高温气冷堆的应用模式探索

文 | 侯艳丽

高温气冷堆技术亟待进一步的产业化。

作为一种先进第四代核电堆型技术，高温气冷堆具有安全性好、效率高、经济性好和用途广泛等优势，能够代替传统化石能源，实现经济和生态环境协调发展。随着国家“863”计划、核能开发项目和国家中长期科技发展规划重大专项的持续支持，高温气冷堆技术已经趋于成熟。但是到目前为止，除了将其用于发电，其他的应用研究并没有系统性、实质性地开展，以便将高温气冷堆技术进一步优化，推向产业化，发挥其多用性作用。

多用性的第四代核能技术

作为人类赖以生存和发展的能源基础，煤炭、石油、天然气等化石能源支撑了现代社会的全球经济飞速发展。但化石能源的终将枯竭和其带来的环境污染，已经上升为一个国家能否可持续发展的重大战略问题。大多数国家将合理利用和节约常规能源、研发清洁的新能源和切实保护生态环境作为基本国策。核能是一种安全、清洁、经济的新能源，已经得到了全世界的广泛认可。它通过可控核裂变将核电转变为电能，并有效达到了CO₂及污染物减排，实现了经济和生态环境协调发展，被称为20世纪人类的三大发明之一。核能也日渐成为我国能源发展的一个重要板块。世界各国在兼顾核能经济性的同时，对其安全性提出了更高的要求。

高温气冷堆技术的核心特征就是固有安全性，即在任何情况下都没有发生堆芯融化以及释放大量放射性物质的可能，因此不会对公众和环境造成重大影响。同时它还具有出口温度高、发电效率高和用途广泛等优势，可广泛应用于高温工艺供热、核能海水淡化等非电领域，被国际公认为是第四代先进核能技术。因此，可以说以高温气冷堆为代表的第四代先进核能系统主力堆型在安全可靠性（如大幅度降低堆芯损伤概率）、环境相容性（如消除场外应急响应需求）等方面具有较二代改进型和三代压水堆核电技术不可比拟的优势。

高温气冷堆是我国具有完全自主知识产权的先进核能技术，其技术得到了国家“863”计划、核能开发项目和国家中长期科技发展规划重大专项的持续支持。历经基础研究、实验堆运行以及示范工程建设，现已进入商业化推广阶段。我国山东省石岛湾20万千瓦级高温气冷堆核电站示范工程（HTR-PM）项目于2006年列入国家科技重大专项，2012年12月9日经国务院批准正式施工，预计2020年并网发电。随后清华大学积极发展了后续机型HTR-PM600，以进一步推动高温气冷堆的技术进步和市场应用。我国高温气冷堆技术研究历经跟踪、跨越和自主创新三个阶段，目前模块式高温气冷堆核电站在商用规模上处于世界领先地位。

系统性、实质性地开展对高温气冷堆的应用研究，能够加强技术的进一步优化，尽快实现产业化布局。结合高温气冷堆的特点，紧跟国家能源产业政策，实现核能利用体系重大创新，进一步跟踪研究、及早布局、加快开发其在各相关领域应用是目前国内能源背景下的重要任务。

中小火电厂替代

火电厂在燃烧煤炭等化石燃料时会产生CO、SO₂等有害气体，造成大气污染，然而这些燃料是火电厂稳定运行的基础，我国目前的能源结构以煤电为主，占到60%左右。以牺牲环境为代价的发展观念是不可取的，我国一直注重能源发展中的节能减排与环境治理协同发展，已初步取得了较好的效果，正在开始实现对国际社会的承诺。能源是经济社会发展的重要支撑，淘汰旧的落后的发电方式，必然要以新的能源方式予以替代。以清洁能源代替煤炭等传统化石能源是一个重要的转变方式。在我国《能源发展“十三五”规划》中明确要在“十三五”期间淘汰2000万千瓦落后的火电产能，这是国家推动能源改革的一个重要标志。

这些旧的落后的火电，基本上是早期建设的小发电机组，一般几万千瓦到几十万千瓦。这些规格的发电机组的功率和高温气冷堆是基本一致的，即100-600 MW的范围。淘汰这些发电机组，用高温气冷堆发电来替代，能够充分发挥高温气冷堆的优势。

高温气冷堆替代火电，紧跟国家的能源产业政策，是一种解放思想、开拓思路的核能利用理念，是核能利用体系内的重大创新。高温气冷堆替代火电特别是在原址替代火电方面具有众多优势：高温气冷堆发电不会对周围环境造成不利影响，也不会制约周边城市规划和产业发展；高温气冷堆的蒸汽参数与燃煤电厂基本一致，可利用原厂址一些共有设施，有利于火电厂址资源综合利用、国有资产保值增值；对于缓解环境保护、节能减排与经济发展、社会稳定之间的矛盾具有重要的意义。

高温气冷堆核电机组满足国际现在及未来最严格的核安全标准，满足事故条件下对厂址周边最严格的放射性剂量限制标准，在技术上不需要厂外应急。因此，为满足日趋严格的环境保护要求，可以在一部分面临退役的火电厂址上建设高温气冷堆核电机组，充分利用原有火电汽轮机和冷却塔等基础设施和设备。

工业与居民供热

石油炼化厂通常使用燃油锅炉提供高温热源，不但不能充分发挥石油巨大的经济价值，还产生大量污染不利于节能减排。高温气冷堆可提供700-750℃的蒸汽，未来还可达到950℃以上的温度，一定程度上可以满足高温高压的工艺热负荷需求，用于石油炼化、烯烃炼制、稠油热采等石化工艺。利用高温气冷堆与石化工艺进行耦合，不但可以有效减少原油的消耗量，降低供热成本，还能够减少二氧化碳的排放量。特别是对于像烯烃炼制这样的高耗能过程，更加能够发挥出核能供热的节能优势。

我国北方大中城市大量依靠燃煤热电厂在发电同时为居民供热。在一些环境要求高的大城市，目前采用的是大型天然气热电联产进行供热。如果能在一个距离城市边界30-50 km的厂址上建设高温气冷堆热电联产机组，可以形成大容量区域热电联产中心，抽气供热1×108 m²，产生的电能可以支撑另外1×108 m²的散户电采暖，比燃气热电联产具有更强的经济竞争力和环境效益。目前，这项工作得到了国家发改委产业政策的扶持，但具体还没有实施。一些工业集团公司已经部署了核能供热前期工作，应紧密跟踪。

制氢技术应用

氢能作为一种绿色、高效的二次能源一直备受各国追捧。氢能将会在21世纪成为世界能源舞台上的一种重要能源，氢的制取也将成为备受关注的焦点。传统的工业应用制氢方法主要是烃类水蒸汽转化、重油部分氧化和煤气化等，其中95%以上的氢能来源于化石能源，在生产过程中存在污染严重、二氧化碳排放量大的问题，还有少数情况采用水电解产氢的方法，但制氢效率偏低，这与未来能源发展高效化、清洁化的理念不符。随着技术和工艺的不断发展，目前核能制氢技术有望成为未来大规模制氢的重要技术选择。当前，美、日、韩、法等国都在积极开展核能制氢技术研发工作。将高温气冷堆用于核能制氢，不但可以与常规工业设备有机结合，与制氢工艺要求相匹配，还能够大大提高制氢效率，满足大规模制氢需求。未来核能制氢技术的商业化将会带来能源领域的重大创新。

核能制氢与传统的甲烷蒸汽重整和水电解方法制氢相比，更加清洁、经济、和高效，有多种反应堆都可以与制氢系统相耦合来制氢。但从经济性和技术合理性角度来看，无论是采用何种工艺，制氢的效率都与温度密切相关。蒸汽重整、高温电解和热化学循环分解水制氢工艺的最高温度分别为500-900℃、700-900℃和750-900℃。提高制氢效率需要的是合适的高温，因此，需要反应堆的最高输出温度能够与制氢工艺所需要的温度相匹配。美国桑迪亚国家实验室评估认为，在目前研究的各种堆型中，只有氦气冷却的高温气冷堆可以提供足够高的温度来耦合驱动制氢体系。因此无论从技术衔接还是经济性角度，高温气冷堆都是最适合制氢的堆型。目前，我国在国家科技重大专项“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站”支持下，高温堆制氢关键技术研究已取得良好进展，处于世界领先地位。

海水淡化技术应用

目前海水淡化的技术主流有热法和膜法，这两种方法都需要较大的能源供给。利用高温气冷堆直接海水淡化，反应堆功率可与大规模海水淡化设施相匹配，有效降低海水淡化的成本，在解决沿海地区淡水匮乏的基础上实现节能降耗。为进一步提高能源的综合利用率，也可以考虑实施水电联供。200 MW高温气冷堆可提供高参数工艺蒸汽，将其与海水淡化工艺进行连用，具有更好的经济性和安全性。

采用高温气冷堆发电厂与海水淡化厂联合运行的优点在于：1）不需要化石燃料；2）厂址选择具有灵活性；3）模块式可配置使其容量据根需要优化设计，并可逐步扩大容量；4）核能综合利用不仅热利用率高，而且有明显的经济效益；5）在沿海采用核能发电、供电、海水淡化联合运行不仅能解决能源和用水短缺问题，还可以保护环境。随着高温气冷堆技术的不断成熟，这项工作应加大推进力度。

辐射材料的应用研究

氚用于制造核武器，可以发生热核反应释放出大量的能量。自然界几乎不存在氚，必须用人工方法制备。通常在反应堆内，利用热中子与6Li的核反应进行生产。美国通用原子公司（GA）在上世纪90年代就已经设想和设计高温气冷堆用于产氚，实现发电与产氚并举。美国曾设计产氚、发电两用模块化的2800MWt（8×350 MWt）高温气冷堆，以6Li丰度大于50%的γ-LiAlO2石墨包覆微球作为产氚材料，满负荷运行的年产氚量为公斤级。

近年来，日本投入巨额资金攻克了高温气冷堆辐照材料关键技术。日本九州大学联合日本原子能研究机构（JAEA）的研究结果表明，对比商业压水堆辐照材料技术，利用高温气冷堆产氚的优势：1）利用高温冷却剂温度，高温气冷堆中主要的堆芯结构和冷却剂分别是石墨和氦气，石墨和氦气具有化学稳定性而不易与含锂化学物发生化学反应；2）对比商业压水堆，高温气冷堆具有更大的慢化剂区域，可用于装填含锂化学物进行产氚，并且无需富集6Li；3）通过引入含锂化学物靶件替换传统的固体可燃毒物控制棒（B4C）进行产氚，而无需改变HTGR的堆芯设计。如果采用足够的含锂化学物放入高温气冷堆堆芯内，LiAlO2装填在可移除的反射层包围在环形燃料周围以增加可燃毒物，那么一座3000 MW模块化的高温气冷堆将在一年内产生数公斤的氚。

由于高温气冷堆的结构特殊，控制棒之外的石墨慢化区中子通量比较高，可以利用高温气冷堆冗余中子开展有关材料、安全性等方面的中子利用研究。

目前，我国高温气冷堆的应用市场定位为压水堆核电的重要补充、核能供热的主力堆型。正在研发设计中的600 MW核电机组，拟利用山东荣成200 MW高温气冷堆示范工程已验证的成熟技术，在保持主要设备与系统不变的情况下，通过多个模块组合来满足更大容量的市场需求，这种设计思路一旦得到证实，将对新型核电技术实现产业化的模式产生重大影响。随着200 MW示范工程项目的重大进展和600 MW产业化项目的顺利推进，模块式高温气冷堆技术会逐步趋于成熟。但是到目前为止除了用于发电外，其他的应用研究并没有系统性的、实质性地开展，或者说还亟需开展研究和示范工程验证，以便进一步优化，推向产业化，这样才能真正发挥高温气冷堆的多用途作用。特别是在高温气冷堆供热、核能制氢、核能海水淡化、冗余中子应用研究等若干方面，很少的项目开展了单体原理性试验，并没有衔接高温气冷堆的实验和验证。因此，从高温气冷堆这样一个先进的、四代堆型特征的技术路线分析，还需要大量的应用研究工作要做，从模块式高温气冷堆的功能、定位和发展角度看，还差得很远很远。

紧密结合当前200 MW示范工程建设进度和未来600 MW产业化项目的发展，从上述几个应用领域入手，亟需布局前期应用研究工作进展和产业布局，是非常必要也是非常紧迫的。