国家最高科技奖出炉，你还不知道高温气冷堆是咋回事？( 三 ) 近日

两方面共同发挥作用，使得堆芯温度升高一段时间以后就开始慢慢自动下降。这个过程中，反应堆的材料和燃料都在所能承受的温度范围之内，可以确保反应堆的安全，不需要人为干预。
这样一来，通过自然规律高温气冷堆就实现了上文提到的核安全三要素之一：及时导出停堆以后堆芯的余热，从一个方面支撑了固有安全。
同时，多模块组合的设计，意味着这类核电站的规模可根据不同国家、不同区域的电力需求灵活配置。 20万、60万、100万等系列装机容量，只需要考虑用2个、6个还是10个模块叠加就可以实现，这使得高温气冷堆核电站具有更广阔的适应性和灵活性。
二是自主研制的“耐高温全陶瓷包覆颗粒球形核燃料元件”
球床型高温气冷堆采用的核燃料元件是耐高温全陶瓷包覆颗粒球形核燃料元件，也可以叫做燃料球。在石岛湾高温气冷堆示范电站，燃料球直径6厘米，最外层是石墨层，里面是弥散在基体石墨粉中的大约12000个四层全陶瓷材料包覆的、直径0.9毫米的核燃料颗粒。

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高温气冷堆示范电站球形燃料元件示意图
你可以把它想象成，每一个燃料球和其中的燃料颗粒就像是一个球形糖果盒里装着12000颗层层夹心的巧克力球，巧克力的最中心就是核燃料——铀-235 。

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左为普通高尔夫球，右为球形燃料元件
层层包覆的牢固结构、耐高温高压的强悍属性、严苛的质量标准检验，使得每个燃料球都能把放射性物质牢牢包裹起来，有效防止正常运行或意外发生时放射性物质泄漏，从而实现了上文提到的另一个核安全要素：把放射性物质牢牢包容起来，进一步支撑了固有安全。
三是反应堆不停堆在线换料
通常堆型的燃料元件多为燃料棒，燃料棒插在堆内固定位置，运行一段时间后（一般为12-18个月）要把反应堆停下来，换掉部分“烧透”的燃料棒，再补充新的燃料棒。可以想见，新装入的燃料棒能量是有富余或者是过量的，存在核反应的过剩反应性，这就给固有安全三要素之一：有效控制核裂变反应带来了压力。切尔诺贝利核事故就是早期设计有缺陷、在这方面出了纰漏，而又叠加人为操作错误造成的惨痛教训。
而球床高温气冷堆的好处是，在反应堆运行过程中，新燃料球从反应堆顶部填装到反应堆中，球靠重力自然落入堆芯并往下流动，反应过的燃料球再从反应堆底部卸出，整个装卸料过程不需要停堆，实现反应堆不停堆在线换料。这种方式不但大大提高了运行效率，而且不用阶段性装入过多核燃料，大幅减少了堆内的过剩反应性，因而大大降低了有效控制核裂变反应的难度。
通俗地说，就像我们平时烧柴，一上来就往灶里放很多新柴，火势必烧得更旺，但火势不好控制；而不停堆在线换料意味着我们可以在初期少放点柴，等它烧起来再一边添柴一边把烧完的炭取出，火势够用而又平稳安全。

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高温气冷堆示范电站一个模块示意图
那么，如上文所述就能完全确保核裂变反应的有效控制吗？
这还不够。
要保证任何情况下都能有效控制核裂变反应，还需要反应性的“负温度系数”设计。通过周密的材料匹配与堆芯物理设计，模块式球床高温气冷堆具有很大的反应性“负温度系数” ，堆芯温度升高会引起反应性自动下降。也就是说，一旦温度升高，核反应过程就能自己减速、甚至“刹车”停下来。换句话说，即使因为人为或自然灾害导致控制失误或丧失，没能人为能动停堆，只要反应堆温度升高，它自己就会减少核反应直至自动停堆。