高溫氣冷堆核電技術產(chǎn)業(yè)化思考

高立本，石 磊，上官子瑛，嚴陳昌（核建高溫堆控股有限公司，北京 100039）

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高溫氣冷堆核電技術產(chǎn)業(yè)化思考

高立本，石 磊，上官子瑛，嚴陳昌
（核建高溫堆控股有限公司，北京 100039）

摘要：根據(jù)國外高溫氣冷堆核電技術發(fā)展歷程和我國高溫氣冷堆核電技術產(chǎn)業(yè)化的成就、現(xiàn)狀與發(fā)展方向，從有利于發(fā)揮高溫氣冷堆核電技術多用途特性和加快高溫氣冷堆核電技術“走出去”步伐的戰(zhàn)略角度考慮，本文提出了我國高溫氣冷堆核電技術產(chǎn)業(yè)化的相關建議，供政府有關部門及行業(yè)相關單位參考。

關鍵詞：高溫氣冷堆；四代核電；產(chǎn)業(yè)化進展

CLC number： TL424 Article character：A Article ID： 1674-1617（2016）01-0025-06

目前，世界上建設、運行的核能系統(tǒng)主要是第二、三代核電技術。美國核學會于1999年6月提出第四代核能系統(tǒng)的概念。第四代核電技術有6種公認的堆型：3種快中子堆（鈉冷快堆、鉛冷快堆和氣冷快堆）和3種熱中子堆（超臨界水冷堆、超高溫氣冷堆和熔鹽堆）。

我國核電的發(fā)展要立足于研發(fā)先進的核電技術，高溫氣冷堆和在此基礎上發(fā)展的超高溫氣冷堆是很有發(fā)展前途的堆型。我國大力發(fā)展核電，積極進行先進堆型（如高溫氣冷堆）的研發(fā)與推廣，將對中國經(jīng)濟、社會的高速發(fā)展起到積極的作用［1］。

1 高溫氣冷堆核電技術的發(fā)展

1.1 國外高溫氣冷堆的發(fā)展

氣冷堆的研究始于20世紀50年代，早期氣冷堆（低溫氣冷堆）是國際上反應堆發(fā)展中最早的堆型之一，以天然鈾為燃料、石墨為慢化劑、CO2為冷卻劑。高溫氣冷堆是在早期氣冷堆和改進型氣冷堆的基礎上發(fā)展起來的。超高溫氣冷堆與高溫氣冷堆并無本質(zhì)區(qū)別，其差異在于反應堆出口溫度上。高溫氣冷堆被認為是最快實現(xiàn)商業(yè)化的四代核電技術堆型。高溫氣冷堆到目前完成了3座實驗堆電站、2座示范堆電站以及2座模塊式高溫氣冷實驗堆的建設，經(jīng)歷了3個階段［2］的發(fā)展：試驗堆階段，原型堆示范電站階段和具有固有安全特性的模塊式高溫氣冷堆發(fā)展階段。

1.2 我國高溫氣冷堆的發(fā)展

我國高溫氣冷堆技術研發(fā)工作始于20世紀70年代，采用球床模塊式高溫氣冷堆方案。1986年，10 MW高溫氣冷實驗堆（HTR-10）被列為國家“863”計劃重點項目。1992年，國務院批準在清華大學核能與新能源技術研究院建設10 MW高溫氣冷實驗堆。1995年，HTR-10正式開工建設，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，使我國在高溫氣冷堆的技術領域處于國際先進水平。

2004年，國家成立了高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM）領導小組。2006年年初，大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站被列為國家科技重大專項。2008年2月，國務院常務會議審查通過了《高溫氣冷堆核電站重大專項實施方案》。2012 年12月9日，HTR-PM正式開工建設（FCD）。目前，HTR-PM工程進展順利，主設備制造按計劃開展，項目計劃于2017年年底建成發(fā)電。

60萬千瓦高溫氣冷堆核電站（HTR-600）是HTR-PM的后續(xù)商用發(fā)展機型，充分借鑒HTR-PM在設計、制造、建造和執(zhí)照申請方面的經(jīng)驗。目前，HTR-600總體方案已經(jīng)通過專家評審，采用經(jīng)HTR-PM工程驗證的反應堆模塊，由1個反應堆模塊和1個蒸汽發(fā)生器構成1個核蒸汽供應系統(tǒng)（NSSS）模塊，總共6個NSSS 模塊向一臺超高壓蒸汽輪機組供汽發(fā)電，并具有抽汽接口，可供應高達550 ℃的高品質(zhì)蒸汽，形成一套機組。

HTR-600的主要參數(shù)設計如表1所示。

近年來，中國核建已陸續(xù)在江西、湖南、廣東、福建、山東、湖北等多個省市開展了HTR-600高溫氣冷堆項目前期工作，先后完成了廠址踏勘和普選以及初可研等工作。目前，項目開發(fā)工作穩(wěn)步推進，其中，中國核建江西瑞金項目前期工作取得了顯著進展。另外，在國際合作方面，阿聯(lián)酋、南非、沙特、印尼等國家和地區(qū)均對高溫氣冷堆核電項目表達了濃厚興趣，部分國家和地區(qū)已與中國核建簽署了高溫氣冷堆合作諒解備忘錄。

2 高溫氣冷堆的特點

HTR-600以化學惰性的氦氣作冷卻劑，以石墨為中子慢化劑，采用包覆顆粒球形燃料元件。氦氣在反應堆堆芯加熱至750 ℃后，通過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的高溫蒸汽進入汽輪發(fā)電機發(fā)電，其工作原理如圖1所示。

高溫氣冷堆很多優(yōu)異的特點，使其成為目前世界核電技術關注的熱點。其特點可以歸納為：固有安全性、經(jīng)濟性、寬用性、靈活性。

2.1 固有安全性

高溫氣冷堆采用優(yōu)異的球形燃料元件與包覆燃料顆粒（見圖2）是獲得其良好安全性的基礎［3］。在1 600 ℃以下時，燃料顆粒的包覆層能保持其完整性，放射性裂變產(chǎn)物幾乎全部被阻擋在燃料顆粒內(nèi)［4］。此外，高溫氣冷堆堆芯設計成負反應性溫度系數(shù)，能夠保證在任何情況下將堆芯中心區(qū)域燃料元件最高溫度限制在1 600 ℃以內(nèi)。加之堆芯由大量石墨材料砌成，石墨的熔點在3 000 ℃以上，因此，無論在什么情況下都不會發(fā)生堆芯熔毀的嚴重事故。

此外，高溫氣冷堆具有非能動安全特性（見圖3）。由于其堆芯功率密度?。▋H是壓水堆堆芯功率密度的1/30），可以保證堆芯冷卻不需要專設的余熱冷卻系統(tǒng)，衰變余熱可通過熱傳導、對流和輻射等非能動機制傳到反應堆壓力容器外的堆艙表面冷卻器，再通過自然循環(huán)由空氣冷卻器將傳出的堆芯余熱散發(fā)到大氣中，從而可消除發(fā)生堆芯熔化事故的可能性。

表1 HTR-600主要設計參數(shù)Table 1 Principal design parameters of HTR-600

2.2 經(jīng)濟性高溫氣冷堆的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在4個方面：一是系統(tǒng)大為簡化。高溫氣冷堆中不設安全殼，其反應性控制只需要控制棒即可（無需可燃毒物）；其壓力調(diào)節(jié)可通過壓縮機對氦氣吞吐進行（不設穩(wěn)壓器）；沒有壓水堆的應急給水系統(tǒng)和安全注入系統(tǒng)。

二是可以模塊化建造。高溫氣冷堆通過模塊化建造，避免了施工現(xiàn)場的大量焊接和檢驗工作，建造周期可壓縮為4年；此外，還可通過多模塊組合方式來擴大裝機容量，降低投資。

三是具有較高的發(fā)電效率。高溫氣冷堆的發(fā)電效率可達到42%，在氦氣透平聯(lián)合循環(huán)下，效率能達到50%以上，而壓水堆一般為33%～35%。

圖1 HTR-600工作原理示意圖Fig.1 Schematic of working principle of HTR-600

圖2 球形燃料元件與包覆燃料顆粒Fig.2 Spherical fuel elements and coated fuel particles

四是可以實現(xiàn)連續(xù)裝卸料。高溫氣冷堆通過堆芯上方的裝卸料機構不斷向堆芯裝料，而在堆芯下部的卸料機構卸料，從而實現(xiàn)不停堆換料。

2.3 寬用性

高溫氣冷堆氦氣冷卻劑的出口溫度可以高達950 ℃，除了可以用于高效發(fā)電以外，還可以提供高溫工藝熱，高溫氣冷堆的寬用性體現(xiàn)在能提供900～950 ℃的高溫工藝熱和540 ℃以下各種參數(shù)的工藝蒸汽，能進入各種熱能市場［5］（見圖4）。

2.4 靈活性

高溫氣冷堆能夠實現(xiàn)模塊式組合和能源廠的靈活布置，靈活適應市場的不同規(guī)模需求，可以200 MW高溫氣冷堆為基本單元，靈活建設不同裝機容量的核電站，降低初始投資，縮短建設周期，提升經(jīng)濟性，滿足大、中、小型電網(wǎng)的需求。另外，高溫堆具有固有安全性，且場地適用性強，選址更加靈活。

3 高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)化建議

目前，我國已基本形成高溫氣冷堆推廣、投資、設計、采購、建造和運營管理能力。高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟初步形成。近年來，已經(jīng)在國內(nèi)、外開展了高溫氣冷堆廠址選擇和前期工作，相關廠址開發(fā)工作穩(wěn)步推進。高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已經(jīng)進入關鍵階段。

從我國資源稟賦、能源布局和負荷分布的實際狀況以及核電產(chǎn)業(yè)長遠發(fā)展與自主發(fā)展需要出發(fā)，有必要加快高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)化推廣進程。具體建議如下。

3.1 開展適合四代核電技術的核安全法研究工作，提出相應法規(guī)、導則，推動高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

我國現(xiàn)行的核安全法規(guī)及其導則主要是針對二代、三代壓水堆核電機組，HAF 101—1991《核電廠廠址選址安全規(guī)定》和GB 6249—2011《核動力廠環(huán)境輻射防護規(guī)定》對核電建設項目的選址均規(guī)定了嚴格的硬性要求（如非居住區(qū)為500 m，規(guī)劃限制區(qū)為5 km，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)等剛性約束條件）。以高溫氣冷堆為代表的四代核電技術在安全性、廢物處理和防核擴散方面已取得重大革命，相關研究成果表明：高溫氣冷堆僅需在距離反應堆2.5 km處設置檢測設備，其他相關的非居住區(qū)、規(guī)劃限制區(qū)等可以差異化對待。

圖3 非能動的安全特性——余熱的非能動載出Fig.3 Passive safety feature——passive residual heat removal system

圖4 高溫氣冷堆的寬用性示意圖Fig.4 Various applications of HTR

我國針對安全性更高的核電堆型（如低溫核供熱堆），在核安全法規(guī)研究方面已經(jīng)形成過良好實踐。如HAF J0059—1996《低溫核供熱堆廠址選擇安全準則》規(guī)定低溫核供熱堆的非居住區(qū)為半徑250 m，規(guī)劃限制區(qū)半徑為2 km等要求。我國針對不同堆型的安全特征，已創(chuàng)造性地提出了差異化的廠址選擇和環(huán)境相容性要求。

鑒于國家核安全局當前針對高溫氣冷堆核電項目的廠址選擇要求遵照執(zhí)行二代、三代壓水堆的相關規(guī)定，為充分發(fā)揮高溫氣冷堆的固有安全性和科學平衡安全性和經(jīng)濟性，建議圍繞廠址選擇、核應急等領域及時研究、提出適合高溫氣冷堆、快堆等四代核電技術的法規(guī)及導則，為四代核電技術的發(fā)展營造有利的外部環(huán)境。

3.2 在電力需求集中的地方推廣高溫氣冷堆，形成一種全新電源分布

高溫氣冷堆的發(fā)電效率高，可以滿足集中的電力需求。更重要的是高溫氣冷堆的固有安全特性，在技術上能夠保證在任何情況下都不會發(fā)生堆芯熔毀造成的放射性外泄等嚴重事故。在同樣的安全標準下，供其考慮的廠址較多，壓水堆不適宜的廠址，高溫氣冷堆卻有可能適宜建設。

因此，在電力需求集中的地方推廣高溫氣冷堆，公眾可接受度高。如在人口密集、生態(tài)環(huán)境易受污染的內(nèi)陸大力推廣高溫氣冷堆是我國發(fā)展內(nèi)陸核電的有效措施。同時高溫氣冷單堆功率小、可以模塊化建造，可以適應市場不同規(guī)模的要求和靈活建造不同容量的核電機組。小型的高溫氣冷堆還可作為分散式獨立電源與大型壓水堆電站配合建設，作為大型壓水堆的補充，形成最佳能源布局組合［6］。

3.3 進一步擴大高溫氣冷堆應用性能與領域

高溫堆是現(xiàn)有各類反應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用于煤的氣化液化、石油化工、稠油熱采等領域。未來隨著超高溫氣冷堆的開發(fā)，可以廣泛應用于核能制氫、直接還原煉鋼、油頁巖提煉等領域。

氦氣透平直接發(fā)電可以提高發(fā)電效率，是高溫氣冷堆未來發(fā)展的重要方向之一，目前我國已將此列為“863”計劃攻關項目。開展熱解制氫研究，對于我國占領未來氫經(jīng)濟時代制高點，解決我國未來能源問題具有重要的戰(zhàn)略意義。利用高溫熱能，將低熱值的煤炭轉化成液態(tài)或者氣態(tài)高熱值的燃料，便于運輸與儲存，可以提高煤炭綜合利用率，降低環(huán)境污染，具有重要的戰(zhàn)略意義。

3.4 落實國家戰(zhàn)略布局，推動高溫氣冷堆核電技術“走出去”

在當前國際形勢下，我國面臨由能源大國向能源強國轉變的歷史機遇。鑒于核電“走出去”已上升為國家戰(zhàn)略，具備自主知識產(chǎn)權是核電“走出去”的前提條件。憑借完全自主知識產(chǎn)權、設備國產(chǎn)化、固有安全性三大優(yōu)勢，高溫氣冷堆已成為落實核電“走出去”戰(zhàn)略的優(yōu)選堆型。高溫氣冷堆的技術輸出必將帶動工程設計、裝備制造、設施建造、運營服務等相關配套產(chǎn)業(yè)的出口，有利于實現(xiàn)我國由核電大國向核電強國的轉變。

高溫氣冷堆核電技術“走出去”一方面應根據(jù)各國核電規(guī)劃及相關政策，制定差異化的競爭策略及推廣方案，有針對性地開拓海外市場；另一方面，要加速推動國內(nèi)參考電站建設，盡快向世界展示其運行情況。海內(nèi)外項目聯(lián)動開發(fā)，互為促進，實現(xiàn)“走出去”，增強我國核電技術國際影響力。

中國核建將積極落實核電“走出去”戰(zhàn)略，已與包括阿聯(lián)酋迪拜、歐洲等多個地區(qū)和國家建立合作關系。通過海外高溫氣冷堆市場的開拓，將提升世界各國對我國四代核電技術的認可度，增強我國的國際影響力和樹立自己的四代核電技術品牌優(yōu)勢。

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The Industrialization Development of High Temperature Gas Cooled Reactor in China

GAO Li-ben，SHI Lei，SHANGGUAN Zi-ying，YAN Chen-chang
（CNEC High Temperature Gas Cooled Reactor Holding Co.， Ltd.，Beijing 100039， China）

Abstract：In the light of the overseas development of high temperature gas cooled reactor and the achievement， current situation as well as direction trend of high temperature gas cooled reactor industrialization in China， some suggestions on how to promote the industrialization of high temperature gas cooled reactor have been proposed which based on the strategic perspective of playing a multi-purpose features and speeding up the pace of “going out” for high temperature gas cooled reactor， which can serve as references for relevant governmental departments and the nuclear related organizations.

Key words：HTR； generation IV nuclear power technology； industrialization progress

中圖分類號：TL424

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1617（2016）01-0025-06

收稿日期：2015-11-15

作者簡介：高立本（1971—），男，江蘇南通人，研究員級高工，碩士，現(xiàn)從事核電項目管理、高溫氣冷堆核電技術產(chǎn)業(yè)化工作。