高溫氣冷堆的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

摘要：利用高溫氣體進(jìn)行核冷堆型是一種利用氦氣和水溶液作為冷卻劑，使用石墨烯和水溶液作為緩慢態(tài)物質(zhì)的先進(jìn)核反應(yīng)堆型，由于其本身具有固定的安全性，發(fā)電效率高，建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有希望成為第四代核能系統(tǒng)的技術(shù)之一。本文結(jié)合實(shí)際需求，介紹高溫氣冷堆的研究背景，簡易的從原理上分析其工作方式與特點(diǎn)，對比國內(nèi)外對于高溫氣冷堆的投入與研究現(xiàn)狀，介紹比較成功的反應(yīng)堆裝置，并且對高溫氣冷堆的發(fā)展前景做了展望。

關(guān)鍵詞：高溫氣冷堆;第四代核能系統(tǒng);研究現(xiàn)狀;發(fā)展

引言

所謂核能，指的是通過核反應(yīng)釋放的能量。這種能量可以被人類加以利用，從而成為一種強(qiáng)大的能源。根據(jù)發(fā)生反應(yīng)的種類不同，核能可分為裂變能和聚變能。目前，對于聚變能源的大規(guī)模開發(fā)仍未實(shí)現(xiàn)，然而，人類目前已經(jīng)可以較為安全和高效的產(chǎn)生和儲(chǔ)存裂變能。核反應(yīng)通常需要在一定的容器內(nèi)進(jìn)行，這種容器一般被稱為反應(yīng)堆，隨著科學(xué)理論和工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，反應(yīng)堆技術(shù)也在不斷地更新迭代。

目前，國際上主要通行的是三代反應(yīng)堆，第四代反應(yīng)堆尚處在實(shí)驗(yàn)階段。而高溫氣冷堆就是其中的典型代表。本文介紹高溫氣冷堆的研究背景，簡單的分析其工作方式和特點(diǎn)，探究世界各國對于高溫氣冷堆的研究現(xiàn)狀，最后剖析高溫氣冷堆的發(fā)展趨勢。

1.研究背景

1979年，美國賓夕法尼亞州三哩島核電廠遭遇了一起嚴(yán)重的堆芯熔化事件，最終造成了放射性物質(zhì)的產(chǎn)生和泄露。該事故產(chǎn)生的輻射劑量并不是很大，但是這起事故對核電的發(fā)展卻產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，反對核電的聲音此起彼伏，在社會(huì)輿論的壓迫下，國際核能領(lǐng)域?qū)Ψ磻?yīng)堆的安全性能提出了更高的要求，這使得建造核電站的安全成本大大提高，國際核電領(lǐng)域也因此陷入了長時(shí)間的冷寂，直到二十一世紀(jì)初能源危機(jī)以及全球變暖問題初現(xiàn)端倪后，各國才重新加大了對核電領(lǐng)域的投入。

與此同時(shí)，為了避免類似的事故再次發(fā)生，需要改進(jìn)反應(yīng)堆的安全性能，為此，核能界提出了"高溫氣冷堆"這一概念，即用高溫氦氣代替水作為冷卻劑，對堆芯進(jìn)行冷卻。1956年，英國率先地開始了對高溫氣體反應(yīng)堆技術(shù)的研究，196年英國建造了一個(gè)用于反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)的"龍";1967年，美國在加州建成了"桃花谷"的高溫、氣冷地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)堆;同年，德國也在這里搭建起了一個(gè)高溫空氣冷堆。在試驗(yàn)階段結(jié)束之后，高溫氣冷堆的技術(shù)發(fā)展步驟就進(jìn)入了一個(gè)新的原型堆設(shè)發(fā)電站階段，美德兩個(gè)大國分別于1968年和1971年開始了建造這兩座高溫氣冷堆電站，并且均在試驗(yàn)中成功地達(dá)到了一個(gè)臨界狀態(tài)，這兩座高溫氣冷核電站都取得了成功，標(biāo)志著當(dāng)時(shí)的高溫氣冷堆開始進(jìn)入商業(yè)化階段。

在三哩島核事故之后，世界對于我國的核電技術(shù)和安全性的關(guān)注和重視程度不斷提高，為了更好地適應(yīng)我國核電技術(shù)新形勢的要求，德國西門子公司已經(jīng)提出了一個(gè)全新的概念："模塊式高溫氣冷堆"，他們所設(shè)想的這種高溫氣冷堆，理論上能夠在任何事故下安全停機(jī)，并且使堆芯自然散熱;同時(shí)在高溫條件下可以實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)電。綜合來看，模塊化的高溫氣冷堆無論是在安全性還是經(jīng)濟(jì)性方面都擁有著卓越的技術(shù)，是對新一代核電工程技術(shù)發(fā)展的希望。本文所探討的"高溫氣冷堆"也主要是指模塊化高溫氣冷堆而言。

2.基本介紹

2.1工作原理

目前世界上運(yùn)行的核電站，主要是使用235U作為反應(yīng)原料，利用高能中子轟擊原子核，引發(fā)裂變反應(yīng)。同時(shí)，為了防止反應(yīng)的速度過快導(dǎo)致失控，需要利用中子慢化劑來減少高速中子的數(shù)量。在這個(gè)反應(yīng)過程中進(jìn)行同時(shí)，冷卻劑會(huì)通過吸收整個(gè)堆芯的熱量，再由進(jìn)入蒸汽發(fā)生器后把熱量送到水，隨后又回到堆芯進(jìn)行吸熱。目前，世界上絕大多數(shù)核電站均是通過使用濃度在%～3%的低濃縮鈾作為原子能的燃料，使用水或者作為原子能的冷卻劑和緩沖液，這樣的反應(yīng)堆稱之為輕水反應(yīng)堆。而在高溫下氣冷堆中則主要是通過采用石墨烯作為緩慢性物質(zhì)，氦氣或氫氧化碳作為冷卻劑。

2.2主要特點(diǎn)

2.2.1固有安全性

高溫氣冷堆具備良好的安全保護(hù)性能，是其可以被視為第四代核電工程技術(shù)中最具代表性的重要組成部分。所謂的固有安全性，是指即使發(fā)生了冷卻系統(tǒng)故障，也無法給堆芯提供足夠散熱的效果，堆芯本身也可以直接依靠其熱輻射，熱傳導(dǎo)和自然對流的方式來排出剩余的廢物，這主要得益于其在設(shè)計(jì)過程中的三個(gè)考慮：

（1）降低了堆芯的功率密度：高溫氣冷堆的堆芯功率密度要比壓水堆低1-2個(gè)數(shù)量級，即使冷卻系統(tǒng)停止工作，堆芯溫度的上升也極為緩慢，這為散熱提供了時(shí)間。

（2）減小堆芯直徑：高溫氣冷堆的堆芯比水冷堆更加細(xì)長，增加了散熱面積，提高了散熱效率。

（3）使用全陶瓷對顆粒燃料元件進(jìn)行包覆：由于陶瓷的耐熱性很強(qiáng)，不易熔化，也提高了反應(yīng)堆的安全性。

為了充分驗(yàn)證高溫氣冷堆的固有安全性，清華大學(xué)核能與新技術(shù)研究院于2003年4月和2004年9月在高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆上分別進(jìn)行了一次事故仿真模擬，采用的方法和手段主要有：外部電源中斷電、甩超過負(fù)荷時(shí)疊加不能緊急停堆以及由于內(nèi)部氦風(fēng)機(jī)中斷而停機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使外部發(fā)生重大事故，甚至導(dǎo)致所有冷卻手段全部失效，反應(yīng)堆也不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。

2.2.2高效率發(fā)電

顧名思義，高溫氣冷堆的一個(gè)重要特點(diǎn)自然也就是"高溫"，用作冷卻劑的氦氣溫度一般可以控制得到700-1000攝氏度，同時(shí)通過利用壓水機(jī)對反應(yīng)堆進(jìn)行二回路蒸汽轉(zhuǎn)換循環(huán)，可以使效率提高至40%，實(shí)現(xiàn)了亞臨界，超臨界甚至超超臨界發(fā)電，而一般壓水堆的進(jìn)出口溫度只能僅有300左右，發(fā)電更高效率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高溫空氣冷堆。

2.2.3體積大

雖然高溫氣冷堆擁有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其存在的某些問題也是不容忽視的。高溫氣冷堆的堆芯功率密度比普通的壓水堆要低很多，但是這同時(shí)也導(dǎo)致了為了達(dá)到相同的輸出功率，高溫氣冷堆的體積要比壓水堆大很多，盡管其發(fā)電效率更高，但也遠(yuǎn)遠(yuǎn)抵消不了功率密度低的缺點(diǎn)。

3.研究現(xiàn)狀

3.1國際研究

高溫氣冷堆主要分為兩種：球床式高溫氣冷堆和棱柱式高溫氣冷堆。目前以中，美，日的研發(fā)水平最為先進(jìn)。美國的研究工作主要由X-energy公司負(fù)責(zé)，選定的方向?yàn)榍虼捕?，目前已?jīng)建成了熱功率為約200MWt的Xe-100球床模塊式高溫氣冷堆。日本的研發(fā)工作則主要由官方機(jī)構(gòu)——日本原子能研究所負(fù)責(zé)，從上世紀(jì)九十年代就開始建造小型高溫工程試驗(yàn)堆，該項(xiàng)目于1998年正式建成。

3.2國內(nèi)研究

中國一向重視高溫氣冷堆的研究，早在1974年，我國就已經(jīng)將高溫氣冷堆列入國家重點(diǎn)項(xiàng)目，開始了理論研究。1990年，在當(dāng)時(shí)中國清華大學(xué)中國核能和新能源技術(shù)發(fā)展研究院正式批準(zhǔn)開工建設(shè)修建了當(dāng)時(shí)我國第一座10mw的大型高溫?zé)崴畾饫浜四軐?shí)驗(yàn)堆：htr-10，該反應(yīng)堆于2000正式建成并運(yùn)行。2012年，我國在福島核事故剛剛發(fā)生不久的巨大壓力下，于山東榮成石島灣啟動(dòng)了建設(shè)第一座 200mw 模塊式高溫氣冷堆核電站的示范項(xiàng)目，2020年12月30日，反應(yīng)堆已經(jīng)進(jìn)入了熱態(tài)試驗(yàn)的最后階段——熱態(tài)功能試驗(yàn)，這也表明在高溫氣冷堆技術(shù)方面，我國已走在世界前列。

4.發(fā)展趨勢

由于其采用模塊化的組合方式，每個(gè)模塊均能承擔(dān)部分功率，組合起來可以產(chǎn)生不同的輸出功率，因此能滿足不同國家的電網(wǎng)需求，在商業(yè)上的前景是十分樂觀的。

除此之外，由于高溫氣冷堆出口的氦氣溫度極高，其在需要熱量的化工領(lǐng)域也有十分廣闊的應(yīng)用前景，可以被用于生產(chǎn)氫，海水淡化，煤的氣化等方向。事實(shí)上，高溫氣冷堆還有更多可能的應(yīng)用沒有被發(fā)掘出來，希望通過科學(xué)界不斷地研究，能夠利用這種神奇的技術(shù)創(chuàng)造更多的價(jià)值，進(jìn)而造福人類！

參考文獻(xiàn)：

[1]侯艷麗：《高溫氣冷堆的應(yīng)用模式探索》，《能源》，2020-12-5

[2]葛維維：《高溫氣冷堆：做“走出去”的領(lǐng)跑者》，《中國核工業(yè)》，2018-3-10

[3]齊炳雪，楊一都：《淺談高溫氣冷堆的固有安全性》，《山東工業(yè)技術(shù)》，2018-9-29

[4]張作義，吳宗鑫，王大中，童節(jié)娟：《我國高溫氣冷堆發(fā)展戰(zhàn)略研究》，《中國工程科學(xué)》 2019 年 第 21 卷 第 1 期

[5]張平，徐景明，石磊，張作義：《中國高溫氣冷堆制氫發(fā)展戰(zhàn)略研究》，《中國工程科學(xué)》 2019 年 第 21 卷 第 1 期

[6]季天也：《熱效率高于燃煤電廠——第四代反應(yīng)堆可對接火電機(jī)組？》，《環(huán)境與生活》 2017.07.12 總第113期

[7]徐元輝 鐘大辛：《高溫氣冷堆的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展動(dòng)向》，《清華大學(xué)學(xué)報(bào)》第 32 卷 第6期

[8]周建永：《壓水堆朗肯循環(huán)效率分析》，《科技視界》

作者簡介：楊博，2002年8月出生，女，漢族，籍貫：內(nèi)蒙古包頭人，青島科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，19級在讀本科生，學(xué)士學(xué)位，專業(yè)：城市管理。