這，是我國研發(fā)設(shè)計的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)的華龍一號核電站，它每個機組占地都超過了3萬平方米，有4.2個標準足球場大，二十層樓高。
對于核電，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題，這么多核燃料堆在這個大家伙里真的安全嗎?
我們又是如何保障核電站安全的呢?為了弄清楚這些問題，我們來核電站實地探訪，解答一下大家心中的疑問。
01核電站是怎么運行的?
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”看起來比較高大上，但實際上，核電站本質(zhì)上還是換了種燃料燒開水。
華龍一號一共有三條回路相互配合，燒兩次“開水”。首先是進行核反應(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，同時放出大量的熱量，加熱與反應(yīng)堆直接接觸的除鹽水，不過，這次水并不會“燒開”。
我們知道，壓力越大水的沸點也會越高，而核反應(yīng)堆所在的壓力容器，是一個壓力能夠達到150個大氣壓的“超級高壓鍋”!在這個壓力下，即使加熱到320℃水也不會沸騰。
在這條回路上，連接著一個叫做“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，進行第二次“燒水”。
這次，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)，二回路的水會被 “燒開”，形成水蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電。最后，三回路會抽出海水，在冷凝器中將二回路中經(jīng)過汽輪機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“無核”的回路完全隔離開來，將核電廠分成了進行核反應(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，他們當中包裹的，是一節(jié)節(jié)被加工成短圓柱體，長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)堆運行時，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。當它們被插入核燃料后，會向四面八方釋放中子。這些中子與核燃料結(jié)合后，鈾原子會變得不穩(wěn)定，并分裂成兩個較小的原子核，放出大量能量。
這時候，反應(yīng)堆會發(fā)出幽幽的藍光，并生成更多的中子，引發(fā)下一級的核裂變，然后將這種反應(yīng)一級一級傳遞下去，也就是我們經(jīng)常聽到的“鏈式反應(yīng)”。
但核電站的“鏈式反應(yīng)”，其實是一條安全的“單鏈”。在大多數(shù)情況下，鈾235發(fā)生裂變時會釋放2—3個中子，如果這些中子全部引發(fā)次級核裂變，那么核裂變的次數(shù)將會以幾何級數(shù)的方式不斷增加，形成一傳十、十傳百，核反應(yīng)越來越劇烈的“超臨界狀態(tài)”。如果在某一級中子全部逸散，沒有中子進入下一級，則會進入核反應(yīng)逐漸停止的“負臨界狀態(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)始終處于一個鈾235核的裂變恰好引發(fā)另一個鈾235核的裂變的“臨界狀態(tài)”。所以，在正常的運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，核電站中進行的核反應(yīng)始終是安全的。
02核電站結(jié)構(gòu)上如何防護
作為“國之重器”，在核電站的修建過程中，不能只考慮正常的運行狀態(tài)，還要考慮突發(fā)情況下的應(yīng)對措施。而包裹著核反應(yīng)堆和一回路水的核島，則是突發(fā)情況下絕對的布防重點。
為了保護突發(fā)情況下核島的完整性，華龍一號在從燃料到廠房的各個環(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長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%以上都會滯留在核燃料芯塊中，不會被釋放出來。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，這是一個壁厚高達20cm，能夠耐高溫、高壓和強輻射的“鐵罐子”，牢牢包裹住了整個核反應(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)在看到的這個巨大的圓柱形水泥罩子。
華龍一號的安全殼分成內(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?，F(xiàn)場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，里面都能站個人。安全殼的建設(shè)過程中，所有材料都遵循最高的強度要求，采用了標號最高的C60混凝土。
據(jù)統(tǒng)計，單在一個華龍一號機組的建設(shè)過程中，就使用了27.28萬方混凝土和9.21萬噸鋼筋，差不多夠蓋兩個鳥巢。
03核島的安全結(jié)構(gòu)如何保證這種危機時刻的安全
不過，對于核電站來說，在極端情況下“堅固”還遠遠不夠。為了保證在對反應(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。所以，針對可能停水停電的極端情況，華龍一號還給這個需要電力的“能動”備份方案，設(shè)計了一套可以完全脫離動力電源的“非能動”方案作為“備份的備份”。
在一回路、蒸汽發(fā)生器上，各有一個懸在高處的水箱，當檢測到反應(yīng)堆需要冷卻時閥門自動啟動，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”外面這一圈凸出來的“帽子”里，也有一系列存滿了冷卻水的巨大水箱，通過熱管水箱連接著安全殼內(nèi)的換熱器。
當安全殼過熱時，內(nèi)部的溫度會加熱換熱器，把安全殼“帽子”里的水燒開，通過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，也同樣有能動與非能動兩套方案進行堆腔注水，對壓力容器進行冷卻，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壓設(shè)計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華龍一號的人控安全保障
當然，以上我們聊到的，都是裝置本身的防護。但再完美的裝置，終究也是要靠人來運行的。
操作核電站其實是一項既龐雜，又需要時刻準確與專注的工作。華龍一號的工作人員向我們介紹，從一個畢業(yè)生到成為一個能上崗的核電站操縱員，至少要經(jīng)過上百次大大小小的考試。在這個過程中，參與培訓 的“預(yù)備役”操作員要進行14門理論課程培訓，還得取得輻射防護、工業(yè)安全、消防、急救和應(yīng)急各類授權(quán)。
還要來我們這個模擬機組進行實戰(zhàn)考試，模擬機組突發(fā)應(yīng)急事件。而且就算全部通過了這些考試，也并不代表就萬事大吉了，每五年，考取了執(zhí)照的操縱員還得進行一次換照考試，重新回爐一趟。除了專業(yè)知識之外，在核電站的工作環(huán)境下，即使是一個最簡單的按鈕操作，萬一操縱員理解錯了指令，或者按錯了鈕，也都可能會引發(fā)嚴重的后果。
為了避免這種把“前門樓子”聽成“胯骨軸子”的誤操作，核電站里的工作人員會使用一種叫做“三向交流法”的特殊方式溝通。
在這個過程中，命令的發(fā)起者和確認者，要反復(fù)確認三次完整的命令，最大程度確保了沒有指令上的誤解，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,但人類無法永遠躺在搖籃里。
總有一天，人類需要離開搖籃。而核能，則是目前看起來最有可能幫助我們離開搖籃的方案。如何打造完全安全的核電，也許是一個永恒的命題,但因噎廢食絕對不是答案。
