第四代反应堆
　　所谓的第四代反应堆，是对所有把压水沸水式完全推倒重来的设计的通称，包括了好几种截然不同的构想。这些新设计必须具有根本性的优势，否则不可能有人愿意投资几百亿美元来做开发。目前有若干候选堆型，例如比较成熟的高温气冷堆和快中子反应堆（FastBreeder）：前者专注在安全性，保证绝不熔堆；而后者则可以用来做元素嬗变（ElementalTransmutation），最主要是将铀238变成钚239。
　　从商业观点上来看，暂只有高温气冷堆有真正实用上的价值；快堆生产的钚是核武器的最佳原料。据说，日本自中曾根康弘首相之后便开始积极囤积钚239，所用的借口是把钚和铀混合成MOX核能燃料。
　　生于美国，长于西德
　　高温气冷堆最早是1943年美国的FarringtonDaniels在OakRidge实验室所做的一个实验，不过一直到1960年才在西德由Schulten牵头开始实际的工程设计与建设。Schulten的反应堆简称AVR，1967年建成并网发电，电功率为15MW。
　　1986年切尔诺贝利事件后，西德对核电开始有疑虑，AVR也受到严格的监督。很不巧的是，1988年发生了一个小事故（燃料球卡在出口），在处理的过程中释放了很少量的放射性尘埃（燃料球的外壳不够强，以致破裂），但是当时的民情已经不容许任何放射性灾害，于是AVR被关闭，德国政府花了26年来清理现场并检讨整个经验。
　　中国“逢低买入”
　　中国早在1970年代末就已经从清华派了学者和学生去参加Schulten的团队，Schulten团队被解散之后，中国以极低的价格买下了知识产权的执照和图纸（南非也买了执照和图纸，但是没有什么大进展，2010年正式放弃），并且把燃料球生产线带回清华。
　　1995年中国版的HTRMODUL（改称HTR10）在清华校园开建，2000年建成并网，电功率为10MW。2005年商业版的示范堆在山东石岛湾开建，双机并联，总电功率为200MW。
　　基本原理
　　从HTR10的示意图可以看出高温气冷堆的结构极其简单，基本上就是一个大沙漏里装了几十万个燃料球，既没有中子减速剂，也没有中子吸收棒，完全不须在炉心使用机械装置。这是因为所有的功能都集中到燃料球本身，停机靠的是物理性质而不是工程手段。冷却环路用的是氦，因为氦的腐蚀性和放射吸收性都是零。
　　既然氦不会吸收放射性，理论上就可以用主环路直接驱动涡轮，从而获得更高的热效率。但是在摄氏950度用氦推动的涡轮此前没有现成的应用，必须从头开发，而我国的涡轮技术并不太强，所以清华团队很明智地选择了使用第二环路来推动蒸汽涡轮的方案，这也避免了燃料球破裂后，放射性尘埃污染涡轮的危险。如此一来，高温气冷堆的真正技术难关就完全集中到燃料球本身。
　　燃料球结构
　　燃料球是Schulten的发明，不同的高温气冷堆视设计功率需求决定放多少个燃料球；一般是几十万个。每个燃料球直径为60mm（比网球略小一点），最外层是5mm厚的强化石墨；中心的馅儿直径50mm，由八千个燃料粒和石墨混合而成。
　　石墨是很好的中子减速剂和热导体，并且可以耐热到摄氏2800度；而高温气冷堆受核子物理的天然限制，炉心温度不可能超过摄氏1600度，一般工作温度在摄氏950度左右。
　　燃料粒直径为0。92mm，由四个保护层包裹直径0。5mm的二氧化铀燃料而成。石墨和氦都不会吸收放射性，所以燃料球用完后，本身就是围阻体，可以简单装箱掩埋，无需另外的机械或化学处理；不过废料总体积会增加。
　　固有安全性
　　高温气冷堆的功率控制和绝不熔堆的保证，来自一个很特别的核子物理性质：铀235原子核吸收慢中子而引发新的裂变的截面积（亦即机率）随温度增高而减小，在摄氏1000度以上减小得很快。所以要停机，只须要把主环路的氦气风扇关掉，让炉心温度逐步升高到摄氏1600度，连锁反应就基本停止了。
　　这时铀即使熔化，因为它被包在燃料粒里，也不会泄露。既然关掉主环路里的氦气循环是正常运作的一部分，那么在天灾或故障时失去电力供应，也就没什么大不了的。
　　为什么没有普及？
　　高温气冷堆之所以至今没有普及，主要是经济上的问题。它虽然结构很简单，但是在工程设计上远不如压水沸水式成熟，所以第一代的发电站仍然故障不断，没有经济效益。此外它的功率密度很低，反应堆尺寸比压水堆大30倍，功率反而只能做到100MW，而最新的压水堆已经达到1400MW。
　　理论上模组和燃料球都可以大规模生产，长期下来成本有可能压低到远比压水式还低；但是这里有一个很大的不确定性，也就是高温气冷堆核电站是否需要传统的紧急事故处理设备，例如厂房安全壳。
　　如果高温气冷堆也必须建昂贵的厂房安全壳，那么因为它的功率密度低，安全壳就必须建得更大，而且必须在气密的同时提供气冷，费用反而会更高得多。如果因为高温气冷堆的安全性而省略了紧急事故处理设备，那么它很快就会比传统的核电厂便宜，甚至可以直接替换掉煤电厂的旧锅炉，沿用现成的蒸汽涡轮。
　　安全性有多高？
　　所以，虽然高温气冷堆的安全性已经远高于传统式的核电站，它的前途还是决定在这个安全性到底高到哪里。历史上AVR的麻烦主要在于燃料球卡在出口，而在处理的过程中有燃料球破裂。
　　原本燃料粒本身已经有四层防护，所以燃料球破裂应该也没关系；但是年产30万枚燃料球，每个球有8000个燃料粒，那就是24亿颗燃料粒。目前的工艺可以保证99。999的优良率，但是即使再提升一个数量级，也就是达到了99。9999的优良率，仍然会有2400颗破损的燃料粒，当那2400枚含问题燃料粒的燃料球破裂时，就会有可能泄露放射性尘埃。不过一颗燃料粒只含0。7mg的铀，所以这样产生的尘埃是相当微不足道的。
　　有没有风险？
　　在最坏的可能情形下，也就是当外力（例如天灾、飞弹攻击或厂房失火爆炸）打破反应炉，氦气外泄，空气进入反应炉，那么高温的石墨会自行点燃，放射性污染就有可能会随烟尘而散布（不过燃料粒的外层有SiliconCarbide，这种陶瓷材料不但坚硬、耐高温，而且不易燃）。
　　当然以这个脚本来判断安全性是很不公平的，所有其他的核电反应炉设计在同样情形下，放射性污染都会比高温气冷堆高出好几个数量级；问题在于分析了风险回报之后，是不是可以省略一些紧急事故处理设备（石岛湾似乎就省略掉了厂房安全壳，但是因为有传统的反应堆在隔壁，其他处理紧急事故的软硬体设备都是现成的；但是高温气冷堆的经济性只有在脱离传统核电厂之后才能显示出来）。
　　很不幸的是，一般民众往往缺乏风险的概念，在被传播媒体有意无意中伤的新科技上，为了极小的风险而因噎废食；而旧有的工业技术，却因为有既得利益者（如石油财团）护航，可以每年害死几万人而没有媒体敢讨论（如烧煤和烧油的空气污染，造成每年全球因肺癌死亡的人数，就远超过人类历史上因核电意外而死亡的总人数，这还不考虑全球暖化的后果）。
　　发展趋势
　　各国高温气冷堆进展：2005年美国能源法案要求能源部必须在2021年前开发并示范利用高温气冷堆技术进行发电和（或）制氢的技术和经济可行性；法国的法马通公司也在积极开展高温气冷堆技术研究，并已参加美国爱达荷高温气冷堆项目的投标；日本已经建成了高温工程试验研究堆HTTR，用于研究高温气冷堆技术和高温制氢技术；俄罗斯与美国共同开发利用高温气冷堆烧钚（Pu）的研究；南非已经开展了建设高温气冷堆电站的前期工作；韩国政府已经决定在2015年前投入16亿美元发展高温气冷堆。
　　本文主要参考了王孟源先生《高温气冷堆》一文
　　本期编辑：毕格博尔德