高溫氣冷堆的應用模式探索

文 | 侯艷麗

高溫氣冷堆技術亟待進一步的產業化。

作為一種先進第四代核電堆型技術，高溫氣冷堆具有安全性好、效率高、經濟性好和用途廣泛等優勢，能夠代替傳統化石能源，實現經濟和生態環境協調發展。隨著國家“863”計劃、核能開發項目和國家中長期科技發展規劃重大專項的持續支持，高溫氣冷堆技術已經趨于成熟。但是到目前為止，除了將其用于發電，其他的應用研究并沒有系統性、實質性地開展，以便將高溫氣冷堆技術進一步優化，推向產業化，發揮其多用性作用。

多用性的第四代核能技術

作為人類賴以生存和發展的能源基礎，煤炭、石油、天然氣等化石能源支撐了現代社會的全球經濟飛速發展。但化石能源的終將枯竭和其帶來的環境污染，已經上升為一個國家能否可持續發展的重大戰略問題。大多數國家將合理利用和節約常規能源、研發清潔的新能源和切實保護生態環境作為基本國策。核能是一種安全、清潔、經濟的新能源，已經得到了全世界的廣泛認可。它通過可控核裂變將核電轉變為電能，并有效達到了CO?及污染物減排，實現了經濟和生態環境協調發展，被稱為20世紀人類的三大發明之一。核能也日漸成為我國能源發展的一個重要板塊。世界各國在兼顧核能經濟性的同時，對其安全性提出了更高的要求。

高溫氣冷堆技術的核心特征就是固有安全性，即在任何情況下都沒有發生堆芯融化以及釋放大量放射性物質的可能，因此不會對公眾和環境造成重大影響。同時它還具有出口溫度高、發電效率高和用途廣泛等優勢，可廣泛應用于高溫工藝供熱、核能海水淡化等非電領域，被國際公認為是第四代先進核能技術。因此，可以說以高溫氣冷堆為代表的第四代先進核能系統主力堆型在安全可靠性（如大幅度降低堆芯損傷概率）、環境相容性（如消除場外應急響應需求）等方面具有較二代改進型和三代壓水堆核電技術不可比擬的優勢。

高溫氣冷堆是我國具有完全自主知識產權的先進核能技術，其技術得到了國家“863”計劃、核能開發項目和國家中長期科技發展規劃重大專項的持續支持。歷經基礎研究、實驗堆運行以及示范工程建設，現已進入商業化推廣階段。我國山東省石島灣20萬千瓦級高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM）項目于2006年列入國家科技重大專項，2012年12月9日經國務院批準正式施工，預計2020年并網發電。隨后清華大學積極發展了后續機型HTR-PM600，以進一步推動高溫氣冷堆的技術進步和市場應用。我國高溫氣冷堆技術研究歷經跟蹤、跨越和自主創新三個階段，目前模塊式高溫氣冷堆核電站在商用規模上處于世界領先地位。

系統性、實質性地開展對高溫氣冷堆的應用研究，能夠加強技術的進一步優化，盡快實現產業化布局。結合高溫氣冷堆的特點，緊跟國家能源產業政策，實現核能利用體系重大創新，進一步跟蹤研究、及早布局、加快開發其在各相關領域應用是目前國內能源背景下的重要任務。

中小火電廠替代

火電廠在燃燒煤炭等化石燃料時會產生CO、SO?等有害氣體，造成大氣污染，然而這些燃料是火電廠穩定運行的基礎，我國目前的能源結構以煤電為主，占到60%左右。以犧牲環境為代價的發展觀念是不可取的，我國一直注重能源發展中的節能減排與環境治理協同發展，已初步取得了較好的效果，正在開始實現對國際社會的承諾。能源是經濟社會發展的重要支撐，淘汰舊的落后的發電方式，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化石能源是一個重要的轉變方式。在我國《能源發展“十三五”規劃》中明確要在“十三五”期間淘汰2000萬千瓦落后的火電產能，這是國家推動能源改革的一個重要標志。

這些舊的落后的火電，基本上是早期建設的小發電機組，一般幾萬千瓦到幾十萬千瓦。這些規格的發電機組的功率和高溫氣冷堆是基本一致的，即100-600 MW的范圍。淘汰這些發電機組，用高溫氣冷堆發電來替代，能夠充分發揮高溫氣冷堆的優勢。

高溫氣冷堆替代火電，緊跟國家的能源產業政策，是一種解放思想、開拓思路的核能利用理念，是核能利用體系內的重大創新。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勢：高溫氣冷堆發電不會對周圍環境造成不利影響，也不會制約周邊城市規劃和產業發展；高溫氣冷堆的蒸汽參數與燃煤電廠基本一致，可利用原廠址一些共有設施，有利于火電廠址資源綜合利用、國有資產保值增值；對于緩解環境保護、節能減排與經濟發展、社會穩定之間的矛盾具有重要的意義。

高溫氣冷堆核電機組滿足國際現在及未來最嚴格的核安全標準，滿足事故條件下對廠址周邊最嚴格的放射性劑量限制標準，在技術上不需要廠外應急。因此，為滿足日趨嚴格的環境保護要求，可以在一部分面臨退役的火電廠址上建設高溫氣冷堆核電機組，充分利用原有火電汽輪機和冷卻塔等基礎設施和設備。

工業與居民供熱

石油煉化廠通常使用燃油鍋爐提供高溫熱源，不但不能充分發揮石油巨大的經濟價值，還產生大量污染不利于節能減排。高溫氣冷堆可提供700-750℃的蒸汽，未來還可達到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。特別是對于像烯烴煉制這樣的高耗能過程，更加能夠發揮出核能供熱的節能優勢。

我國北方大中城市大量依靠燃煤熱電廠在發電同時為居民供熱。在一些環境要求高的大城市，目前采用的是大型天然氣熱電聯產進行供熱。如果能在一個距離城市邊界30-50 km的廠址上建設高溫氣冷堆熱電聯產機組，可以形成大容量區域熱電聯產中心，抽氣供熱1×108 m2，產生的電能可以支撐另外1×108 m2的散戶電采暖，比燃氣熱電聯產具有更強的經濟競爭力和環境效益。目前，這項工作得到了國家發改委產業政策的扶持，但具體還沒有實施。一些工業集團公司已經部署了核能供熱前期工作，應緊密跟蹤。

制氫技術應用

氫能作為一種綠色、高效的二次能源一直備受各國追捧。氫能將會在21世紀成為世界能源舞臺上的一種重要能源，氫的制取也將成為備受關注的焦點。傳統的工業應用制氫方法主要是烴類水蒸汽轉化、重油部分氧化和煤氣化等，其中95%以上的氫能來源于化石能源，在生產過程中存在污染嚴重、二氧化碳排放量大的問題，還有少數情況采用水電解產氫的方法，但制氫效率偏低，這與未來能源發展高效化、清潔化的理念不符。隨著技術和工藝的不斷發展，目前核能制氫技術有望成為未來大規模制氫的重要技術選擇。當前，美、日、韓、法等國都在積極開展核能制氫技術研發工作。將高溫氣冷堆用于核能制氫，不但可以與常規工業設備有機結合，與制氫工藝要求相匹配，還能夠大大提高制氫效率，滿足大規模制氫需求。未來核能制氫技術的商業化將會帶來能源領域的重大創新。

核能制氫與傳統的甲烷蒸汽重整和水電解方法制氫相比，更加清潔、經濟、和高效，有多種反應堆都可以與制氫系統相耦合來制氫。但從經濟性和技術合理性角度來看，無論是采用何種工藝，制氫的效率都與溫度密切相關。蒸汽重整、高溫電解和熱化學循環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。美國桑迪亞國家實驗室評估認為，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耦合驅動制氫體系。因此無論從技術銜接還是經濟性角度，高溫氣冷堆都是最適合制氫的堆型。目前，我國在國家科技重大專項“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站”支持下，高溫堆制氫關鍵技術研究已取得良好進展，處于世界領先地位。

海水淡化技術應用

目前海水淡化的技術主流有熱法和膜法，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，反應堆功率可與大規模海水淡化設施相匹配，有效降低海水淡化的成本，在解決沿海地區淡水匱乏的基礎上實現節能降耗。為進一步提高能源的綜合利用率，也可以考慮實施水電聯供。200 MW高溫氣冷堆可提供高參數工藝蒸汽，將其與海水淡化工藝進行連用，具有更好的經濟性和安全性。

采用高溫氣冷堆發電廠與海水淡化廠聯合運行的優點在于：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根需要優化設計，并可逐步擴大容量；4）核能綜合利用不僅熱利用率高，而且有明顯的經濟效益；5）在沿海采用核能發電、供電、海水淡化聯合運行不僅能解決能源和用水短缺問題，還可以保護環境。隨著高溫氣冷堆技術的不斷成熟，這項工作應加大推進力度。

輻射材料的應用研究

氚用于制造核武器，可以發生熱核反應釋放出大量的能量。自然界幾乎不存在氚，必須用人工方法制備。通常在反應堆內，利用熱中子與6Li的核反應進行生產。美國通用原子公司（GA）在上世紀90年代就已經設想和設計高溫氣冷堆用于產氚，實現發電與產氚并舉。美國曾設計產氚、發電兩用模塊化的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氚材料，滿負荷運行的年產氚量為公斤級。

近年來，日本投入巨額資金攻克了高溫氣冷堆輻照材料關鍵技術。日本九州大學聯合日本原子能研究機構（JAEA）的研究結果表明，對比商業壓水堆輻照材料技術，利用高溫氣冷堆產氚的優勢：1）利用高溫冷卻劑溫度，高溫氣冷堆中主要的堆芯結構和冷卻劑分別是石墨和氦氣，石墨和氦氣具有化學穩定性而不易與含鋰化學物發生化學反應；2）對比商業壓水堆，高溫氣冷堆具有更大的慢化劑區域，可用于裝填含鋰化學物進行產氚，并且無需富集6Li；3）通過引入含鋰化學物靶件替換傳統的固體可燃毒物控制棒（B4C）進行產氚，而無需改變HTGR的堆芯設計。如果采用足夠的含鋰化學物放入高溫氣冷堆堆芯內，LiAlO2裝填在可移除的反射層包圍在環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產生數公斤的氚。

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

目前，我國高溫氣冷堆的應用市場定位為壓水堆核電的重要補充、核能供熱的主力堆型。正在研發設計中的600 MW核電機組，擬利用山東榮成200 MW高溫氣冷堆示范工程已驗證的成熟技術，在保持主要設備與系統不變的情況下，通過多個模塊組合來滿足更大容量的市場需求，這種設計思路一旦得到證實，將對新型核電技術實現產業化的模式產生重大影響。隨著200 MW示范工程項目的重大進展和600 MW產業化項目的順利推進，模塊式高溫氣冷堆技術會逐步趨于成熟。但是到目前為止除了用于發電外，其他的應用研究并沒有系統性的、實質性地開展，或者說還亟需開展研究和示范工程驗證，以便進一步優化，推向產業化，這樣才能真正發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、冗余中子應用研究等若干方面，很少的項目開展了單體原理性試驗，并沒有銜接高溫氣冷堆的實驗和驗證。因此，從高溫氣冷堆這樣一個先進的、四代堆型特征的技術路線分析，還需要大量的應用研究工作要做，從模塊式高溫氣冷堆的功能、定位和發展角度看，還差得很遠很遠。

緊密結合當前200 MW示范工程建設進度和未來600 MW產業化項目的發展，從上述幾個應用領域入手，亟需布局前期應用研究工作進展和產業布局，是非常必要也是非常緊迫的。