近日
2020年度国家科学技术奖励大会召开
清华大学王大中院士
荣获国家最高科学技术奖
回顾他的科研耕耘之路
无论是带领团队建成
世界首座10兆瓦高温气冷实验堆
还是在其指导下
由学生、核研院院长张作义接棒
与企业合作建设世界首座
模块式球床高温气冷堆核电站示范工程——
华能山东石岛湾高温气冷堆核电站
“固有安全”和“高温气冷”
都是绕不开的话题
在不久的将来
这座核电站将逐步实现商业运行
意味着中国将第一次
在一种工业规模的先进反应堆技术上
领先世界
面对这些前沿的科技成果
你也许和很多人一样充满困惑：
什么是高温气冷堆？
它与其他核反应堆有什么不同？
为什么说它具有“固有安全性”？
“固有安全性”又是什么？
……
也许你是个对核能领域
一脸茫然的“新手小白”
别担心！读完本文
你也能进阶为掌握一定知识的
“入门级选手”！
我们是如何利用核能发电的？
自从1938年科学家发现了核裂变，人类就进入了开发利用核能的时代。
经过世界各国多年的探索、比选，目前世界上大部分核电站均采用压水堆堆型，属于热中子反应堆的一种。现代化的压水堆核电站是人类工业技术的一个高峰，在全球能源供给中发挥了重要作用，我国的秦山核电站和大亚湾核电站均属此类。
以压水堆核电站为例，核能发电的主要过程分为3步：
首先，核燃料在反应堆堆芯发生核裂变链式反应产生大量的热，将核能转换成了热能；
通过冷却剂（比如水）循环，把热量从堆芯带到蒸汽发生器中，使蒸汽发生器另一侧的水受热蒸发形成水蒸汽，水蒸汽进入汽轮机内膨胀带动汽轮机转子转动，就将热能转换成了机械能；
最后，汽轮机转子带动发电机的转子旋转，使发电机发电，将机械能转换为电能，从而实现核能发电。
这个过程中，通过堆芯的冷却水和推动汽轮机做功的水蒸汽分处一回路与二回路，放射性物质不会通过水传递出来。而且，核电站只需消耗很少的核燃料就可以产生巨大的能量，核能发电的过程中几乎零碳排放，不会加剧“温室效应”，因而核能属于非常清洁、优质的能源。
世界级难题：核能应用的安全性
你也许听说过核能开发历程中发生的几次影响巨大的核事故：
1979年美国三哩岛核电站事故
1986年苏联切尔诺贝利核电站事故
2011年日本福岛核电站事故……
这些灾难性的核事故，加上公众对核能利用的另一种形式——原子弹核爆的错位联想，让安全性担忧成为人们心中的梦魇，也给世界核能事业的发展蒙上了一层阴云。越来越多的科学家意识到，安全性是核能发展的生命线，是核能技术发展必须面对的主要矛盾。
1956年，爱德华·泰勒曾提出：要使公众接受核能，反应堆安全必须是“固有的”（inherent safety）。也就是说，出现任何事故，核反应堆不依靠外部操作，而仅靠自然物理规律都能够趋向安全状态。
更具体地说，要实现核能安全，必须确保三大要素：
要素一：核裂变反应的有效控制
要素二：及时导出停堆以后堆芯的余热
要素三：牢牢地把放射性物质包容起来
而“固有安全”，就是“反应堆不靠外部动力、信号、冷却剂，就能确保这三大要素的实现，不失控、不熔毁、放射性不泄漏”。
也就是说，即使反应堆突发故障或遭遇自然灾害，一切人为操作系统都失灵，反应堆仍然可以依靠自然规律自己趋向安全的状态。
反过来，这三个要素中的任何一个未能满足，都会造成核事件或事故，不同程度污染环境。上文中的三次灾难就各自源于这三方面的原因。
而具有“固有安全性”的高温气冷堆的出现，像一簇暗夜中的火光，不可避免地吸引了各国科学家的目光。
什么是高温气冷堆？
高温气冷堆，顾名思义，必然包含“高温”、“气冷”等与其他核反应堆不同的特点。
氦气作为冷却剂
与压水堆发电的原理一样，高温气冷堆也是通过核能-热能-机械能-电能的转化实现发电。不同的是，高温气冷堆不是通过“水冷”而是通过“气冷”的方式进行堆芯冷却和热传导，即冷却剂是气体。中国高温气冷堆的冷却剂是氦气。作为一种理想的惰性气体，氦气化学性质稳定，高温下不容易与反应堆的其他物质发生反应，并且有着较好的热力学性能。
石墨作为慢化剂
为使热中子反应堆里的核裂变反应得以持续进行，核反应过程还需要一种材料，叫慢化剂，又称中子减速剂，用以减慢中子的运动速度。不同于轻水堆、重水堆核电站以水（H2O）和重水（D2O）作为慢化剂，高温气冷堆采用石墨作为慢化剂，具有良好的耐高温特性。
高温
以氦气为冷却剂、以石墨为慢化剂，加上堆内核燃料和其它材料均采用耐高温材料，这些条件使得高温气冷堆的工作温度和冷却剂的堆芯出口温度可以达到其它堆型难以企及的高度——900～1000摄氏度。
这么高的温度有什么用？让我们接着往下看。
为什么高温气冷堆具有固有安全特性？
如果说，今天的石岛湾高温气冷堆核电站是世界首座在工业规模上实现固有安全的模块式高温气冷堆核电站，那么，作为这座核电站的“原型”，世纪之初在清华大学“200号”建成的10兆瓦高温气冷实验堆，就已经在实验堆的规模上实现了固有安全这一特性。
2004年Wired杂志称其为“不会熔毁的反应堆”，是一种固有安全的核能系统，达到了当今世界核能安全的最高水平。
中国高温气冷堆具有三大核心创新技术：
一是模块式反应堆设计
为了践行追寻固有安全的初心，高温气冷堆采用模块式设计。其核心思想是把一个百万千瓦的大反应堆拆分成10个小的模块，每一个模块都是一座可以独立运行的小反应堆。
当然反�