“十四五”期间，我国能源领域基础研究聚焦国家需求，突破了一批重大科研难题。其中，“十四五”规划明确提出“积极有序发展核电”，并强调“加快第四代核电技术研发和应用”。

在山东半岛最东端——威海荣成石岛湾的海岸之上，中国拥有自主知识产权的第一座高温气冷堆示范电站正平稳地运行着，这是全球首座第四代核电站，也被称为“不会熔毁的核反应堆”。

石岛湾核电站。来源：国资报告

第四代核电不是科幻词

核能发电作为一种新型的发电技术，因其有着清洁无污染、成本较低等优势，自其问世以来一直受到世界各国的青睐，对其进行的开发和研究也络绎不绝。

但是多年来发生的数次核电站泄漏事故，使得更多人开始质疑这种技术，认为其给人类世界带来的破坏远远高于给我们的生活便利。正当全世界都在为核电技术向何处去而踌躇徘徊时，我国率先回答了这个问题。

2021年，全球首座第四代核电技术核电站——石岛湾核电站在我国首次并网发电；2023年，石岛湾核电站完成168小时连续运行考验，正式投入商业运行。

在认识第四代核电技术之前，我们先来了解下核电站是如何将核能转化为电能的。

实际上，核电站工作的原理和火力发电站的工作原理十分类似，都是通过原材料发生反应放出的大量能量，使得沸水堆里的水产生高温高压，变成蒸汽，再推动汽轮发电机发电。只不过核电站通过核裂变的方式，代替了传统的燃烧煤炭等资源的方式进行发电。

随着科学技术的发展，这种核能转化为电能的方法也在一步步地发展与提高，如今已经发展至第四代的核电技术。

延伸阅读：

核电技术的迭代

第一代

即早期原型反应堆，主要目的是为通过试验示范形式来验证核电在工程实施上的可行性，现已退出历史舞台，不再使用。例如，前苏联在1954年建成0.5万千瓦实验性石墨沸水堆型核电站，美国在1957年建成6万千瓦原型压水堆型核电站。

第二代

上世纪60年代中期以后投入运行的大部分核电站是基于第二代核电技术，它实现了商业化、标准化，单机组的功率水平在第一代核电技术基础上大幅提高，达到千兆瓦级。

1979年美国三哩岛核电站事故和1986年苏联切尔诺贝利核电站事故催生了第二代改进型核电站，其主要特点是增设了氢气控制系统、安全壳泄压装置等，安全性能得到显著提升。

第三代

指满足《美国用户要求文件》或《欧洲用户要求文件》，具有更高安全性、更高功率的新一代先进核电站。与第二代核电站的最大区别在于：事故发生时，第三代核电站不依赖人为操作或外界系统的干预，而依靠重力、自然循环等自然规律来实现保护功能。

目前，第四代核电技术主要包括六种堆型：气冷快堆、铅冷快堆、钠冷快堆、熔盐堆、超临界水堆和高温气冷堆，石岛湾核电站使用的就是高温气冷堆技术。

高温气冷堆技术，顾名思义：高温、气冷。

所谓“高温”，指的是堆内核燃料和其他材料均采用如石墨、陶瓷等耐高温性材料，这些条件使得高温气冷堆的工作温度和冷却剂的堆芯出口温度可以达到其他堆型难以企及的高度——900至1000℃。这使得核反应更加充分，放出更多能量，远远超过了其他类型的核电站的功效。

所谓“气冷”，指的是通过气体进行堆芯冷却和热传导。旧式的核电站在对堆芯冷却和反应时常常使用“水冷”的方式，这样的冷却方式不够彻底，并且常常会因此出现问题而导致堆芯的热量堆积从而产生安全隐患。而用氦气替代传统液体，其一是不易与反应堆中的其他物质发生化学反应；其二是因为液氦的沸点几乎接近绝对零度，作为冷却剂的效果远远优于传统的“水冷”。

首批核燃料成功装入1号反应堆。来源：中国华能

层层设“防”，确保核电站固有安全

说起核电站，“安全”无疑是大家最为关注的话题。这是核能发展的生命线，也是各国科学家们着力攻克的世界级难题。

要实现核能安全，必须确保三大要素。一是核裂变反应的有效控制，二是及时导出停堆以后堆芯的余热，三是牢牢地把放射性物质包容起来。而之前发生的核泄漏事故，多是在其中的某个环节出现了问题。

例如震惊世界的切尔诺贝利核电站事故，就是由于工作人员的疏忽，使得核反应堆失控，从而使其产生了巨大能量，冲破了反应堆的保护壳，造成了爆炸和放射性物质的扩散。

美国的三哩岛核电站的泄漏事故，则是因为其反应堆芯的冷却装置失灵，造成核反应产生的热量无法快速地排出，从而导致热量堆积熔化了燃料的包壳，造成了放射性物质的泄漏。

在上个世纪50年代，美国著名科学家泰勒就提出，“要使公众接受核能，反应堆安全必须是‘固有的’。”也就是说，在严重事故条件下，不用人为和机器干预，核电站的核心——反应堆堆芯不会熔毁，放射性物质不会外泄。这是核能安全的最高目标。

这一构想在石岛湾核电站变成了现实：在没有电、没有水、没有气、没有人，即在突发故障或遭遇自然灾害，一切操作系统都失灵的情况下，反应堆仍然可以依靠自然规律自己趋向安全。

为了达成高温气冷堆的“固有安全性”，我国科研人员可谓是层层设“防”。

科学家们在核反应过程中设定了负反馈温度系数（通常称为负温度系数），通过这种技术可以使得核反应过程中如果达到了预定的危险温度，反应堆会自动停止反应，使得核反应被控制在一个可操控的范围之内。

其次，在高温气冷堆中使用了非能动的余热排出系统，可以通过热传导、热辐射等自然的热量传递方式将核反应产生的热量释放到大气环境中，避免热量堆积导致的核反应堆芯熔解事故的发生。

最后，核燃料上还被包裹了一层耐高温的球形元件——最外层是厚约5毫米的石墨，里面包裹着约1.2万颗小米粒一样的燃料颗粒，在任何特殊情况发生时，这种燃料球都能将核燃料牢牢地包裹住，防止放射性元素泄漏。

高温气冷堆球形燃料示意图。来源：星球研究所

第四代核电站的到来，不只是科技的飞跃，更是我们生活方式的一次跃迁。它代表着中国从“能源大国”向“能源强国”的跨越，也预示着我们正迈向一个更清洁、更绿色、更可持续发展的未来。

据估算，石岛湾核电站示范工程每年发电量约14亿度，可为数十万户居民提供生活用电，预计每年可减少二氧化碳排放量90万吨。

参考资料：

[1]唐琳.全球首座第四代核电站商运投产[J].科学新闻,2024,26(01).

[2]谷业凯.高温气冷堆，从蓝图变为现实[N].人民日报,2024-11-04(019).