四代核電技術(shù)（高溫堆）產(chǎn)業(yè)化探討

摘 要：該文綜述了四代核電技術(shù)（高溫堆）的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特點，對中國高溫氣冷堆的產(chǎn)業(yè)化提出了建議，供政府及相關(guān)行業(yè)集團(tuán)公司等參考。

關(guān)鍵詞：四代核電 高溫堆 產(chǎn)業(yè)化 進(jìn)展

中圖分類號：TL249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0046-03

Abstract：The author reviewed the development of generation IV nuclear power technology --Temperature Gas Cooled Reactor（HTR） . Some The advice of industrialization of HTR in China was proposed.The article can give some advice for the government and relevant company.

Key Words：Nuclear Power Technology of Generation IV； HTR； Industrialization； Progress

目前，世界上運行和建設(shè)的核電技術(shù)主要是第二代、三代技術(shù)。從第二代核電技術(shù)演化而來的第三代核電技術(shù)在安全性和操作的簡便性方面有了明顯的改進(jìn)[1]。但在經(jīng)濟(jì)性、安全性、廢物處理、防核擴(kuò)散和公眾接受性等方面仍然存在一些局限性[2-3]。

“更安全、更高效”是核能利用永恒的目標(biāo)。美國核學(xué)會于1999年提出第四代核電技術(shù)概念。目前，共推出6種四代核電技術(shù)的堆型，即三種快中子堆和三種熱中子堆[4-8]。三種快中子堆是：鈉冷快堆（SFR， Sodium-cooled fast reactor）、鉛冷快堆 （LFR， Lead-cooled fast reactor）和氣冷快堆（GFR， Gas-cooled fast reactor）；三種熱中子堆是：超臨界水冷堆（SCWR， Supercritical water-cooled Reactor）、超高溫氣冷堆（VHTR， Very-high-temperature gas-cooled reactor）和熔鹽堆（MSR， Molten salt reactor）。“超高溫氣冷堆”以現(xiàn)有高溫氣冷堆技術(shù)為基礎(chǔ)，反應(yīng)堆出口溫度達(dá)到1000 ℃，可以更好地適應(yīng)未來制氫技術(shù)的工藝熱要求。當(dāng)前高溫氣冷堆冷卻劑出口溫度已經(jīng)達(dá)到950 ℃，實現(xiàn)1000℃出口溫度在技術(shù)上是切實可行的。因此，（超）高溫氣冷堆是最有前途和最快投入使用的四代核電技術(shù)[9-12]。

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，能源需求日益增長。能源已成為我國經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展的重要制約因素。突出的環(huán)境問題和有限的能源資源總量，迫切要求發(fā)展清潔安全的替代能源。核能是一種可以大規(guī)模替代化石燃料的清潔能源。從我國的能源供求情況來看，21世紀(jì)核能將在我國能源體系中發(fā)揮重要作用。我國核電產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展也要立足于先進(jìn)的自主化核電技術(shù)，有必要積極推進(jìn)先進(jìn)堆型研發(fā)工作，特別是球床模塊式高溫氣冷堆（以下簡稱“高溫堆”）的研究、開發(fā)與運用[1]。

1 我國高溫堆技術(shù)發(fā)展概況

我國的高溫堆技術(shù)研究起步于20世紀(jì)70年代。1986年，10MW高溫氣冷實驗堆（HTR-10）被列為國家863計劃重點項目。1995年，HTR-10正式開工建設(shè)，于2000年建成并首次臨界，2003年實現(xiàn)滿功率運行并網(wǎng)發(fā)電，成為全球首座球床模塊式高溫氣冷堆，確立我國在該領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。2003年以來中國核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司與清華大學(xué)合作開展高溫堆技術(shù)產(chǎn)業(yè)化工作，完成了大量基礎(chǔ)性工作。2006年高溫堆被列入國家科技重大專項，雙方合作承擔(dān)了重大專項的科研任務(wù)，共同參與200 MW的高溫堆示范工程的投資建設(shè)，進(jìn)一步鞏固我國在該領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。在此基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步深化產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制，雙方共同開展商用高溫堆技術(shù)的開發(fā)和推廣工作。截至目前，已經(jīng)完成高溫堆熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組方案研究以及反應(yīng)堆壓力容器運輸和現(xiàn)場制造、多模塊運行和控制專題，正在準(zhǔn)備接受國家主管部門組織的技術(shù)審查[5-6]。

近年來，國外密切關(guān)注中國高溫氣冷堆技術(shù)的發(fā)展。美國能源部橡樹嶺國家實驗室在2009年針對中國高溫氣冷堆發(fā)展發(fā)表了研究報告，肯定了中國在高溫堆技術(shù)發(fā)展方面取得的成績，認(rèn)可技術(shù)發(fā)展?jié)摿蛧H市場前景，認(rèn)為高溫堆技術(shù)是中國獨有的優(yōu)勢，相關(guān)技術(shù)的突破將使中國核電技術(shù)領(lǐng)先世界10年以上。2014年9月，在IAEA第58屆理事會大會期間，中國高溫堆技術(shù)交流論壇在IAEA總部成功舉辦，進(jìn)一步提升我國高溫堆技術(shù)的國際影響力[6]。

2 我國高溫堆技術(shù)主要特點[5]

我國高溫堆技術(shù)是國際公認(rèn)的具備第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)特征的反應(yīng)堆技術(shù)，它是以石墨作慢化劑，采用惰性氣體氦氣作為冷卻劑，使用包覆顆粒和石墨構(gòu)成的球形燃料元件，配備耐高溫的全陶瓷堆芯結(jié)構(gòu)，并可以通過模塊式組合，實現(xiàn)能源廠的靈活布置。

2.1 主要安全特點

高溫堆具有固有安全性，即在任何事工況下，包括喪失所有冷卻的情況下，不采取任何人為的和機(jī)器的干預(yù)，反應(yīng)堆都能保持安全狀態(tài)。

（1）采用先進(jìn)的耐高溫燃料元件。

UO2顆粒由碳化硅和石墨層層包覆并彌散在半徑3cm的石墨球中。裂變產(chǎn)物在高達(dá)1200℃的高溫狀態(tài)下才開始在顆粒內(nèi)緩慢遷移，達(dá)到2100℃包覆層才開始熱分解?；诠逃邪踩O(shè)計以及較大的負(fù)反應(yīng)溫度系數(shù)，在任何運行工況和事故情況下最高溫度不超過其安全限值1620℃，確保裂變產(chǎn)物有效包容，不會導(dǎo)致放射性大量釋放的嚴(yán)重后果。

（2）采用全陶瓷堆芯結(jié)構(gòu)。

高溫堆堆芯周圍全部由石墨和碳磚材料構(gòu)成，該區(qū)域內(nèi)沒有金屬部件，極耐高溫的石墨堆內(nèi)構(gòu)件熔點在3000℃以上，因此，反應(yīng)堆的熱容量和熱慣性較大，從而有效提高了反應(yīng)堆運行的安全性。

（3）非能動余熱排出系統(tǒng)設(shè)計。

高溫堆細(xì)長的壓力容器以及較大的石墨堆腔有利于堆芯余熱的均勻排出。堆芯余熱通過壓力容器外壁利用熱輻射原理傳遞給水冷壁，再由水冷壁、空冷器以自然循環(huán)的方式將熱量傳遞給最終熱阱—空氣。余熱排出過程利用最普遍的自然規(guī)律，不需要依靠任何外部動力。

（4）設(shè)置兩套獨立的停堆系統(tǒng)。

高溫堆設(shè)置了兩套獨立的停堆系統(tǒng)，除了采用傳統(tǒng)的控制棒以外，還充分利用球形燃料元件的幾何特征，設(shè)置了吸收球停堆系統(tǒng)，通過吸收燃料球使反應(yīng)堆進(jìn)入次臨界狀態(tài)，確保反應(yīng)堆可靠停堆。

2.2 其他技術(shù)特點

（1）不停堆換料設(shè)計。

球形燃料裝卸系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)燃耗深度的在線監(jiān)測，并實現(xiàn)反應(yīng)堆不停堆換料，從而有效提高機(jī)組可利用率。

（2）反應(yīng)堆工作參數(shù)高。

目前，高溫堆已經(jīng)具備7Mpa、750℃的氦氣出口參數(shù)以及13.9Mpa、571℃的蒸汽出口參數(shù)，基于現(xiàn)有技術(shù)仍然具有較大的提升空間。

（3）采用模塊式設(shè)計。

高溫堆功率密度低、系統(tǒng)簡單，通過模塊式組合可以實現(xiàn)核電廠的靈活布置，可以建設(shè)不同裝機(jī)容量的核電機(jī)組。

3 高溫堆技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議

目前，我國已基本形成高溫堆推廣、投資、設(shè)計、采購、建造和運營管理能力。高溫堆產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟雛形已經(jīng)形成。2013年以來，中國核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司已經(jīng)在國內(nèi)多個省份和地區(qū)開展了高溫氣冷堆廠址選擇和前期工作，相關(guān)廠址開發(fā)工作穩(wěn)步推進(jìn)，特別是江西瑞金項目取得了顯著進(jìn)展，江西省發(fā)改委復(fù)函同意開展項目前期工作，項目初可研工作正在有序開展。高溫堆技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入關(guān)鍵階段[13-14]。

從我國核電產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展以及自主發(fā)展出發(fā)，有必要加快高溫堆技術(shù)產(chǎn)業(yè)化步伐。從我國資源稟賦、能源布局和負(fù)荷分布的實際狀況出發(fā)，有必要加快高溫堆技術(shù)商用推廣進(jìn)程。具體建議如下[5][15]。

3.1 加大自主核電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化政策支持力度

我國高溫堆技術(shù)的成長歷程也是國家對自主化核能技術(shù)給予持續(xù)支持的過程。歷經(jīng)“863計劃”、核能開發(fā)科研、國家科技重大專項的大力支持，我國在高溫堆技術(shù)領(lǐng)域取得了長足發(fā)展，保持并鞏固了國際領(lǐng)先地位。核電中長期發(fā)展規(guī)劃、能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃中明確提出自主核能技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)和發(fā)展路徑，進(jìn)一步保障了政策的延續(xù)性。在國家政策支持和引導(dǎo)下，高溫堆自主核電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)上升為國家行為。

在當(dāng)前國際形勢下，我國面臨由能源大國向能源強國轉(zhuǎn)變的歷史機(jī)遇，為此，能源“走出去”、核電“走出去”上升為國家戰(zhàn)略?！笆濉睍r期，習(xí)近平主席、李克強總理在出訪歐洲、拉美等國家時，著重推介中國核電技術(shù)及高速鐵路，促成一系列雙邊、多邊合作，我國正式加入核電技術(shù)輸出國行列。憑借完全自主知識產(chǎn)權(quán)、設(shè)備國產(chǎn)化、固有安全三大優(yōu)勢，高溫堆成為落實“走出去”戰(zhàn)略的首選堆型。

然而，任何能源系統(tǒng)從研發(fā)到工業(yè)應(yīng)用都存在一個產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化的過程，這個過程離不開國家政策的持續(xù)支持，尤其是代表一國工業(yè)水平的核電技術(shù)。為加快實現(xiàn)以自主研發(fā)為支撐的設(shè)計、制造、建造、運行自主化，有效縮短高溫堆技術(shù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，盡早為高溫堆技術(shù)海外開拓提供參考電站，建議將國內(nèi)60萬千瓦高溫堆核電站列為商用示范工程，建議國家能源主管部門參考已有的良好實踐，引導(dǎo)高溫堆產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的建設(shè)和發(fā)展。

3.2 加緊開展相關(guān)核安全法規(guī)的研究工作

我國當(dāng)前的核安全法規(guī)和導(dǎo)則主要是針對二代、三代壓水堆的，如《HAF101核電廠廠址選擇安全規(guī)定》規(guī)定如下：規(guī)劃限制區(qū)無萬人以上城鎮(zhèn)，10 km內(nèi)無10萬人以上城鎮(zhèn)；40 km內(nèi)無100萬人以上城鎮(zhèn)；2 km內(nèi)無著火源；4 km內(nèi)無航線經(jīng)過；10 km內(nèi)無機(jī)場、無爆炸源、無危險液體庫和危險氣云源；30 km以內(nèi)無軍事目標(biāo)；又如《GB6249-2011核動力廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定》中規(guī)定非居住區(qū)為500 m，規(guī)劃限制區(qū)為5 km，應(yīng)急計劃區(qū)中煙羽應(yīng)急計劃區(qū)為4～8 km，食入應(yīng)急計劃區(qū)為30-50 km。針對安全要求最為嚴(yán)格的工業(yè)體系，我國核安全法規(guī)對核電選址提出了泛用性、包絡(luò)性的標(biāo)準(zhǔn)。

針對安全性更高的反應(yīng)堆堆型，在核安全法規(guī)研究方面已經(jīng)形成了良好實踐。以自主研發(fā)為支撐，針對具備非能動安全特性的低溫核供熱堆制定并頒布了相關(guān)核安全法規(guī)、導(dǎo)則，如《HAF J0059低溫核供熱堆廠址選擇安全準(zhǔn)則》和《HAF J0061低溫核供熱堆核事故應(yīng)急準(zhǔn)備安全準(zhǔn)則》中規(guī)定：非居住區(qū)為半徑250 m，規(guī)劃限制區(qū)半徑為2 km，應(yīng)急輻射監(jiān)測區(qū)為5 km（廠內(nèi)應(yīng)急）。我國針對不同堆型的安全特征，創(chuàng)造性地提出了差異化的廠址要求和環(huán)境相容性要求。

四代核電技術(shù)，如高溫氣冷堆、快堆等是在安全性、廢物處理和防核擴(kuò)散方面取得重大革命的新一代先進(jìn)核電技術(shù)。特別是高溫堆具有固有安全特性，不需要設(shè)置核應(yīng)急區(qū)域。相關(guān)研究成果表明：高溫堆僅需在距離反應(yīng)堆2.5km處設(shè)置檢測設(shè)備，其它相關(guān)的非居住區(qū)、規(guī)劃限制區(qū)等可以差異化對待。但是，目前國家對四代核電技術(shù)廠址要求與二代、三代壓水堆相同，造成對四代核電技術(shù)發(fā)展的限制，特別是對于高溫堆熱電聯(lián)產(chǎn)的限制。

建議圍繞廠址選擇、核應(yīng)急等領(lǐng)域及時研究、提出適合高溫堆、快堆等四代核電技術(shù)的法規(guī)和導(dǎo)則，科學(xué)平衡反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性，以利于四代核電技術(shù)的發(fā)展。鑒于高溫堆具有固有安全特性，有必要圍繞高溫堆核電站內(nèi)陸建設(shè)開展人口分布、水文條件、地質(zhì)條件開展相關(guān)的課題研究。

3.3 加強核能綜合利用產(chǎn)業(yè)政策研究工作

我國是少數(shù)幾個一次能源以煤為主的國家，煤炭占我國一次能源總消費70%左右。根據(jù)物質(zhì)守恒定律，碳消耗必然導(dǎo)致等量的碳排放，由此，現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)給溫室氣體減排帶來了巨大壓力。此外，化石資源既是儲量有限的不可再生資源，又是寶貴的化工原料，純粹作為燃料利用較為可惜。據(jù)統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)60%的能量是以熱能的形式消耗的，開發(fā)安全、清潔、高效的替代能源，積極推進(jìn)核能綜合利用，對于減少溫室氣體排放、提高資源利用效率具有重要意義。

高溫堆是現(xiàn)有各類反應(yīng)堆中工作溫度最高的堆型，也是目前唯一能夠提供高溫工藝熱的核能系統(tǒng)。目前，高溫堆已經(jīng)具備750 ℃的氦氣出口溫度以及571 ℃的蒸汽出口溫度，高溫工藝熱可以廣泛應(yīng)用于氦氣透平高效發(fā)電、煤的氣化液化、石油化工、稠油熱采等領(lǐng)域。未來，隨著超高溫氣冷堆的開發(fā)，可以廣泛應(yīng)用于核能制氫、直接還原煉鋼、油頁巖提煉等領(lǐng)域。

煤的氣化液化是提高煤炭資源利用效率、提高能源利用清潔程度的新途徑，但其本身也屬于能源密集型產(chǎn)業(yè)。將高溫堆作為替代能源應(yīng)用于煤的氣化液化，有利于實現(xiàn)清潔能源的清潔生產(chǎn)過程；氫能是國際公認(rèn)的戰(zhàn)略性能源，氫能與核聚變一同被喻為引導(dǎo)未來能源革命的新能源。隨著超高溫氣冷堆技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，可以形成出口溫度高達(dá)1000 ℃的清潔熱源，實現(xiàn)高溫?zé)峤庵茪?。目前，美國、日本、韓國、法國等國家均已將開發(fā)高溫堆制氫技術(shù)列為中長期發(fā)展目標(biāo)，通過立法、鼓勵研發(fā)等手段給予政策支持。

為有效減少溫室氣體排放、積極兌現(xiàn)減排國際承諾以及搶占戰(zhàn)略性清潔能源發(fā)展的制高點，建議將核能綜合利用納入相關(guān)規(guī)劃并支持開展相關(guān)課題研究。

3.4 支持配套產(chǎn)業(yè)發(fā)展和配套服務(wù)輸出

核級石墨是高溫堆的慢化材料、中子反射材料以及燃料元件的結(jié)構(gòu)材料，與其它石墨產(chǎn)品相比，其制作工藝較為復(fù)雜，目前主要依賴進(jìn)口。國外只有少數(shù)幾家企業(yè)實現(xiàn)核級石墨的產(chǎn)業(yè)化。HTR-10和高溫堆示范工程所用核級石墨全部從日本進(jìn)口。國內(nèi)僅有少數(shù)企業(yè)開展核級石墨研究，但尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

高溫堆示范工程球形燃料元件生產(chǎn)線2014年底生產(chǎn)線全面建成，預(yù)計2015投產(chǎn)。該生產(chǎn)線是全球首條工業(yè)規(guī)模的球形燃料元件生產(chǎn)線，每年將為高溫堆示范工程提供30萬個球形燃料元件，僅能滿足示范工程燃料元件的需求量。未來，國內(nèi)國際商用高溫堆核電站的建設(shè)對球形燃料元件的需求將大大提升，急需提前統(tǒng)籌布局燃料供應(yīng)能力建設(shè)。

當(dāng)前，新興核電國家正在積極準(zhǔn)備引進(jìn)安全高效的核電技術(shù)，部分國家“起步晚，起點高”，堅持最高核安全標(biāo)準(zhǔn)，但是，這些國家又往往是核工業(yè)體系不完善的國家。為了向這些國家提供系統(tǒng)的商業(yè)化解決方案，未來將面向國際市場提供核燃料供應(yīng)、乏燃料回收、核電站運行、技術(shù)支持、人員培訓(xùn)等配套服務(wù)。

為突破自主核電技術(shù)在關(guān)鍵材料上的瓶頸，建議支持核級石墨國產(chǎn)化并配套相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策。為保障國內(nèi)國際商用高溫堆的燃料供應(yīng)，建議統(tǒng)籌納入核電發(fā)展規(guī)劃并支持開展能力建設(shè)。為全面落實核電“走出去”戰(zhàn)略，建議在自主核電技術(shù)輸出、成套設(shè)備出口的同時開展配套服務(wù)輸出，建議盡早開展與之相關(guān)的課題研究工作。

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