在核电站发展的初期,核物理圈子里的传统观点:既作慢化剂又作冷却剂的水,若在反应堆运行过程中沸腾,产生的气泡可能会影响中子的行为,难以预测反应堆的临界,并导致运行不稳定,甚至过热。

或许比压水堆更安全,沸水堆诞生

为了避免高温的水在反应堆中沸腾,西屋公司不得不采用一回路高压设计的方案,也就是大家熟知的压水反应堆。自然地,为了满足耐受高温高压的要求,压水堆方案对关键材料和重要设备带来了不小挑战,压力容器、蒸汽发生器、给水泵、燃料元件包壳等的研制,在当时就遇到很大的困难。

不过,一位来自阿贡国家实验室的核科学家,塞缪尔·安特梅耶二世(Samuel Untermyer II)却提出了一个相当出格的观点:恰恰相反,沸腾的水会增加反应堆的稳定性,继而使得反应堆更容易控制。

他提出,反应堆设计可以省略一个回路,不用保持高压运行状态,水在反应堆中加热、沸腾,变成高温蒸汽,直接推动汽轮发电机组工作。这种反应堆,机械设计将大大简化,管道和泵的数量大大减少,而且干脆去掉了压水堆中造价昂贵的蒸汽发生器和稳压器,将来更适合商业用途。可想而知,安特梅耶的设想,在当时不啻于天方夜谭了。

其实,安特梅耶的观点,并不全然异想天开,而是出自于一次真实事故的思考。1952年6月2日,在芝加哥城郊的红门森林地区,为了测试将来用在潜艇核动力反应堆上控制棒的特性,阿贡国家实验室在一个临界装置上,进行了许多次实验。

这个临界装置,是“鹦鹉螺”号核潜艇反应堆的复制品,但是功率极低。在一次实验过程中,由于运行人员操作失误,导致反应堆瞬发临界,发生蒸汽爆炸。结果,临界装置被损毁,4个在场的工作人员受到超剂量辐射照射。让安特梅耶惊讶的是,事故后果并没有自己想象的那么严重,想搞清楚核裂变反应是依靠什么机制瞬间自行停止的。

受此启发,他提出一个大胆的设想:水在反应堆中加热、沸腾,产生气泡后,作为慢化剂的水的数量(浓度)减少,中子的慢化效应降低,反应性将减小,功率也随之降低;反应性减小,裂变速度变缓,水的温度继而降低,过一会儿水也就不再沸腾了。水不沸腾,不产生气泡了,中子的慢化效应又增加了,反应性也将增加,水温继而升高,水再次沸腾。如此,循环往复。也就是说,不需要调节控制棒,而通过调节堆芯冷却剂的流量或状态,就可以调节反应堆的功率。在事故情况下,比如控制棒失控抽出或管道破裂,堆芯过热,水温瞬时升高乃至全部汽化,反应堆将因为慢化剂的丧失而自动停堆。

塞缪尔·安特梅耶二世

安特梅耶的理论,看起来不仅能够自圆其说,简直完美。不过,绝大部分物理学家,对此持怀疑态度。好在他的老板,阿贡国家实验室的主任津恩,支持他。

唯一的办法,就是设计一个真正的反应堆,进行实验验证了。

花式虐沸水试验堆是怎样一种体验

在津恩的大力支持下,安特梅耶在1953年获得了原子能委员会的合同,项目代号BORAX(Boiling Reactor Experiment),即沸水堆实验项目,调查论证沸水堆的概念是否可行。考虑到项目的风险,他们把反应堆建在沙漠腹地的国家反应堆试验站地盘上,项目的场址,紧挨着1号实验增殖堆(EBR- I),并共用了相关的辅助设施和运行人员。

整个BORAX项目,为期10年,一共建了5个反应堆,依次从BORAX-I到BORAX-V。1953年5月,简易的BORAX-I反应堆在沙漠里仓促建成。反应堆“坐”在一个直径10英尺、高4米的屏蔽桶里,地上地下各占一半,直接敞开在空气中,如同一个小型的游泳池一样。反应堆甚至没有厂房,因此只能在夏季抓紧进行实验,冬天太冷了,根本没法弄。

BORAX-I

在BORAX-I上,安特梅耶和同事们进行了70多次苛刻的实验,模拟冷却管道破裂、阀门断开、控制棒错误操作等等恶劣条件。为此,当地的媒体报道,干脆称BORAX-I为“失控反应堆”。

实验中,屏蔽桶里的水,沸腾变成气泡,发出“嘶吼”声,巨大的压力将滚烫的水和蒸汽抛向空中,高达150英尺;接着,反应堆自己停下来,喷发逐渐变小,最后回归于平静。从附近的20或26公路上经过的游人,便经常能看到间歇喷泉一样的壮观景象。

BORAX-I实验期间热水喷发的情景

研究小组变换着花样进行实验,尝试不同的燃料类型和各种古怪的“错误”,并逐步提高功率,来测试反应堆的响应。实验的结果,让安特梅耶自己都感到吃惊,反应堆运转非常“顺利”,完美地验证了原初的设想。

每一种模拟事故情况下,在燃料板变热导致熔化前,核裂变反应都自行停止;堆芯里的沸腾过程,可以足够快地抑制裂变速度的增长,冷却剂的沸腾,不会导致核链式反应不稳定。

一系列实验证明,沸水反应堆具有内在的固有安全性,也就是今天大家熟知的负反应性空泡系数,这种安全性本身就存在,不需要依靠外部的自动控制、机械作用、人为操作来达成。

安特梅耶仍不罢休。1954年7月22日,在BORAX-I上进行了最后一个实验,直接将反应堆摧毁了。通过远程操作,控制棒从堆芯完全抽出,堆桶里的水瞬间变成蒸汽,一股汽柱直冲上天。事后,在60米远的地方,都发现了炸裂的燃料碎片。

BORAX-I的破坏性实验

1954年底,研究小组在BORAX-I旁边新建了BORAX-II,继续进行实验,主要模拟将来一个沸水堆核电厂的各种真实运行工况,包括瞬态事故,直至破坏性实验。

BORAX-III的设计,原本没考虑过实际发电,建设的时候并没有安装汽轮发电机组。美苏的冷战对抗,蔓延至原子能民用领域。1954年秋天的时候,苏联就高调对外宣布,将在来年的第一届原子能和平利用国际会议上,介绍一个民用电力研究动力反应堆的情况。彼时,希平波特核电厂正在紧张的建造过程中,但由于核电厂反应堆脱胎于海军核潜艇,担心苏联在此问题上做文章,美国政府便决定另辟蹊径,临时找一个跟军用项目完全没有瓜葛的反应堆。

他们选中了BORAX-III,要求在反应堆速成一个发电系统。当时火电厂用的汽轮机,都是设计运行在过热蒸汽状态下,而BORAX-III出来的是饱和蒸汽。几经周折,承包商从新墨西哥州的一个木材厂里,找到了一套西屋公司设计制造于1925年的汽轮发电机组,紧急被运到爱达荷沙漠里。

电力系统安装前的BORAX-III运行情景

1955年7月17日,经过几个昼夜的安装、调试后,BORAX-III向附近的阿科市(Arco)输电成功,成为世界上第一座向一整座城市供电的“核电厂”。阿贡国家实验室邀请了几个国际访问者现场见证了供电的过程,还拍了一部电影纪录片,在8月的原子能和平利用国际会议上播放。

BORAX-III电厂
连接BORAX-III与地方供电网之间的临时变压器
当地的新闻报道

商业化推广成功,沸水堆一时风光无二

基于BORAX项目的实验结果,阿贡国家实验室随后在位于伊利诺伊州的分部,设计、建造了一个沸水堆原型电厂,即实验沸水堆(EBWR)。反应堆从1956年开始运行,原设计热功率20MW,后来逐步提升功率至100MW,一直运行到1967年。

EBWR

随着BORAX一系列实验的成功,通用电气(GE)公司看到了沸水堆的潜在商机,遂与爱达荷国家实验室合作,正式将沸水堆核电厂推向市场。很快,GE公司便与芝加哥的电力企业联邦爱迪生公司,签订了第一座商业化核电厂,也就是德累斯登(Dresden)核电厂反应堆的供应合同。不过,双方都比较谨慎,一致决定有必要先建造一座小型的示范电厂,以确保德累斯登项目的成功。

这个示范电厂,便是位于加利福尼亚州的瓦列西托斯(Vallecitos)沸水堆电厂。反应堆由安特梅耶担纲设计,采用富集铀燃料和不锈钢包壳的板型燃料元件方案,热功率20MW、电功率5MW, 1956年6月开建,一年后即建成发电,一直运行到1963年,成为原子能委员会颁发动力反应堆许可证的第一座核电厂。

瓦列西托斯核电厂
瓦列西托斯核电厂纪念铭牌

在此基础上,德累斯登核电厂1号机组随后开建,并于1960年正式投入商运,一直运行到1978年。它和希平波特核电厂,以及英国的卡德霍尔石墨气冷堆核电厂等等,共同构成了我们今天常说的第一代反应堆核电厂。

德累斯登核电厂1号机组

作为压水堆的“同胞兄弟”,沸水堆系统比压水堆简单,运行压力低得多,因此在压力容器、管道、泵、阀等系统设备耐压方面的要求,也要低得多。由于省略了一个回路,以及取消了蒸汽发生器和稳压器,沸水堆核电厂整体的造价要低。

相比于压水堆,由于系统简单,以及更少的管道和焊缝等原因,理论上沸水堆发生管道破裂的几率要低得多,发生严重事故导致堆芯熔化的几率也要低得多。不过,沸水堆功率密度要低,同样功率的核电厂,沸水堆堆芯尺寸更大;而且,堆芯产生的带放射性的蒸汽,被直接引入蒸汽轮机,导致汽轮机厂房的辐射防护要复杂得多。

BWR与PWR对比示意图

沸水堆的这些显著特点,坚定了GE公司大力推广沸水堆核电厂的信心,并在后来的世界核电市场竞争中,同样取得了不俗的业绩,成为占比仅次于压水堆的核电厂反应堆堆型。

不过,风光的背后,1960年代初发生的一起相当于BORAX-I极端实验再现的严重事故,给沸水堆的安全性敲响了警钟,也给后来反应堆安全控制的改进提供了镜鉴。

究竟为何事故,继续关注我们的<微言说历史>。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:核电那些事

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