田嘉夫：探索核电站小型轻量化新思路

40年前,我国核能研究已经经过了起步阶段,在研究用重水堆和游泳池型轻水堆方面,获得了一些建造和运行经验,运用这种简单的反应堆技术,就可能为国家提供急迫需要的清洁能源——城市采暖需要的低温核能,于是我国就掀起了一个研究低温核供热反应堆的热潮。

核能低温供热堆技术来自清华大学核能所。1981年12月,清华大学核研院(当时称核能所)田嘉夫在北京香山举行的“中国中小型核动力反应堆会议”上发表了题为“低温核热和供热反应堆”的报告,首次提出了可在研究用反应堆技术基础上,研制出供应低温热能的反应堆。1983年核能所将池式研究堆稍加改造,就完成了为核能所几幢楼房供暖一个冬季的实验。

接着,田嘉夫团队设计出了一种专用于低温供热的新型反应堆,称为深水池供热堆。这是一种反应堆实用化的创新设计,是1985年我国第一批发明专利之一。深水池供热堆非常适用于低温供热,它具有原理性突破的意义,所用技术不复杂,又能安全经济地供应商用采暖能源。

这种低温核供热项目得到国家核工业和核安全部门、热能和城建部门以及国家环境保护部门专家的积极支持。前后经过这些部门专家6 ～7次的联合评审论证,专家们一致赞成我国可以首先在这样的新能源项目上作出示范和进一步推广应用。曾在国内5座城市开展了试点建设商用规模池式供热堆的可行性研究。

1985年核研院在院内建造了5兆瓦壳式供热堆,同样为核能所几幢楼房进行了采暖供热试验。壳式堆是国际上通用的发电堆型,当时俄国正试图建造用于低温供热的壳式堆(AST-500),可是后来没有建成,因为在低温低压下,汽化膨胀迅速,安全上遇到了难以解决的问题。我国壳式供热堆大型化(200兆瓦)后,也存在同样问题,因此至今未能实现商用采暖供热。

但是,5兆瓦试验堆的成果却获得了1991年国家教委科技进步特等奖和1992年国家科技进步一等奖和国家技术发明二等奖,被评为1989、1990年全国十大科技新闻和1990年世界十大科技成就之一。

田嘉夫说:“今天不能说明壳式堆大型化遇到的问题,不能实事求是的对待领先世界的科研结果,就只能停步不前。常常有外国人问我们,为什么你们不能用深水池供热堆去供应低于100度的热水,为你们国家的集中供热采暖和海水淡化提供清洁能源呢?”

实际上,清华大学核能所不仅是低温供热堆研究的起源单位,而且还是高温气冷堆的主要负责单位。高温气冷堆与低温供热堆相比可是一个重要得多的民用和军用的能源工程项目。

上世纪60年代末,田嘉夫团队就开始研究高温气冷堆技术,做过大量的石墨高浓铀零功率临界实验和球形元件堆积实验研究。在球形元件随机堆积实验中,曾有一个创造性成果,利用球的流动能将反应堆分区,使总功率提高一倍多,德国球床实验室知道后,还申请成专利。

随后团队发现最好的是不用球形元件随机堆积,采用规则堆积,使反应堆性能有多方面重大改进。功率可以提高2至3倍,相当于集中了柱状燃料堆和球形燃料堆的优点,这是中国特有的突破(获中国发明专利权),受到很多国家重视。后来,在2008年德国才揭露出原有的两座实验堆球形元件随机堆积技术是失败的。

田嘉夫团队还有另一项创新,就是提出了能量转换方式采用布雷顿循环,高温气冷堆与常用的燃气蒸汽联合循环机组配合,技术成熟而且具有一系列优异性能。该创新技术避免了水汽漏入堆芯的安全问题,而且由于使用核和燃气双燃料,出现了低投资和高效率的核能发电系统,具有极好的经济性。它能够以核能小堆方式带基本负荷运行,能够双燃料满功率以60%的高效率发电运行,还能以双燃料调峰适应外界负荷要求方式运行。这样崭新的双燃料应用特性,为国内外广泛应用展示出前所未有的电力能源前景。

目前这两项技术特性,可以显著地改变了核电站又大又重又不灵活的特点。现有球床高温气冷堆因为燃料球随机堆积,堆积密度是疏松的,遇到振动时会变高,导致瞬发临界核爆炸,这是绝对不允许的。这也是美、俄、日等国家不研究球床堆,而研究柱状燃料堆的原因之一。但规则床堆积密度是不变的,因此为高温气冷堆登上移动装置,打开了军用、民用等待多年的应用大门。过去只有压水堆小堆用到水面和水下舰船上,再加上燃料不便更换,总能源成本很高。但燃料球是便于更换的燃料,可以多堆联合应用,即使功率再小也可能达到深燃耗,加上燃气轮机较小较轻的特性,完全可能为军用民用带来新局面。为此,田嘉夫呼吁,对核能转化新思路给予特殊的关心和支持。