這，是我國(guó)研發(fā)設(shè)計(jì)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)的華龍一號(hào)核電站，它每個(gè)機(jī)組占地都超過(guò)了3萬(wàn)平方米，有4.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)大，二十層樓高。
對(duì)于核電，相信大家多多少少都有了解，但談到“核”，總不免有人想到安全問(wèn)題，這么多核燃料堆在這個(gè)大家伙里真的安全嗎?
我們又是如何保障核電站安全的呢?為了弄清楚這些問(wèn)題，我們來(lái)核電站實(shí)地探訪，解答一下大家心中的疑問(wèn)。
01核電站是怎么運(yùn)行的?
要弄清核電站如何保證安全，我們首先要知道核電站是如何發(fā)電的。眾所周知，雖然名字帶“核”看起來(lái)比較高大上，但實(shí)際上，核電站本質(zhì)上還是換了種燃料燒開(kāi)水。
華龍一號(hào)一共有三條回路相互配合，燒兩次“開(kāi)水”。首先是進(jìn)行核反應(yīng)的一回路，也是核電站第一次“燒水”的地方。在這里，裝有177組燃料組件，鈾235在吸收中子后發(fā)生核裂變，同時(shí)放出大量的熱量，加熱與反應(yīng)堆直接接觸的除鹽水，不過(guò)，這次水并不會(huì)“燒開(kāi)”。
我們知道，壓力越大水的沸點(diǎn)也會(huì)越高，而核反應(yīng)堆所在的壓力容器，是一個(gè)壓力能夠達(dá)到150個(gè)大氣壓的“超級(jí)高壓鍋”!在這個(gè)壓力下，即使加熱到320℃水也不會(huì)沸騰。
在這條回路上，連接著一個(gè)叫做“蒸汽發(fā)生器”的密封容器。在這里，被密封在傳熱管中的一回路水，起到了類似燒水壺中熱管的作用，將熱量傳遞給二回路，進(jìn)行第二次“燒水”。
這次，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)，二回路的水會(huì)被 “燒開(kāi)”，形成水蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。最后，三回路會(huì)抽出海水，在冷凝器中將二回路中經(jīng)過(guò)汽輪機(jī)的蒸汽重新冷凝成水繼續(xù)循環(huán)。
這種結(jié)構(gòu)將“有核”與“無(wú)核”的回路完全隔離開(kāi)來(lái)，將核電廠分成了進(jìn)行核反應(yīng)的 “核島”與不接觸核材料的“常規(guī)島”。
反應(yīng)堆是核島中的核心組件，在它的內(nèi)部，裝載著核電站的能源心臟，由177組“燃料組件”按照核燃料富集度編組排布而成的燃料堆芯。
在每組燃料組件中，都有一捆這樣的鋯合金管燃料棒，他們當(dāng)中包裹的，是一節(jié)節(jié)被加工成短圓柱體，長(zhǎng)得像黑色粉筆的二氧化鈾燃料芯塊。除了燃料棒，還有一組叫做控制棒的組件。在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，可以根據(jù)操作人員的指令插入或者抽出核反應(yīng)堆。
其中比較特殊的，是含有鈹9和锎252的控制棒。當(dāng)它們被插入核燃料后，會(huì)向四面八方釋放中子。這些中子與核燃料結(jié)合后，鈾原子會(huì)變得不穩(wěn)定，并分裂成兩個(gè)較小的原子核，放出大量能量。
這時(shí)候，反應(yīng)堆會(huì)發(fā)出幽幽的藍(lán)光，并生成更多的中子，引發(fā)下一級(jí)的核裂變，然后將這種反應(yīng)一級(jí)一級(jí)傳遞下去，也就是我們經(jīng)常聽(tīng)到的“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”。
但核電站的“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”，其實(shí)是一條安全的“單鏈”。在大多數(shù)情況下，鈾235發(fā)生裂變時(shí)會(huì)釋放2—3個(gè)中子，如果這些中子全部引發(fā)次級(jí)核裂變，那么核裂變的次數(shù)將會(huì)以幾何級(jí)數(shù)的方式不斷增加，形成一傳十、十傳百，核反應(yīng)越來(lái)越劇烈的“超臨界狀態(tài)”。如果在某一級(jí)中子全部逸散，沒(méi)有中子進(jìn)入下一級(jí)，則會(huì)進(jìn)入核反應(yīng)逐漸停止的“負(fù)臨界狀態(tài) ”。所以為了穩(wěn)定地轉(zhuǎn)化電力，核反應(yīng)堆中的鈾燃料濃度就不能太高，才能方便控制。通過(guò)插入或者抽出控制棒，就能調(diào)控反應(yīng)堆的中子濃度，讓核反應(yīng)始終處于一個(gè)鈾235核的裂變恰好引發(fā)另一個(gè)鈾235核的裂變的“臨界狀態(tài)”。所以，在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，核電站中進(jìn)行的核反應(yīng)始終是安全的。
02核電站結(jié)構(gòu)上如何防護(hù)
作為“國(guó)之重器”，在核電站的修建過(guò)程中，不能只考慮正常的運(yùn)行狀態(tài)，還要考慮突發(fā)情況下的應(yīng)對(duì)措施。而包裹著核反應(yīng)堆和一回路水的核島，則是突發(fā)情況下絕對(duì)的布防重點(diǎn)。
為了保護(hù)突發(fā)情況下核島的完整性，華龍一號(hào)在從燃料到廠房的各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)置了四道安全屏障。前兩道屏障就是我們前面提到過(guò)長(zhǎng)得像黑色粉筆的核燃料芯塊和包裹它的金屬包殼管。
核裂變產(chǎn)生的放射性物質(zhì)中，98%以上都會(huì)滯留在核燃料芯塊中，不會(huì)被釋放出來(lái)。而核燃料芯塊則被壓緊“封印”在兩端密封焊接的金屬包殼管內(nèi)。這種材料能夠承受1200℃的高溫，防止放射性物質(zhì)進(jìn)入一回路的水中。
在反應(yīng)堆的外圍，則是第三道屏障一部分的壓力容器，這是一個(gè)壁厚高達(dá)20cm，能夠耐高溫、高壓和強(qiáng)輻射的“鐵罐子”，牢牢包裹住了整個(gè)核反應(yīng)堆。即使燃料棒發(fā)生破損，它也能夠阻止反應(yīng)堆的輻射泄漏到核島的廠房中，把異常輻射控制在反應(yīng)堆內(nèi)。
在壓力容器外，華龍一號(hào)還有雙層混凝土安全殼作為最后一道屏障。也就是大家現(xiàn)在看到的這個(gè)巨大的圓柱形水泥罩子。
華龍一號(hào)的安全殼分成內(nèi)外兩層，外層壁厚1.5米，內(nèi)層壁厚1.3米，內(nèi)殼的內(nèi)表面還加有6毫米厚的鋼材。現(xiàn)場(chǎng)的工作人員告訴我們，就連兩層安全殼之間在模型上看上去很窄的縫，里面都能站個(gè)人。安全殼的建設(shè)過(guò)程中，所有材料都遵循最高的強(qiáng)度要求，采用了標(biāo)號(hào)最高的C60混凝土。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，單在一個(gè)華龍一號(hào)機(jī)組的建設(shè)過(guò)程中，就使用了27.28萬(wàn)方混凝土和9.21萬(wàn)噸鋼筋，差不多夠蓋兩個(gè)鳥(niǎo)巢。
03核島的安全結(jié)構(gòu)如何保證這種危機(jī)時(shí)刻的安全
不過(guò)，對(duì)于核電站來(lái)說(shuō)，在極端情況下“堅(jiān)固”還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為了保證在對(duì)反應(yīng)堆的控制失效，乃至遭遇地震、海嘯等極端情況，核電站本身的供水供電受到影響的情況下的安全。華龍一號(hào)還配備了四套冷卻反應(yīng)堆的安全系統(tǒng)作為核電站的“應(yīng)急預(yù)案”。
在反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器上，都有一條緊急情況下備用的注水管道。在安全殼的頂部，還設(shè)有噴淋裝置。一旦發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆冷卻不足或者蒸汽發(fā)生器出現(xiàn)管道破裂失水，工作人員就能激活這套應(yīng)急系統(tǒng)，從放置在核島的安全水箱中抽水并注入到堆芯和蒸汽發(fā)生器所在的回路中，并啟動(dòng)噴淋裝置給安全殼降溫。
但是，不管是緊急注水還是噴淋，也還是需要電力的驅(qū)動(dòng)。所以，針對(duì)可能停水停電的極端情況，華龍一號(hào)還給這個(gè)需要電力的“能動(dòng)”備份方案，設(shè)計(jì)了一套可以完全脫離動(dòng)力電源的“非能動(dòng)”方案作為“備份的備份”。
在一回路、蒸汽發(fā)生器上，各有一個(gè)懸在高處的水箱，當(dāng)檢測(cè)到反應(yīng)堆需要冷卻時(shí)閥門(mén)自動(dòng)啟動(dòng)，在重力的作用下，將冷卻水灌入反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器中，保證在工廠全廠完全斷電的情況下，核島也能完成散熱。
并且，混凝土安全殼的“穹頂”外面這一圈凸出來(lái)的“帽子”里，也有一系列存滿了冷卻水的巨大水箱，通過(guò)熱管水箱連接著安全殼內(nèi)的換熱器。
當(dāng)安全殼過(guò)熱時(shí)，內(nèi)部的溫度會(huì)加熱換熱器，把安全殼“帽子”里的水燒開(kāi)，通過(guò)水蒸汽把熱量帶出去。即使這些措施全部失效，反應(yīng)堆真的發(fā)生了熔毀，也同樣有能動(dòng)與非能動(dòng)兩套方案進(jìn)行堆腔注水，對(duì)壓力容器進(jìn)行冷卻，將融化的放射性物質(zhì)控制在壓力容器內(nèi)。
最后的最后，即使真的發(fā)生了最壞的情況，堆芯發(fā)生熔毀，安全殼兩層之間采取的負(fù)壓設(shè)計(jì)也能保證兩層之間環(huán)形區(qū)域的壓力低于大氣壓。即使發(fā)生破損，也是吸入外部空氣，不會(huì)將核島內(nèi)的空氣往外排，最大程度降低放射性物質(zhì)的外溢。
04華龍一號(hào)的人控安全保障
當(dāng)然，以上我們聊到的，都是裝置本身的防護(hù)。但再完美的裝置，終究也是要靠人來(lái)運(yùn)行的。
操作核電站其實(shí)是一項(xiàng)既龐雜，又需要時(shí)刻準(zhǔn)確與專注的工作。華龍一號(hào)的工作人員向我們介紹，從一個(gè)畢業(yè)生到成為一個(gè)能上崗的核電站操縱員，至少要經(jīng)過(guò)上百次大大小小的考試。在這個(gè)過(guò)程中，參與培訓(xùn) 的“預(yù)備役”操作員要進(jìn)行14門(mén)理論課程培訓(xùn)，還得取得輻射防護(hù)、工業(yè)安全、消防、急救和應(yīng)急各類授權(quán)。
還要來(lái)我們這個(gè)模擬機(jī)組進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)考試，模擬機(jī)組突發(fā)應(yīng)急事件。而且就算全部通過(guò)了這些考試，也并不代表就萬(wàn)事大吉了，每五年，考取了執(zhí)照的操縱員還得進(jìn)行一次換照考試，重新回爐一趟。除了專業(yè)知識(shí)之外，在核電站的工作環(huán)境下，即使是一個(gè)最簡(jiǎn)單的按鈕操作，萬(wàn)一操縱員理解錯(cuò)了指令，或者按錯(cuò)了鈕，也都可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的后果。
為了避免這種把“前門(mén)樓子”聽(tīng)成“胯骨軸子”的誤操作，核電站里的工作人員會(huì)使用一種叫做“三向交流法”的特殊方式溝通。
在這個(gè)過(guò)程中，命令的發(fā)起者和確認(rèn)者，要反復(fù)確認(rèn)三次完整的命令，最大程度確保了沒(méi)有指令上的誤解，保證人控的安全。
我們需要核電，也需要安全,化石能源只是人類的新手大禮包,但人類無(wú)法永遠(yuǎn)躺在搖籃里。
總有一天，人類需要離開(kāi)搖籃。而核能，則是目前看起來(lái)最有可能幫助我們離開(kāi)搖籃的方案。如何打造完全安全的核電，也許是一個(gè)永恒的命題,但因噎廢食絕對(duì)不是答案。
