习大大访英之高科技——核电与石墨烯

图文: | 2016-07-01

导语: 日前,习近平主席对英国进行了为期5天的国事访问,推动中英关系以及中英经贸合作进入“黄金时代”。在这次全球关注的大事件中,除了我们津津乐道的英国王室以高规格接待习大大、习大大和英国首相卡梅伦在酒吧吃炸鱼薯条之外,意义更重大、影响更深远的应该是中英两国在高科技领域开展的合作。这期《微专栏》,咱们一起跟着习大大“走近”高科技。

核电大单与“华龙一号”

在习主席对英国进行的这次国事访问中,中英双方签署的合作协议总额高达400亿英镑(约合3890亿人民币),涉及能源、零售、科技、教育等领域。其中,最引人瞩目的的是中国广核集团和法国电力集团就英国欣克利角核电站达成的战略投资协议。

该合作协议备受关注的原因有二:一是协议金额高——中广核将在英国欣克利角C核电项目中投资60亿英镑(约合583亿人民币),是习主席访英期间中方签署的所有协议中金额最高的;二是该协议在高额投资之外还明确双方将共同推进塞兹韦C和布拉德韦尔B这两大后续核电项目,其中布拉德韦B目拟采用中国自主三代核电技术“华龙一号”。这标志着我国自主核电技术“华龙一号”得到了发达国家认可,是我国核电技术进程中的里程碑式事件。


布拉德韦尔B项目厂址。图片来源:中国环保在线

习主席的这次国事访问,让“华龙一号”第一次进入了许多普通人的视野。“华龙一号”是我国拥有完全自主知识产权的第三代核电技术,由我国两大核电企业——中国核工业集团和中国广核集团联合研发。“华龙一号”的设计充分利用了我国近30年来核电站设计、建设和运营积累的宝贵经验,并借鉴了国际先进核电技术,以“177组燃料组件堆芯”和“三个实体隔离的安全系列”为主要技术特征。其中,177组燃料组件堆芯在提高核电站发电功率的同时也能降低堆芯内的功率密度,有助于提高核电站的安全性。

在安全方面,“华龙一号”结合了能动与非能动安全措施,安全指标满足我国和全球最新安全要求,具备应对类似日本福岛核事故等极端情况的能力。据报道,“华龙一号”单个机组发电功率可达1100MW,能满足中等发达国家100万人口生产和生活的用电需求。

“华龙一号”ACP1000单堆效果图。图片来源:光明网


什么是第三代核电技术?

第三代这个词在某种程度上反映了世界核电的发展历程。

核能发电实验示范阶段——第一代核电站

20世纪50代中期至60年代初,在这段时期,世界共有38个核电机组投入运行,属于早期原型反应堆,即第一代核电站,包括苏联于1954年建成的世界第一座核电站——发电功率为5兆瓦的奥布涅斯克试验核电站、英国卡德豪尔石墨气冷堆原型核电站和美国希平港压水堆原型核电站等。第一代核电站证明了核能发电在技术上的可行性。

苏联1954年建成的世界第一座核电站已被改造为一座核能博物馆。

图片来源:环境与生活网

商用主力的第二代核电站

20世纪60年代中期之后,核电技术发展迅速,核电站进入标准化、商业化建设和运行阶段。1966年至1980年间,全世界共有242个核电机组投入运行,采用的都是第二代核电技术,单一核电机组的发电能力大幅提升至千兆瓦级,是第一代核电站的上百倍。

我国大亚湾核电站全景,大亚湾核电站属于第二代核电站。

图片来源:中广核集团网站

安全性能提高的第三代核电站

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后,人们开始重新评估核电的安全性。在总结以往事故经验的基础之上,各国对第二代核电技术进行了改进与创新,研发出第三代核电技术,大幅提高了核电站的安全性、经济性、发电效率和资源利用率等。第三代核电技术的代表,有美国西屋电气公司的AP1000、法国阿海珐公司的EPR、俄罗斯国家原子能公司的AES-2006以及我国自主研发的“华龙一号”。

“在路上”的第四代核电站

目前,美国、英国等国家开始研发第四代核反应堆。第四代核反应堆的主要目标是进一步提高核燃料利用率,减少核废料的产生,并强化核电站的安全性能。第四代核反应堆的典型代表之一是快中子反应堆,简称快堆。什么是快堆?快堆有哪些优点?快堆核电站的安全屏障长什么样?想了解这些内容,就请跟随下面动画中的三位小朋友开启一趟快堆核电站之旅吧。

最薄二维材料——石墨烯

除了核电大单与“华龙一号”,习主席对英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究院的参观之行让石墨烯这一新型材料也受到了广泛关注。说起曼彻斯特大学,那可是石墨烯研究领域当之无愧的顶尖机构,因为石墨烯最早就是被这里的两位科学家发现的。2004年,安德烈海姆和康斯坦诺沃肖洛夫用普通胶带从石墨中剥离出只有一个碳原子厚的一小片碳——石墨烯。2010年,这二人因对石墨烯的开创性实验研究获得了诺贝尔物理学奖。

2010年诺贝尔物理学奖获得者。图片来源:科学网

石墨烯(Graphene)是由碳原子以特定方式连接的单原子层构成的新型二维原子晶体,厚度仅为0.35nm,是世界上已知的最薄的二维材料。这种特殊结构使石墨烯具有很多优异的物理性能:石墨烯的强度是所有已测试材料中最高的,是钢的100多倍;载流子迁移率(电子和空穴在单位单场作用下的平均漂移速度)是所有已知材料中最高的,达15000cm2·V-1·s-1,超过商用硅片迁移率的10倍以上;热导率是金刚石的3倍;具有室温量子霍尔效应等特殊性质。


石墨烯的基本结构示意图,图片来源:参考文献

这些优异的性能指标,再加上成本低廉、易于加工等众多优点,使石墨烯成为科学家寄予厚望的新型纳米材料、最理想的电极和半导体材料。比如,我们可以在一片石墨烯上直接加工出各种半导体器件;利用石墨烯优异的导电性和导热性,制作更高性能的计算机、更耐用的电池;利用石墨烯几乎透明的特性,制作透明触摸屏等。可以说,人们正在期待并努力实现着石墨烯可能带来的电子科技和信息技术革命。

习主席参观曼彻斯特大学国家石墨烯研究院。图片来源:新华网/庞兴雷摄



参考文献:

黄毅,陈永胜. 石墨烯的功能化及其相关应用[J]. 中国科学  B辑:化学,2009,39(9):887-888.


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