核能是世界能源的重要组成部分。自1979年美国三哩岛核事故以来，人们开始认识到核能的巨大潜在危害。切尔诺贝利和福岛事故之后，人们尤其担心核能的安全性。由于核事故危害范围大，时间长，安全性已经成为核能利用的首要问题。对于我国核能发展，李克强总理曾在很多场合提到，要保证核能利用的绝对安全。

撰文/雷奕安（北京大学物理学院）

经过长时间的跟踪研发，我国最近将高温球床氦冷堆（俗称高温气冷堆）列入重要发展方向。除了在山东石岛湾在建的第一座商用示范堆之外，已经开始在江西，湖南，浙江，福建，广东等地寻求建设不同规模的商用堆。石岛湾的示范堆按计划将于2017年建成，而江西，湖南的两座堆也计划2017年开工建设。可是这里有一个严重的问题，即第一座商用规模示范堆刚刚建成，还没有实际运营经验，没有经过运营安全评估，怎么可以建设后续堆呢？

国内关于高温气冷堆的材料中，几乎都有“世界公认安全性好”的说法。支持这一说法的理由都是理论上的，如良好燃料元件性能，堆芯大热容，大负反应性余量，冷却剂的优良性能等。还有“即使发生任何类型的事故，都不需要任何人为干预，反应堆都能保持安全状态”，“傻子都可以安全运行”的说法。

中国对高温球床氦冷堆的研究，只经历了一座小型研究堆，HTR-10。该堆仅有1万千瓦热功率，2千千瓦发电功率。发电功率仅有第一座商业示范堆的百分之一。

为了更全面地分析球床氦冷堆的安全性，我们先来看看该堆型发展的历史。

高温气冷堆有很多堆型，如英国的二氧化碳冷却石墨堆，美国和日本的棱柱氦冷石墨堆，西德（东西德1991年合并为现在的德国）的球床氦冷堆等。我国的高温气冷堆是球床氦冷堆。

球床高温氦冷堆的确有很多优点，比如热容大，能量密度低，燃料球在很高的温度下仍然稳定，负反应性系数储备大，非能动余热排出，氦气出口温度高，发电效率高，等等。作为冷却剂的氦气，也有化学性质稳定，不对反应堆部件产生化学侵蚀，中子截面小，密度变化对反应性影响小，容易提纯净化，粘度小，风机效率高，按质量计算的比热容大等优点。作为慢化剂的石墨，也有很多优点，如中子吸收截面小，膨胀率低，机械性能在工作温度区间随温度上升而提高，等等。

反应性是链式反应中子倍增率的一个描述。一个裂变中子可以被一个铀235核吸收，引起铀235裂变，产生更多中子。但是也会跑出堆芯，或者被别的原子核吸收，从而浪费掉。如果一个上一代裂变中子，正好产生一个引起裂变的下一代中子，这叫临界核反应，也就是中子倍增率k = 1。k如果大于1，大于1那一部分叫做正反应性，反之叫负反应性。反应堆工作状态的变化（温度高低，冷却剂密度大小，控制棒插入深度）都会影响反应性。任何反应堆功率的意外增加，都应该引起负的反应性，这样功率会自动降回来，而不会几何级数上升导致反应堆失控。所以负反应性是核反应堆的基本安全保证。任何正反应性都应该避免，或者必须有足够的负反应性，来补偿特殊（主要是事故）情况下出现的正反应性。

因为氦冷和石墨慢化的上述优点，石墨气冷堆在上世纪80年代前后是核能研究的一个热点。除较早开展二氧化碳冷却的英国外，美、苏、德、日等国都有研究。球床概念是西德50年代提出来的。

1990年代之前，只有西德实际建设了反应堆研究这一堆型。美国虽有研究，但未建堆。西德的研究堆是于里希研究所的AVR，于1960年开始建设，1967年发电，热功率4.6万千瓦，电功率1.5万千瓦。1970年前，世界上只有这一座球床研究堆。该堆于1988年停堆。反应堆运行期间，事故不断。2011-2014年间，外部专家审查了该堆的运行情况，提出了严厉批评。2014年，于里希研究所公开承认了该堆的失败。由于放射性污染，该堆的拆除工作极端困难。

球床堆的第二座，也是第一座球床概念的商业示范堆，是西德于1970年开始建设的THTR-300（钍燃料球床高温气冷堆）。该堆热功率75万千瓦，电功率30万千瓦，于1983年建成，1985年开始发电。正式发电6个月后，1986年5月4日，一个燃料球卡住了。处理卡住的燃料球时，导致大量放射性泄露。厂方为了掩盖事实，谎称是切尔诺贝利事故（发生在8天前）飘过来的放射性，但被揭穿，因而造成信任危机。此后反应堆事故不断，不停有燃料球破损。后来因为发现热气导管上的一些栓梢坏了，于1988年秋停堆。到停堆为止，总共满功率运行了423天。短短的运行期内，记录的大小事故有80起之多。如果不是西德政府出手救援，投资方业已破产。1989年9月，停堆一年之后，该堆彻底关闭。1991年10月，二回路的冷却塔（当时世界最高）被炸毁。1993年10月到1995年4月，燃料球卸除并转运到一处临时堆放地。剩余部分被“安全封闭”。由于残余的放射性，拆除工作在2027年之前不会开始。目前的日常维护和安保由政府出资。

我国的高温气冷堆研究，实际上相当于德国球床氦冷概念的继续，堆型设计更是直接采用了德国的后续方案。主要参数如堆芯直径，燃料球设计等都没有变化。当然，我国研究人员也在很多方面做了改进和创新，如氦气机磁悬浮轴承系统，气动燃料球排出系统，蒸汽发生器的小螺旋盘管，数字化的控制保护系统等。

我国第一座研究型球床高温气冷堆，也是世界上第三座，是HTR-10。技术原型是德国核能专家G. H. Lohnert提出的HTR-MODUL（模组式球床高温氦冷堆）。该堆型所有“固有安全性”也是Lohnert首先提出的。HTR-10相当于HTR-MODUL的一个缩减版，规模远小于AVR。HTR-10于1995年开始建设，2000年首次临界，2003年1月达到全功率。

由于德国于1989年已经关闭了所有的球床堆，1995年到目前为止，全世界只有中国有一座可以运行的球床堆。在建的石岛湾示范堆，将是全世界第二座可以运行的球床堆，也是世界第一座商用规模的模组式球床堆。

HTR-MODUL的设计开始于80年代中期，90年代初基本成型，这时AVR和THTR-300都已退役。经过了AVR和THTR的经验教训，HTR-MODUL进行了一些改进。具体包括：1、缩小堆芯尺寸，降低堆芯功率密度，以利于实现非能动散热，并控制堆芯最高工作温度。2、将控制棒设置在堆芯外围，而不是直接插入燃料球中(TFTR-300)，避免控制棒被卡住和扎坏燃料球。3、降低燃料中铀的装量和浓缩度(TFTR-300)，一来可以降低功率密度，二来大大降低了进水后发生恶性核事故的危险，三是直接采用浓缩度较低的燃料铀可以避免核扩散。4、采用钢制压力容器，（代替THTR-300的预应力混凝土），可以工厂预制，避免长时间现场施工。

这些改进是直接针对AVR和THTR-300发现的问题提出的，但还没有得到实践验证，也不知道会不会有新的问题出现。对于燃料球破损，放射性泄露等已经发生过的问题，也没有提出改进办法。

为了验证球床氦冷堆的“固有安全性”，我国2003年底在HTR-10上进行了一系列实验。可是这些实验非常值得商榷。

所有的实验设计的环境都非常友好，不是实际事故工况。功率都设定在3MW，而不是满功率10MW。氦气压强不是设计的30大气压，而是降到了25大气压。氦气出口温度也不是设计的700度，而是降到了650度。在失去冷却实验中，没有遵循先满功率运行100小时以上的惯例。在抽出控制棒实验中，抽出过程非常缓慢，而且关掉了冷却，这样堆芯温度有足够的时间上升，好让温度负反应性起作用。该实验只要控制棒抽出快一点，就会因反应堆功率大增而发生事故。这些实验结果也没有在同行评议的杂志上发表，而是发表在自己出的一个文集上。

没有实验支持的情况下，安全的理论计算或者分析也不尽人意。