高温气冷堆与工艺热应用

经合组织核能机构（OECD/NEA）2022 年6月16 日发布报告《高温气冷堆与工艺热应用》，介绍了高温气冷堆技术研发进展，分析了高温气冷堆的特点及其能够在帮助能源密集型工业部门降低碳排放方面发挥的作用，提出了推动高温气冷堆工艺热应用的建议。

工业部门实现碳减排对于全球实现碳中和至关重要，因为其碳排放量占全球能源相关碳排放量的四分之一。但是，目前认为工业部门“难以实现碳减排”，因为其工艺需要使用高温。这种温度仅能依靠化石燃料供应，其他低碳技术均缺乏经济竞争力。高温气冷堆被认为是一种可用于大规模取代化石燃料满足工业部门高温工艺热需求的、极有前景的候选技术。

1 高温气冷堆及其发展历史

高温气冷堆以氦气作为冷却剂、石墨作为慢化剂，使用全陶瓷燃料。相对于堆芯出口温度约为320℃的传统压水堆，高温气冷堆有更好的固有安全性，且堆芯出口温度通常可达750～950℃。更高的堆芯出口温度不仅有利于提高发电的能量转换效率，还可为工业部门直接提供高温工艺热。随着材料技术的进步，未来还能研发出堆芯出口温度超过950℃的反应堆。

高温气冷堆概念于20世纪40年代诞生于美国。图1显示了这一技术的发展进程：60年代，英国、美国和德国建成并运营首批试验堆和示范堆；70年代至90年代初，德国和美国建成并运营多座示范堆；日本和中国分别于1998 年和2000 年建成投运的试验堆汲取了美国和德国的相关经验，并在此基础上进行了改进，这两座反应堆目前仍在运行；中国石岛湾高温气冷堆示范工程首堆（共2座）即HTR-PM于2021年实现首次并网发电。

2 高温气冷堆研发现状

美国、英国、加拿大、波兰和日本等国已制定扶持方案，支持利用高温气冷堆满足工业部门的高温工艺热需求，目标是在本世纪20 年代后期或30 年代初期实现高温气冷堆的示范。表1 列出了美、英、日等国企业和机构正在研发的五种高温气冷堆设计，包括法马通公司（Framatome）蒸汽循环高温气冷堆（SC-HTGR）、日本原子能研究开发机构（JAEA）燃气轮机高温堆300C（GTHTR300C）、X 能源公司（X-energy）X-100、超安全核公司（USNC）MMR 和U-Battery 公司U-Battery。

美国能源部已在其“先进反应堆示范计划”下为X能源公司提供资助，支持其在华盛顿州哥伦比亚县的一个现有厂址建设首座Xe-100 电厂。这座核电厂由4 座Xe-100 小堆组成，拟于2027年投运。

图1 全球高温气冷堆发展史

加拿大核实验室（CNL）2018 年4 月启动首个模块化小堆示范项目，共有包括MMR 和U-Battery 两种高温气冷堆在内的四种小堆设计参加。其中MMR的进展最快，已进入示范项目的第三阶段（共分四阶段），即土地布置及其他合同谈判。MMR 开发商于2019 年3 月向加拿大核安全委员会（CNSC）提交小堆建设许可证申请（这是核安委收到的首份小堆许可证申请）。核安委于同年7月正式启动小堆建设环评。

英国政府在2022年2月发布的通知“先进模块堆研发和示范计划：第一阶段竞标”中表示，将提供多达250 万英镑创新资金，支持21 世纪30年代初在英国建成高温气冷堆示范堆。

表1 处于研发阶段的高温气冷堆设计

虽然上述高温气冷堆示范项目均没有涉及将高温气冷堆与高温工艺热应用结合在一起的详细计划。但是各国都在推进相关研究，例如，“欧洲地平线2020”计划于2017年资助了一个名为GEMINI+的国际合作项目，目的是证明高温气冷堆工艺热应用的可行性。GEMINI+已提议用于热电联供的高温气冷堆设计基准，并计划在波兰建设一座试验堆。

欧洲“可持续核能技术平台”（SNETP）正在规划一项后续国际合作开发活动，重点关注高温气冷堆热电联供的取证和示范。日本经济产业省资源能源厅2022 年4 月与日本原子能研究开发机构和三菱重工（MHI）签署合同，将建设一座与高温工程试验堆（HTTR）配套的制氢设施，目的是示范HTTR高温工艺热制氢技术。第四代反应堆国际论坛（GIF）正在通过国际合作开展超高温反应堆（VHTR）以及高温核热制氢技术研究。

3 高温气冷堆的安全性

现有研究表明，高温气冷堆在三个方面拥有很强的安全性。

一是非能动安全特性：带有涂敷层的三元结构各向同性（TRISO）燃料颗粒（详见图2）拥有良好的耐高温性能和包封能力，石墨慢化剂拥有高热容量和强导热能力，氦冷却剂具有化学惰性。在这些特性的共同作用下，高温气冷堆在事故工况下，能够不借助外部设备或操纵员干预，将堆芯热量转移至外部环境。

二是在事故应急响应期间降低对操纵员行动的依赖：由于堆芯的低功率密度和石墨堆芯结构件的高热容量，高温气冷堆堆芯温度在事故发生后的上升速度缓慢，为操纵员采取相应行动预留了较长时间，通常为几天或一周。

三是核燃料对放射性核素的稳固包封：TRISO 燃料具有很强的耐高温能力，能够在1600～1800℃的高温下包封裂变产物。可以对反应堆堆芯进行专门设计，使堆芯最高事故温度不会超过燃料最高可承受温度，进而使反应堆不会发生燃料熔毁事故。

上述安全特性已在多座反应堆的试验和示范中得到证实。尤其是，日本使用HTTR进行的“冷却剂丧失”项目研究已经证明：在运行期间，即使丧失所有中子反应控制功能和反应堆冷却功能，反应堆也不会发生严重事故或向外界释放放射性物质。

图2 使用三元结构各向同性（TRISO）燃料的两种高温气冷堆

4 为工业部门配备高温气冷堆的益处

使用高温气冷堆满足工业部门的能源需求，能够带来下述五点益处。

一是帮助降低碳排放：核能是目前可供使用的全生命周期碳排放量最低的能源技术之一；使用高温气冷堆为工业部门提供能源，能够大幅减少化石燃料的使用，进而降低碳排放。

二是提供高温工艺热：即将建设首堆的高温气冷堆设计通常能提供550～700℃的工艺热，能够以商业规模广泛满足工业部门的能源需求。

三是保障能源供应的可靠性和灵活性：与传统核电厂一样，高温气冷堆不仅能够长时间稳定运行，还能够根据外部能源需求调整运行功率。如果进行专门设计，高温气冷堆能提供三种产品，即热量、电力和储能产品，并能够在运行期间灵活地在这三种产品之间进行切换。

四是确保供应安全：虽然从铀矿生产天然铀，并制成铀-235 丰度超过5%的浓缩铀燃料需要建设相应的基础设施，但是目前全球有充足的铀资源可供使用；鉴于铀的供应相对稳定且燃料费用在总运行成本中所占比例相对较低，高温气冷堆的运行成本相对稳定，不易受国际局势的影响，有助于其持续稳定运行。

五是部署灵活：高温气冷堆占地面积远小于传统核电厂，且不需要使用水作为冷却剂，对厂址的要求相对较低，可以在更广泛的地区部署。

5 实现高温气冷堆工艺热应用面临的挑战及建议

使用高温气冷堆满足工业部门能源需求，除了需要继续推进高温气冷堆的技术研发，使其尽早实现商业化之外，国际能源署认为需要在下述五个方面开展工作。

一是就高温气冷堆与相关工业流程的配套运行展开针对性研究和示范。近年来，一些工业部门对使用高温气冷堆取代化石燃料作为热源以降低碳排放这一议题表示出兴趣，但他们存在一系列疑虑，包括高温气冷堆与现有工艺流程和设施的匹配性、部署反应堆所需时间及其造价、监管审批。虽然目前开展了许多关于高温气冷堆性能的研究，但还应考虑在同址建设高温气冷堆和相关工业设施的前提下，针对整个系统开展技术、经济性和监管可行性研究，以帮助消除潜在用户的疑虑，并充分量化高温气冷堆技术能够带来的益处。建设和运营示范设施是推进高温气冷堆工艺热应用的最令人信服的途径。

二是与各行业人员和广泛的干系人进行沟通和合作。为应对在高温气冷堆工艺热应用过程中面临的挑战，有必要让更广泛的干系人参与进来。从技术和运营的角度看，核技术开发商、潜在的核运营商和工艺热用户需要开展合作，以了解核反应堆与工业设施之间可能存在的相互作用，并开展整个系统的设计和评价工作。与传统反应堆不同，用于提供高温工艺热的反应堆必须与工业设施实现物理连接，且靠近工业区，有时甚至会靠近住宅区。因此在部署高温气冷堆之前，必须与更广泛的干系人沟通，以获得相关各方对这一核能应用的理解和接受。

三是制定和协调相关监管程序。核与工业相关法规的管辖范围与边界要求是高温气冷堆工艺热应用具体系统配置和业务计划的制定基础。相关监管程序的建立需要核监管机构、相关工业部门监管机构以及感兴趣的工业客户三方之间进行互动。核监管机构和相关工业部门监管机构从项目规划的初期阶段就参与相关工作，能够助力相关工业计划和系统配置的制定，进而帮助此类项目成功实施。

四是适时建立高丰度低浓铀（即铀-235丰度在5%～20%之间的浓缩铀）燃料供应链。目前研发的高温气冷堆都需要使用高丰度低浓铀燃料。随着包括高温气冷堆在内的先进反应堆技术的不断发展，高丰度低浓铀燃料需求将从21世纪20 年代中期开始增加，并在此后达到相当高的水平。目前，这种燃料的产能不足以支持高温气冷堆的大规模部署。建立高丰度浓铀燃料的供应能力（包括铀浓缩、再转化、运输和燃料制造能力）对于推进高温气冷堆及其他先进反应堆的部署十分重要。

五是政府应致力于实施碳减排政策并提供可预测且有效的激励方案。与许多创新型碳减排技术一样，实现高温气冷堆工艺热应用需要长期努力和大量投资。供应链（尤其是高丰度低浓铀燃料供应能力）的建立和发展，也需要大量前期投资。因此，除了建立适当的监管框架，政府还应该建立稳定且可预测的商业环境，以鼓励工业部门参与高温气冷堆工艺热应用技术的开发和部署。由于高温气冷堆工艺热应用还缺乏技术和市场经验，且核能项目具有初始投资高、运行寿期长等特点，因此政府承诺对于吸引投资至关重要。