高溫氣冷堆的應(yīng)用模式探索

文 | 侯艷麗

高溫氣冷堆技術(shù)亟待進(jìn)一步的產(chǎn)業(yè)化。

作為一種先進(jìn)第四代核電堆型技術(shù)，高溫氣冷堆具有安全性好、效率高、經(jīng)濟(jì)性好和用途廣泛等優(yōu)勢(shì)，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。隨著國(guó)家“863”計(jì)劃、核能開發(fā)項(xiàng)目和國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃重大專項(xiàng)的持續(xù)支持，高溫氣冷堆技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。但是到目前為止，除了將其用于發(fā)電，其他的應(yīng)用研究并沒(méi)有系統(tǒng)性、實(shí)質(zhì)性地開展，以便將高溫氣冷堆技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，推向產(chǎn)業(yè)化，發(fā)揮其多用性作用。

多用性的第四代核能技術(shù)

作為人類賴以生存和發(fā)展的能源基礎(chǔ)，煤炭、石油、天然氣等化石能源支撐了現(xiàn)代社會(huì)的全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展。但化石能源的終將枯竭和其帶來(lái)的環(huán)境污染，已經(jīng)上升為一個(gè)國(guó)家能否可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問(wèn)題。大多數(shù)國(guó)家將合理利用和節(jié)約常規(guī)能源、研發(fā)清潔的新能源和切實(shí)保護(hù)生態(tài)環(huán)境作為基本國(guó)策。核能是一種安全、清潔、經(jīng)濟(jì)的新能源，已經(jīng)得到了全世界的廣泛認(rèn)可。它通過(guò)可控核裂變將核電轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽⒂行н_(dá)到了CO?及污染物減排，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，被稱為20世紀(jì)人類的三大發(fā)明之一。核能也日漸成為我國(guó)能源發(fā)展的一個(gè)重要板塊。世界各國(guó)在兼顧核能經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，對(duì)其安全性提出了更高的要求。

高溫氣冷堆技術(shù)的核心特征就是固有安全性，即在任何情況下都沒(méi)有發(fā)生堆芯融化以及釋放大量放射性物質(zhì)的可能，因此不會(huì)對(duì)公眾和環(huán)境造成重大影響。同時(shí)它還具有出口溫度高、發(fā)電效率高和用途廣泛等優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于高溫工藝供熱、核能海水淡化等非電領(lǐng)域，被國(guó)際公認(rèn)為是第四代先進(jìn)核能技術(shù)。因此，可以說(shuō)以高溫氣冷堆為代表的第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)主力堆型在安全可靠性（如大幅度降低堆芯損傷概率）、環(huán)境相容性（如消除場(chǎng)外應(yīng)急響應(yīng)需求）等方面具有較二代改進(jìn)型和三代壓水堆核電技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

高溫氣冷堆是我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)核能技術(shù)，其技術(shù)得到了國(guó)家“863”計(jì)劃、核能開發(fā)項(xiàng)目和國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃重大專項(xiàng)的持續(xù)支持。歷經(jīng)基礎(chǔ)研究、實(shí)驗(yàn)堆運(yùn)行以及示范工程建設(shè)，現(xiàn)已進(jìn)入商業(yè)化推廣階段。我國(guó)山東省石島灣20萬(wàn)千瓦級(jí)高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM）項(xiàng)目于2006年列入國(guó)家科技重大專項(xiàng)，2012年12月9日經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)正式施工，預(yù)計(jì)2020年并網(wǎng)發(fā)電。隨后清華大學(xué)積極發(fā)展了后續(xù)機(jī)型HTR-PM600，以進(jìn)一步推動(dòng)高溫氣冷堆的技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)應(yīng)用。我國(guó)高溫氣冷堆技術(shù)研究歷經(jīng)跟蹤、跨越和自主創(chuàng)新三個(gè)階段，目前模塊式高溫氣冷堆核電站在商用規(guī)模上處于世界領(lǐng)先地位。

系統(tǒng)性、實(shí)質(zhì)性地開展對(duì)高溫氣冷堆的應(yīng)用研究，能夠加強(qiáng)技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化布局。結(jié)合高溫氣冷堆的特點(diǎn)，緊跟國(guó)家能源產(chǎn)業(yè)政策，實(shí)現(xiàn)核能利用體系重大創(chuàng)新，進(jìn)一步跟蹤研究、及早布局、加快開發(fā)其在各相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用是目前國(guó)內(nèi)能源背景下的重要任務(wù)。

中小火電廠替代

火電廠在燃燒煤炭等化石燃料時(shí)會(huì)產(chǎn)生CO、SO?等有害氣體，造成大氣污染，然而這些燃料是火電廠穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，我國(guó)目前的能源結(jié)構(gòu)以煤電為主，占到60%左右。以犧牲環(huán)境為代價(jià)的發(fā)展觀念是不可取的，我國(guó)一直注重能源發(fā)展中的節(jié)能減排與環(huán)境治理協(xié)同發(fā)展，已初步取得了較好的效果，正在開始實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)際社會(huì)的承諾。能源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要支撐，淘汰舊的落后的發(fā)電方式，必然要以新的能源方式予以替代。以清潔能源代替煤炭等傳統(tǒng)化石能源是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)變方式。在我國(guó)《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確要在“十三五”期間淘汰2000萬(wàn)千瓦落后的火電產(chǎn)能，這是國(guó)家推動(dòng)能源改革的一個(gè)重要標(biāo)志。

這些舊的落后的火電，基本上是早期建設(shè)的小發(fā)電機(jī)組，一般幾萬(wàn)千瓦到幾十萬(wàn)千瓦。這些規(guī)格的發(fā)電機(jī)組的功率和高溫氣冷堆是基本一致的，即100-600 MW的范圍。淘汰這些發(fā)電機(jī)組，用高溫氣冷堆發(fā)電來(lái)替代，能夠充分發(fā)揮高溫氣冷堆的優(yōu)勢(shì)。

高溫氣冷堆替代火電，緊跟國(guó)家的能源產(chǎn)業(yè)政策，是一種解放思想、開拓思路的核能利用理念，是核能利用體系內(nèi)的重大創(chuàng)新。高溫氣冷堆替代火電特別是在原址替代火電方面具有眾多優(yōu)勢(shì)：高溫氣冷堆發(fā)電不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成不利影響，也不會(huì)制約周邊城市規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)發(fā)展；高溫氣冷堆的蒸汽參數(shù)與燃煤電廠基本一致，可利用原廠址一些共有設(shè)施，有利于火電廠址資源綜合利用、國(guó)有資產(chǎn)保值增值；對(duì)于緩解環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定之間的矛盾具有重要的意義。

高溫氣冷堆核電機(jī)組滿足國(guó)際現(xiàn)在及未來(lái)最嚴(yán)格的核安全標(biāo)準(zhǔn)，滿足事故條件下對(duì)廠址周邊最嚴(yán)格的放射性劑量限制標(biāo)準(zhǔn)，在技術(shù)上不需要廠外應(yīng)急。因此，為滿足日趨嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)要求，可以在一部分面臨退役的火電廠址上建設(shè)高溫氣冷堆核電機(jī)組，充分利用原有火電汽輪機(jī)和冷卻塔等基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備。

工業(yè)與居民供熱

石油煉化廠通常使用燃油鍋爐提供高溫?zé)嵩?，不但不能充分發(fā)揮石油巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還產(chǎn)生大量污染不利于節(jié)能減排。高溫氣冷堆可提供700-750℃的蒸汽，未來(lái)還可達(dá)到950℃以上的溫度，一定程度上可以滿足高溫高壓的工藝熱負(fù)荷需求，用于石油煉化、烯烴煉制、稠油熱采等石化工藝。利用高溫氣冷堆與石化工藝進(jìn)行耦合，不但可以有效減少原油的消耗量，降低供熱成本，還能夠減少二氧化碳的排放量。特別是對(duì)于像烯烴煉制這樣的高耗能過(guò)程，更加能夠發(fā)揮出核能供熱的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)北方大中城市大量依靠燃煤熱電廠在發(fā)電同時(shí)為居民供熱。在一些環(huán)境要求高的大城市，目前采用的是大型天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)進(jìn)行供熱。如果能在一個(gè)距離城市邊界30-50 km的廠址上建設(shè)高溫氣冷堆熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，可以形成大容量區(qū)域熱電聯(lián)產(chǎn)中心，抽氣供熱1×108 m2，產(chǎn)生的電能可以支撐另外1×108 m2的散戶電采暖，比燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)具有更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力和環(huán)境效益。目前，這項(xiàng)工作得到了國(guó)家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)政策的扶持，但具體還沒(méi)有實(shí)施。一些工業(yè)集團(tuán)公司已經(jīng)部署了核能供熱前期工作，應(yīng)緊密跟蹤。

制氫技術(shù)應(yīng)用

氫能作為一種綠色、高效的二次能源一直備受各國(guó)追捧。氫能將會(huì)在21世紀(jì)成為世界能源舞臺(tái)上的一種重要能源，氫的制取也將成為備受關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用制氫方法主要是烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化、重油部分氧化和煤氣化等，其中95%以上的氫能來(lái)源于化石能源，在生產(chǎn)過(guò)程中存在污染嚴(yán)重、二氧化碳排放量大的問(wèn)題，還有少數(shù)情況采用水電解產(chǎn)氫的方法，但制氫效率偏低，這與未來(lái)能源發(fā)展高效化、清潔化的理念不符。隨著技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，目前核能制氫技術(shù)有望成為未來(lái)大規(guī)模制氫的重要技術(shù)選擇。當(dāng)前，美、日、韓、法等國(guó)都在積極開展核能制氫技術(shù)研發(fā)工作。將高溫氣冷堆用于核能制氫，不但可以與常規(guī)工業(yè)設(shè)備有機(jī)結(jié)合，與制氫工藝要求相匹配，還能夠大大提高制氫效率，滿足大規(guī)模制氫需求。未來(lái)核能制氫技術(shù)的商業(yè)化將會(huì)帶來(lái)能源領(lǐng)域的重大創(chuàng)新。

核能制氫與傳統(tǒng)的甲烷蒸汽重整和水電解方法制氫相比，更加清潔、經(jīng)濟(jì)、和高效，有多種反應(yīng)堆都可以與制氫系統(tǒng)相耦合來(lái)制氫。但從經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)合理性角度來(lái)看，無(wú)論是采用何種工藝，制氫的效率都與溫度密切相關(guān)。蒸汽重整、高溫電解和熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫工藝的最高溫度分別為500-900℃、700-900℃和750-900℃。提高制氫效率需要的是合適的高溫，因此，需要反應(yīng)堆的最高輸出溫度能夠與制氫工藝所需要的溫度相匹配。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室評(píng)估認(rèn)為，在目前研究的各種堆型中，只有氦氣冷卻的高溫氣冷堆可以提供足夠高的溫度來(lái)耦合驅(qū)動(dòng)制氫體系。因此無(wú)論從技術(shù)銜接還是經(jīng)濟(jì)性角度，高溫氣冷堆都是最適合制氫的堆型。目前，我國(guó)在國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站”支持下，高溫堆制氫關(guān)鍵技術(shù)研究已取得良好進(jìn)展，處于世界領(lǐng)先地位。

海水淡化技術(shù)應(yīng)用

目前海水淡化的技術(shù)主流有熱法和膜法，這兩種方法都需要較大的能源供給。利用高溫氣冷堆直接海水淡化，反應(yīng)堆功率可與大規(guī)模海水淡化設(shè)施相匹配，有效降低海水淡化的成本，在解決沿海地區(qū)淡水匱乏的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。為進(jìn)一步提高能源的綜合利用率，也可以考慮實(shí)施水電聯(lián)供。200 MW高溫氣冷堆可提供高參數(shù)工藝蒸汽，將其與海水淡化工藝進(jìn)行連用，具有更好的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

采用高溫氣冷堆發(fā)電廠與海水淡化廠聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)在于：1）不需要化石燃料；2）廠址選擇具有靈活性；3）模塊式可配置使其容量據(jù)根需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，并可逐步擴(kuò)大容量；4）核能綜合利用不僅熱利用率高，而且有明顯的經(jīng)濟(jì)效益；5）在沿海采用核能發(fā)電、供電、海水淡化聯(lián)合運(yùn)行不僅能解決能源和用水短缺問(wèn)題，還可以保護(hù)環(huán)境。隨著高溫氣冷堆技術(shù)的不斷成熟，這項(xiàng)工作應(yīng)加大推進(jìn)力度。

輻射材料的應(yīng)用研究

氚用于制造核武器，可以發(fā)生熱核反應(yīng)釋放出大量的能量。自然界幾乎不存在氚，必須用人工方法制備。通常在反應(yīng)堆內(nèi)，利用熱中子與6Li的核反應(yīng)進(jìn)行生產(chǎn)。美國(guó)通用原子公司（GA）在上世紀(jì)90年代就已經(jīng)設(shè)想和設(shè)計(jì)高溫氣冷堆用于產(chǎn)氚，實(shí)現(xiàn)發(fā)電與產(chǎn)氚并舉。美國(guó)曾設(shè)計(jì)產(chǎn)氚、發(fā)電兩用模塊化的2800MWt（8×350 MWt）高溫氣冷堆，以6Li豐度大于50%的γ-LiAlO2石墨包覆微球作為產(chǎn)氚材料，滿負(fù)荷運(yùn)行的年產(chǎn)氚量為公斤級(jí)。

近年來(lái)，日本投入巨額資金攻克了高溫氣冷堆輻照材料關(guān)鍵技術(shù)。日本九州大學(xué)聯(lián)合日本原子能研究機(jī)構(gòu)（JAEA）的研究結(jié)果表明，對(duì)比商業(yè)壓水堆輻照材料技術(shù)，利用高溫氣冷堆產(chǎn)氚的優(yōu)勢(shì)：1）利用高溫冷卻劑溫度，高溫氣冷堆中主要的堆芯結(jié)構(gòu)和冷卻劑分別是石墨和氦氣，石墨和氦氣具有化學(xué)穩(wěn)定性而不易與含鋰化學(xué)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；2）對(duì)比商業(yè)壓水堆，高溫氣冷堆具有更大的慢化劑區(qū)域，可用于裝填含鋰化學(xué)物進(jìn)行產(chǎn)氚，并且無(wú)需富集6Li；3）通過(guò)引入含鋰化學(xué)物靶件替換傳統(tǒng)的固體可燃毒物控制棒（B4C）進(jìn)行產(chǎn)氚，而無(wú)需改變HTGR的堆芯設(shè)計(jì)。如果采用足夠的含鋰化學(xué)物放入高溫氣冷堆堆芯內(nèi)，LiAlO2裝填在可移除的反射層包圍在環(huán)形燃料周圍以增加可燃毒物，那么一座3000 MW模塊化的高溫氣冷堆將在一年內(nèi)產(chǎn)生數(shù)公斤的氚。

由于高溫氣冷堆的結(jié)構(gòu)特殊，控制棒之外的石墨慢化區(qū)中子通量比較高，可以利用高溫氣冷堆冗余中子開展有關(guān)材料、安全性等方面的中子利用研究。

目前，我國(guó)高溫氣冷堆的應(yīng)用市場(chǎng)定位為壓水堆核電的重要補(bǔ)充、核能供熱的主力堆型。正在研發(fā)設(shè)計(jì)中的600 MW核電機(jī)組，擬利用山東榮成200 MW高溫氣冷堆示范工程已驗(yàn)證的成熟技術(shù)，在保持主要設(shè)備與系統(tǒng)不變的情況下，通過(guò)多個(gè)模塊組合來(lái)滿足更大容量的市場(chǎng)需求，這種設(shè)計(jì)思路一旦得到證實(shí)，將對(duì)新型核電技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的模式產(chǎn)生重大影響。隨著200 MW示范工程項(xiàng)目的重大進(jìn)展和600 MW產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目的順利推進(jìn)，模塊式高溫氣冷堆技術(shù)會(huì)逐步趨于成熟。但是到目前為止除了用于發(fā)電外，其他的應(yīng)用研究并沒(méi)有系統(tǒng)性的、實(shí)質(zhì)性地開展，或者說(shuō)還亟需開展研究和示范工程驗(yàn)證，以便進(jìn)一步優(yōu)化，推向產(chǎn)業(yè)化，這樣才能真正發(fā)揮高溫氣冷堆的多用途作用。特別是在高溫氣冷堆供熱、核能制氫、核能海水淡化、冗余中子應(yīng)用研究等若干方面，很少的項(xiàng)目開展了單體原理性試驗(yàn)，并沒(méi)有銜接高溫氣冷堆的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。因此，從高溫氣冷堆這樣一個(gè)先進(jìn)的、四代堆型特征的技術(shù)路線分析，還需要大量的應(yīng)用研究工作要做，從模塊式高溫氣冷堆的功能、定位和發(fā)展角度看，還差得很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)。

緊密結(jié)合當(dāng)前200 MW示范工程建設(shè)進(jìn)度和未來(lái)600 MW產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目的發(fā)展，從上述幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域入手，亟需布局前期應(yīng)用研究工作進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)布局，是非常必要也是非常緊迫的。