張作義，吳宗鑫，王大中，童節(jié)娟

（清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院先進(jìn)核能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100084）

一、前言

高溫氣冷堆技術(shù)采用氦氣冷卻劑,石墨慢化劑及全陶瓷包覆顆粒燃料元件。反應(yīng)堆出口溫度可以達(dá)到700～1000 ℃。

最新一代的高溫氣冷堆稱為“模塊式高溫氣冷堆”[1]，它是1979年三哩島核事故后世界核能界為革命性地改進(jìn)核能安全而提出的新概念。這種反應(yīng)堆的核心思想是采用熱功率200～600 MWt之間的比較小的反應(yīng)堆模塊，利用包覆顆粒燃料元件所能達(dá)到的優(yōu)異耐高溫性能，在不需要任何應(yīng)急冷卻的情況下，反應(yīng)堆都能夠自然散熱，從而消除堆芯熔化的可能性。安全性是模塊式高溫氣冷堆的重要特點(diǎn)之一。

模塊式高溫氣冷堆的另一重要特點(diǎn)是高溫。它的一個(gè)重要用途是高效率發(fā)電以及熱電聯(lián)產(chǎn)。在反應(yīng)堆出口溫度達(dá)到700～750 ℃的條件下，可以結(jié)合在反應(yīng)堆二回路的蒸汽循環(huán)，實(shí)現(xiàn)亞臨界、超臨界以及超超臨界發(fā)電，效率達(dá)到40%～48%。可以通過汽輪機(jī)抽汽，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，用于100～400 ℃不同參數(shù)的工業(yè)和民用供熱市場。

在反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)和材料基本不變的情況下，進(jìn)一步提高高溫氣冷堆的出口溫度，使其達(dá)到800～1000 ℃，可以用于更高溫度的核能熱利用。其中，具有吸引力的是熱分解水制氫，大幅度拓寬核能的應(yīng)用范圍。氫作為一種重要的工業(yè)原料，除了合成氨、合成甲醇、石油精煉等傳統(tǒng)用途外，氫氣在氫冶金、煤液化以及氣化等領(lǐng)域都得到了大規(guī)模應(yīng)用。氫還是未來理想的二次能源或能源載體，例如，氫可以通過燃料電池技術(shù)的使用推動(dòng)交通能源的升級。高溫氣冷堆被認(rèn)為是最適合用于制氫的核能技術(shù)。

二、高溫氣冷堆技術(shù)簡述

用氣體作為冷卻劑的氣冷反應(yīng)堆技術(shù)，最早應(yīng)用于軍用核材料的生產(chǎn)，后來逐步發(fā)展成為商用發(fā)電的動(dòng)力反應(yīng)堆。它大致分為四個(gè)階段：早期氣冷堆（Magnox堆）、改進(jìn)型氣冷堆（AGR堆）、高溫氣冷堆和模塊式高溫氣冷堆[2]。

模塊式高溫氣冷堆按照堆芯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，還可以分為球床堆和棱柱堆兩大類型。球床堆采用球形燃料元件，利用球在反應(yīng)堆堆芯中的緩慢移動(dòng)實(shí)現(xiàn)不停堆連續(xù)換料。它的優(yōu)點(diǎn)是提高反應(yīng)堆的可利用率，實(shí)現(xiàn)比較均勻的功率分布和燃料的燃耗深度，以及沒有大的后備反應(yīng)性，有利于反應(yīng)堆的控制。

球床堆技術(shù)由德國于利希研究中心R. Schulton教授發(fā)明[2]，在德國開展了大量的研究和發(fā)展工作，建設(shè)了15 MWe的高溫氣冷堆（AVR）實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆和300 MWe的高溫釷反應(yīng)（THTR）工業(yè)示范堆。我國在國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃的支持下于2000年在清華大學(xué)建成10 MW高溫氣冷試驗(yàn)堆（HTR-10）[3]，是世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)“模塊式”肩并肩布置的球床高溫氣冷堆的實(shí)驗(yàn)堆。

美國和日本主要發(fā)展了棱柱堆。美國建設(shè)了Peach Bottom實(shí)驗(yàn)堆和Fort St. Vrain工業(yè)示范堆，日本建設(shè)了高溫實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（HTTR）。球床堆和棱柱堆的主要差別是燃料的幾何形狀不同。但是兩種高溫氣冷堆的核心技術(shù)，例如，全陶瓷包覆顆粒燃料、氦氣冷卻劑和石墨慢化劑都是相同的。二者在20世紀(jì)80年代以后不約而同地轉(zhuǎn)向了“模塊式”高溫氣冷堆的技術(shù)發(fā)展方向，應(yīng)用領(lǐng)域也是相同的。

具有優(yōu)異的固有安全性是模塊式高溫氣冷堆的突出特征。國際上把高溫氣冷堆列為符合第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)技術(shù)要求的堆型之一。2003年發(fā)表的第四代核能系統(tǒng)路線圖報(bào)告把超高溫氣冷堆（VHTR）列為第四代核能系統(tǒng)6種候選技術(shù)之一[4]。2010年后更新的路線圖報(bào)告則將VHTR更改為V/HTR（超高溫氣冷堆/高溫氣冷堆），并說明它包括的溫度范圍是700～1000 ℃。

圖1示意了HTR-PM球形燃料元件結(jié)構(gòu)。以二氧化鈾為核心，外面包覆熱解碳和碳化硅層，形成0.92 mm直徑的包覆顆粒燃料。大約12 000個(gè)包覆顆粒燃料與石墨一起被填充在1個(gè)直徑60 mm的燃料球中。

圖1 HTR-PM球形燃料元件結(jié)構(gòu)[5]

圖2 為我國高溫氣冷堆核電站示范工程（HTRPM）的核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)的示意圖。反應(yīng)堆堆芯中大約有4.2h105個(gè)燃料球，直徑為3 m，高為11 m。堆芯周邊的反射層是耐高溫的石墨。冷卻劑氦氣從反應(yīng)堆頂部流過堆芯，然后通過一個(gè)內(nèi)襯保溫材料的同軸雙層連接結(jié)構(gòu)，流到一個(gè)和反應(yīng)堆肩并肩布置的蒸汽發(fā)生器。冷卻后的氦氣由布置在蒸汽發(fā)生器殼頂部的氦氣循環(huán)風(fēng)機(jī)加壓后通過同軸連接結(jié)構(gòu)的外層流回反應(yīng)堆，形成一個(gè)封閉的反應(yīng)堆——回路循環(huán)。新燃料元件由頂部裝入堆芯，從底部卸料管卸出。卸出的燃料元件如果未達(dá)到預(yù)定的燃耗深度，則再送回堆內(nèi)使用。

一個(gè)反應(yīng)堆和一臺(tái)蒸汽發(fā)生器構(gòu)成了一個(gè)高溫氣冷堆反應(yīng)堆模塊。在中國的200 MWe高溫氣冷堆核電站示范工程（即HTR-PM）中，每個(gè)反應(yīng)堆模塊熱功率為250 MWt。HTR-PM設(shè)計(jì)有2個(gè)模塊，向1臺(tái)蒸汽輪機(jī)供應(yīng)蒸汽，發(fā)電功率為210 MWe。模塊式高溫氣冷堆的發(fā)明者H. Routler 與G. Lohnert在早期就曾經(jīng)指出，模塊的意思就是在一個(gè)核電機(jī)組中可以根據(jù)需要連接多個(gè)反應(yīng)堆模塊[1]。

當(dāng)該反應(yīng)堆要應(yīng)用于更高溫度的場合時(shí)，需要有一個(gè)耐更高溫度的中間熱交換器，以取代蒸汽發(fā)生器。而反應(yīng)堆本身從燃料、反射層、堆內(nèi)金屬構(gòu)件到連接管都可以保持原有的材料和設(shè)計(jì)。目前經(jīng)過驗(yàn)證的包覆顆粒燃料元件技術(shù)（TRISO）經(jīng)過長期輻照考驗(yàn)證明能夠在1250～1350 ℃下長期運(yùn)行，考慮到堆芯出口溫度的不均勻性，可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆出口氦氣平均溫度達(dá)到1000 ℃的要求。

圖2 模塊式高溫氣冷堆的一個(gè)反應(yīng)堆模塊[5]

三、高溫氣冷堆發(fā)展現(xiàn)狀

德國最初于1960—1990年在球床高溫氣冷堆方面開展了大量的研究工作，美國在同期也發(fā)展了棱柱燃料的高溫氣冷堆。20世紀(jì)80年代早期，德國西門子公司提出了模塊式高溫氣冷堆的概念[1]，之后高溫氣冷堆的發(fā)展進(jìn)入了模塊式高溫氣冷堆的發(fā)展階段。對于模塊式高溫氣冷堆，德國、美國、日本、俄羅斯、南非和中國等國都曾經(jīng)開展了大量的研究，研究和發(fā)展了一系列基本具備建設(shè)首個(gè)示范工程的工程設(shè)計(jì)。其中比較好的設(shè)計(jì)是德國西門子公司1980—1995年的200 MWt球床模塊式高溫氣冷堆HTR-Modul和同期美國通用原子能公司發(fā)展的350 MWt棱柱模塊式高溫氣冷堆MHTGR。中國建設(shè)了世界第一個(gè)模塊式高溫氣冷堆的實(shí)驗(yàn)堆，熱功率為10 MWt的清華大學(xué)10 MW高溫氣冷堆實(shí)驗(yàn)堆（HTR-10）[4]，以及第一個(gè)模塊式高溫氣冷堆的工業(yè)示范電站，即華能山東石島灣20萬千瓦級高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM），含兩個(gè)熱功率為250 MWt的反應(yīng)堆模塊。

（一）國際最新研發(fā)現(xiàn)狀

1. 美國研發(fā)現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)后，美國高溫氣冷堆相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和研究集中體現(xiàn)在下一代核電站計(jì)劃（NGNP）和X-energy公司對相關(guān)技術(shù)的研究。美國也是第四代核能系統(tǒng)論壇的重要成員。

美國能源部于2006年在愛達(dá)荷國家工程和環(huán)境實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)了NGNP項(xiàng)目，其主要目的在于促進(jìn)高溫氣冷堆技術(shù)在發(fā)電、制氫和工藝熱應(yīng)用等方面的商業(yè)化。NGNP項(xiàng)目曾經(jīng)設(shè)定目標(biāo)在2021年建成首個(gè)經(jīng)濟(jì)可靠的模塊化高溫堆示范工程。但是在2010年左右由于政府與企業(yè)成本分擔(dān)問題，示范工程的推進(jìn)工作停滯。目前NGNP基本上主要是科研性質(zhì)的工作，開展了大量的全陶瓷型TRISO顆粒燃料、石墨以及Inconel 617耐高溫材料的研究。但美國具備隨時(shí)啟動(dòng)建設(shè)工業(yè)示范電站的能力。

X-energy公司成立于2009年。與美國傳統(tǒng)的棱柱高溫氣冷堆不同，該公司致力于研究球床高溫氣冷堆。它所致力研發(fā)的Xe-100反應(yīng)堆是球床模塊式高溫氣冷堆，熱功率為200 MWt。X-energy的研發(fā)除了國家支持資金外，如2016年美國能源部5年共投資5300萬美元，還拿到了私人資本投資（3850萬美元）。除了Xe-100的設(shè)計(jì)，2018年X-energy預(yù)期要實(shí)現(xiàn)TRISO燃料的試驗(yàn)生產(chǎn)。

2. 日本研發(fā)現(xiàn)狀[6]

日本從20世紀(jì)90年代開始建造小型高溫工程試驗(yàn)堆(HTTR)。HTTR的熱功率為30 MW，氦氣出口溫度為950 ℃，進(jìn)口溫度為395 ℃。該項(xiàng)目于1998年11月建成并實(shí)現(xiàn)首次臨界，主要用于高溫工藝供熱、材料、燃料及安全性試驗(yàn)等研究。

日本政府支持高溫氣冷堆技術(shù)發(fā)展的態(tài)度是比較堅(jiān)定的，一直把高溫氣冷堆列為日本長期研究發(fā)展計(jì)劃。日本高溫氣冷堆計(jì)劃的組織由日本科學(xué)技術(shù)廳負(fù)責(zé)并提供大部分經(jīng)費(fèi)，由日本原子能研究所（JAEA）負(fù)責(zé)計(jì)劃的實(shí)施，并與相關(guān)企業(yè)鼎力合作。參加高溫氣冷堆計(jì)劃的企業(yè)有富士電機(jī)控股公司、三菱重工集團(tuán)、株式會(huì)社日立制作所、東芝公司等。

3. 第四代核能系統(tǒng)論壇

2000年以來,美國等提出第四代核能系統(tǒng)的開發(fā)計(jì)劃，形成了美國、日本、法國、英國、韓國等10國參加的第四代核能系統(tǒng)國際論壇（GIF）。我國于2006年正式參加GIF，參與了大多數(shù)堆型的研究。

高溫氣冷堆合作研究是GIF所有6個(gè)堆型中參與者最多的一個(gè)，共有9個(gè)正式成員，涉及中國、歐盟、法國、日本、韓國、瑞士、美國、澳大利亞和英國。

從技術(shù)上看，中國目前已經(jīng)成為高溫氣冷堆技術(shù)的主要推動(dòng)者。VHTR下設(shè)多個(gè)合作研究組，包括制氫（HP）、燃料與燃料循環(huán)（FFC）、材料（MAT）、計(jì)算方法驗(yàn)證與基準(zhǔn)（CMVB）等。這些合作研究不僅對各國基礎(chǔ)科研的推進(jìn)提供了重要支持，在技術(shù)上推動(dòng)了高溫氣冷堆技術(shù)的成熟，同時(shí)也備受其他第四代核能系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)注。我國科技人員在其中扮演了重要的角色，擔(dān)任多個(gè)合作研究組的主席。

（二）我國高溫氣冷堆技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

我國高溫氣冷堆技術(shù)的研發(fā)工作，始于20世紀(jì)70年代后期，是以清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院為主開展的。研發(fā)大致分為3個(gè)階段。

第一階段是1974—1990年，為早期探索階段，重點(diǎn)進(jìn)展是列入國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃核能領(lǐng)域的重點(diǎn)項(xiàng)目，開展關(guān)鍵技術(shù)研究。

第二階段是1990—2003年，是實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)階段，建設(shè)清華大學(xué)10 MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆HTR-10。

第三階段是2003—2020年，在國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃的支持下開展10 MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆的運(yùn)行與安全試驗(yàn)，在國家核能開發(fā)計(jì)劃的支持下開展工業(yè)示范電站的前期和關(guān)鍵技術(shù)研究，在國家“2006—2020”科技重大專項(xiàng)的支持下建設(shè)山東石島灣20萬千瓦級核電站示范工程（HTRPM）[7～9]。

高溫氣冷堆核電站是國家科技重大專項(xiàng)第6個(gè)專項(xiàng)（簡稱06專項(xiàng)）“大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站”的一個(gè)組成部分。它的目標(biāo)是以我國已經(jīng)建成運(yùn)行的10 MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆為基礎(chǔ)，通過攻克高溫氣冷堆工業(yè)放大與工程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)、高性能燃料元件批量制備技術(shù)，建成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的20萬千瓦級模塊式高溫氣冷堆商業(yè)化示范電站，并開展氦氣透平直接循環(huán)發(fā)電及高溫堆制氫等技術(shù)研究，為發(fā)展第四代核電技術(shù)奠定基礎(chǔ)[6]。

1. 示范工程建設(shè)

HTR-PM工程于2012年12月9日正式開工，核島澆筑第一罐混凝土。2015年現(xiàn)場土建工程全部完成，廠房封頂，設(shè)備開始入場安裝和調(diào)試。

2. 球形燃料元件制造

以持續(xù)30多年的科研成果為基礎(chǔ)，在清華大學(xué)建成了年產(chǎn)1h105球的中試生產(chǎn)線，完成了生產(chǎn)設(shè)備和工藝定型。在此基礎(chǔ)上，商業(yè)規(guī)模年產(chǎn)3h105球的球形燃料元件商業(yè)化生產(chǎn)廠在內(nèi)蒙古包頭市中核北方核燃料元件有限公司進(jìn)行建設(shè)，2013年3月開工，2016年8月開始正式生產(chǎn)。截至2018年年底，該生產(chǎn)線已完成了約6.3h105個(gè)合格燃料球的生產(chǎn)。

為驗(yàn)證球形燃料元件的制造技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量，從上述按照工業(yè)化生產(chǎn)工藝設(shè)備及質(zhì)保要求批量生產(chǎn)的燃料球中，隨機(jī)抽取了5個(gè)燃料球，送至荷蘭佩滕（Petten）高通量堆開展了輻照試驗(yàn)。輻照考驗(yàn)從2012年9月開始，2014年12月底結(jié)束?？简?yàn)結(jié)果表明：5個(gè)球形元件中約6萬個(gè)包覆燃料顆粒沒有一個(gè)破損，質(zhì)量達(dá)到了目前世界最好水平。圖3為輻照試驗(yàn)結(jié)果之一，以惰性氣體氪作為裂變產(chǎn)物釋放的標(biāo)志。

經(jīng)歷了輻照考驗(yàn)的上述燃料元件，2016年被送到德國卡爾斯魯厄（Karlsruhe）的歐洲聯(lián)合研究中心超鈾研究所進(jìn)行模擬事故極限溫度考驗(yàn)。三個(gè)輻照后的燃料球在1620 ℃下進(jìn)行了長達(dá)150 h的事故模擬加熱試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對1號(hào)球進(jìn)行了1620 ℃加長時(shí)間（總共450 h）的加熱試驗(yàn)，對4號(hào)球進(jìn)行了1650 ℃ 150 h和1700 ℃ 150 h的加熱試驗(yàn)，對2號(hào)球進(jìn)行了1700 ℃ 150 h的加熱試驗(yàn)和1800 ℃ 150 h的加熱試驗(yàn)。在上述事故模擬加熱試驗(yàn)中，均沒有包覆燃料顆粒破損?？简?yàn)結(jié)果表明：在95%的置信度下，考驗(yàn)結(jié)果比HTR-PM安全分析實(shí)際所采用的閾值要好一個(gè)量級，為高溫氣冷堆的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐。

3. 高溫氣冷堆關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及工程驗(yàn)證

為支持高溫氣冷堆示范工程的研發(fā)和建設(shè)，清華大學(xué)在國家科技重大專項(xiàng)的支持下，專門建設(shè)了高溫氣冷堆工程實(shí)驗(yàn)室，對反應(yīng)堆主設(shè)備、主系統(tǒng)進(jìn)行了全面驗(yàn)證。樣機(jī)系統(tǒng)都是按照1∶1進(jìn)行研制和試驗(yàn)驗(yàn)證，包括主氦風(fēng)機(jī)、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、吸收球停堆裝置、燃料裝卸系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器完整組件、數(shù)字化主控制室等。

2014年科學(xué)技術(shù)部組織對重大專項(xiàng)的中期檢查，其中關(guān)于高溫氣冷堆專項(xiàng)的技術(shù)成熟度評價(jià)為：攻克了迄今為止可預(yù)見的主要技術(shù)及設(shè)備制造難關(guān)，能夠支撐示范工程建設(shè)，技術(shù)性能滿足總體實(shí)施方案要求。

圖3 HTR-PM球形燃料元件輻照試驗(yàn)結(jié)果

圖4 給出2017年年底技術(shù)成熟度狀態(tài)的評價(jià)，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)已接近最終狀態(tài)。

4. 主設(shè)備研制

HTR-PM的核心設(shè)備及系統(tǒng)可歸納為九大設(shè)備和系統(tǒng)：反應(yīng)堆壓力容器、主氦風(fēng)機(jī)、蒸汽發(fā)生器、堆內(nèi)金屬構(gòu)件、控制棒、吸收球、燃料裝卸、氦凈化和乏燃料儲(chǔ)存。其中大多數(shù)為世界首臺(tái)（套），對制造提出了很大的挑戰(zhàn)。在研發(fā)團(tuán)隊(duì)等各方面的努力下，截至2018年年底，HTR-PM的主設(shè)備研制和生產(chǎn)已基本完成。

2016年3月和9月，兩臺(tái)反應(yīng)堆壓力容器分別制造完成并在石島灣現(xiàn)場安裝就位；2018年5月，首臺(tái)燃料裝卸系統(tǒng)安裝完成；2018年10月，2套堆內(nèi)構(gòu)件安裝完成；2018年12月，2臺(tái)蒸汽發(fā)生器完成制造和出廠打壓實(shí)驗(yàn)，2臺(tái)主氦風(fēng)機(jī)完成出廠實(shí)驗(yàn)。

5. 協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制

高溫氣冷堆重大專項(xiàng)實(shí)施的一個(gè)重要收獲是初步形成了可持續(xù)創(chuàng)新、多學(xué)科深度交叉、設(shè)計(jì)研發(fā)與裝備制造融合的協(xié)同創(chuàng)新局面。

由中國華能集團(tuán)公司、中國核工業(yè)集團(tuán)公司（原中國核建）、清華大學(xué)聯(lián)合組成華能山東石島灣核電有限公司作為示范工程的業(yè)主，負(fù)責(zé)示范工程的建設(shè)。由中國核工業(yè)集團(tuán)公司、清華大學(xué)、中國廣核集團(tuán)公司聯(lián)合組建中核能源有限公司負(fù)責(zé)示范工程的核島總承包工作。清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院負(fù)責(zé)示范工程的總體技術(shù)方案、重大專項(xiàng)研發(fā)工作以及核島主系統(tǒng)和主設(shè)備的設(shè)計(jì)工作。

上海電氣集團(tuán)股份有限公司、哈爾濱電氣集團(tuán)有限公司、中核北方核燃料元件有限公司、江蘇銀環(huán)集團(tuán)有限公司等企業(yè)負(fù)責(zé)設(shè)備供貨、核燃料制造及原材料供貨等工作。

6. 高溫氣冷堆國際化推廣

由于高溫氣冷堆核電站具有固有安全性好、廠址條件適應(yīng)性強(qiáng)、發(fā)電效率高、單堆功率小、多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊可組成大容量電站、可用于核能制氫和多種高溫工藝熱應(yīng)用、乏燃料適宜于直接最終處置、防止核擴(kuò)散等諸多特點(diǎn)，可以適應(yīng)不同國家的需求，尤其是能適應(yīng)內(nèi)陸能源匱乏的發(fā)展中國家的需求。這些特點(diǎn)決定了高溫氣冷堆在國際核電市場上有一定的競爭力和吸引力。由于示范工程的建設(shè)進(jìn)度處于國際領(lǐng)先，我國在世界高溫氣冷堆市場上有突出的競爭優(yōu)勢。

2017年11月，在印尼雅加達(dá)舉辦的“中國–印尼科技創(chuàng)新合作論壇”上，時(shí)任國務(wù)院副總理劉延?xùn)|為中印尼高溫氣冷堆聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室揭牌，“中印尼高溫氣冷堆聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”項(xiàng)目列入了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間國際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)。

2017年3月，在習(xí)近平主席與沙特阿拉伯王國國王薩勒曼共同見證下，中沙簽署了《沙特高溫氣冷堆項(xiàng)目聯(lián)合可行性研究合作協(xié)議》。中沙雙方將在前期合作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步制定沙特高溫氣冷堆項(xiàng)目投資建設(shè)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)合作、產(chǎn)業(yè)鏈本地化的系統(tǒng)解決方案，為沙特政府啟動(dòng)高溫堆項(xiàng)目提供決策支持，為推動(dòng)“一帶一路”建設(shè)、實(shí)現(xiàn)高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)鏈“走出去”奠定基礎(chǔ)。目前，沙特高溫氣冷堆項(xiàng)目聯(lián)合可研工作已經(jīng)啟動(dòng)。

2018年，高溫氣冷堆約旦項(xiàng)目完成了多輪洽談和廠址實(shí)勘。6月29日，中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司董事長王壽君與約旦原子能委員會(huì)主席圖甘簽署了高溫氣冷堆項(xiàng)目合作框架協(xié)議，協(xié)議中明確中約雙方針對約旦具體廠址，開展高溫氣冷堆的可行性研究工作，并計(jì)劃于2020年年底前完成。

2018年，英國DBD公司與清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院作為共同體，成功通過國際招標(biāo)入圍英國商務(wù)部組織的先進(jìn)模塊堆AMR項(xiàng)目第一階段。英國在2018年年底正式加入了GIF，這也是高溫氣冷堆將在英國有重要發(fā)展的一個(gè)里程碑。

圖4 HTR-PM關(guān)鍵技術(shù)成熟度評價(jià)

（三）我國高溫氣冷堆后續(xù)發(fā)展部署

我國高溫氣冷堆技術(shù)歷經(jīng)跟蹤、跨越和自主創(chuàng)新，目前在商業(yè)規(guī)模模塊式高溫氣冷堆核電站技術(shù)上處于世界領(lǐng)先地位。在此基礎(chǔ)上，我國正在啟動(dòng)部署后續(xù)60萬千瓦級模塊式高溫氣冷堆核電機(jī)組的研發(fā)和配套關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)工作，以進(jìn)一步推動(dòng)高溫氣冷堆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，保持我國在該領(lǐng)域的國際領(lǐng)先優(yōu)勢。

60萬千瓦級模塊式高溫氣冷堆核電機(jī)組的總體技術(shù)目標(biāo)是：在安全上達(dá)到國際第四代核電標(biāo)準(zhǔn)；熱電聯(lián)產(chǎn)，面向國內(nèi)和國際市場；具備經(jīng)濟(jì)競爭力；采用經(jīng)示范工程驗(yàn)證的技術(shù)。機(jī)組總體技術(shù)方案采用與HTR-PM相同的球床反應(yīng)堆模塊，6個(gè)模塊配1臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組，功率規(guī)模為650 MWe；汽輪機(jī)設(shè)置抽汽接口，可抽取不同溫度和壓力的蒸汽用于工藝熱應(yīng)用。

計(jì)劃在2020年前，在建成并運(yùn)行20萬千瓦級高溫氣冷堆核電站的基礎(chǔ)上，完成60萬千瓦級高溫氣冷堆技術(shù)方案設(shè)計(jì)分析及相應(yīng)技術(shù)攻關(guān)，在“十三五”末具備首臺(tái)（套）工程開工條件；在2025年前，建成首臺(tái)（套）60萬千瓦級高溫氣冷堆，形成60萬千瓦級高溫氣冷堆標(biāo)準(zhǔn)化核電技術(shù)品牌，滿足第四代先進(jìn)核能技術(shù)的安全性要求，繼續(xù)保持高溫氣冷堆領(lǐng)域的國際領(lǐng)先優(yōu)勢，具備國際競爭力。

四、我國高溫氣冷堆的市場前景

（一）高效發(fā)電

60萬千瓦級高溫氣冷堆核電機(jī)組不會(huì)發(fā)生堆芯熔毀，滿足國際現(xiàn)在及未來最嚴(yán)格的核安全標(biāo)準(zhǔn)，滿足事故條件下對廠址周邊最嚴(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。

（二）熱電聯(lián)產(chǎn)

我國大中城市大量依靠燃煤熱電廠，在發(fā)電的同時(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)機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)進(jìn)行大面積供熱。在一個(gè)距離城市邊界30～50 km的廠址上建設(shè)4～6臺(tái)60萬千瓦級高溫氣冷堆熱電聯(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1h108m2，產(chǎn)生的電能可以支撐另外1h108m2的散戶電采暖，在其他季節(jié)發(fā)電上網(wǎng)，可以比燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)具有更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)競爭力和環(huán)境效益。

（三） 核能制氫

核能制氫技術(shù)的成熟將帶來能源領(lǐng)域的重大創(chuàng)新。以制氫煉鐵煉鋼為例，1臺(tái)60萬千瓦級高溫氣冷堆機(jī)組匹配年產(chǎn)1.8h106t鋼產(chǎn)量。我國交通用能占一次能源消耗的比例早已超過20%，交通的氫能需求將帶來更大量的高溫氣冷堆建設(shè)空間。

五、我國高溫氣冷堆技術(shù)發(fā)展路線圖

從基礎(chǔ)研究開始，我國逐步系統(tǒng)地掌握了高溫氣冷堆的全部技術(shù)，直至實(shí)現(xiàn)了跨越，并在國際上處于領(lǐng)先地位。為了更好地推動(dòng)高溫氣冷堆技術(shù)的發(fā)展，保持我國在該領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位，對后續(xù)技術(shù)發(fā)展路線圖有如下設(shè)計(jì)建議。

在工程建設(shè)方面，集中力量在2020年前建成并運(yùn)行山東榮成石島灣20萬千瓦級高溫氣冷堆核電站示范工程；同時(shí)完成2h60萬千瓦級高溫氣冷堆核電站的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，爭取在2020年前具備開工建設(shè)條件；積極推進(jìn)國際市場應(yīng)用，爭取在國外開工建設(shè)高溫氣冷堆核電機(jī)組。

在科研方面，應(yīng)開展高溫氣冷堆核電站技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)反饋、設(shè)計(jì)優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化，提前部署和開展石墨國產(chǎn)化、中間熱交換器研發(fā)等科研工作，開展950 ℃超高溫氣冷堆技術(shù)研發(fā)和試運(yùn)行工作。

在國家科技重大專項(xiàng)“高溫氣冷堆核電站”支持下，高溫氣冷堆制氫關(guān)鍵技術(shù)研究也已取得良好進(jìn)展，目前正在開展關(guān)鍵設(shè)備樣機(jī)研究，計(jì)劃于“十四五”期間進(jìn)行中試驗(yàn)證，“十五五”期間進(jìn)行高溫氣冷堆核能制氫–氫冶金的工程示范。2030年以前，實(shí)現(xiàn)高溫氣冷堆氦氣透平循環(huán)發(fā)電和高溫氣冷堆核能制氫的工程應(yīng)用。

六、結(jié)語

我國200 MWe 高溫氣冷堆核電站示范工程HTR-PM正在山東榮成石島灣建設(shè)，并進(jìn)入工程調(diào)試階段。作為世界首個(gè)具有固有安全特性的模塊式高溫氣冷堆核電站，它是目前第四代核電技術(shù)中最接近商業(yè)化的核電技術(shù)，因此令世界矚目。

除了高溫氣冷堆技術(shù)本身的進(jìn)步和發(fā)展，HTRPM在研發(fā)的規(guī)劃和實(shí)施、工業(yè)合作伙伴關(guān)系的建立、安全審查以及安全性和經(jīng)濟(jì)性的平衡等方面的經(jīng)驗(yàn)，也為世界同行積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。尤其是在重大專項(xiàng)實(shí)施過程中，完成了一系列世界首臺(tái)（套）重大裝備的制造，對于相關(guān)行業(yè)的技術(shù)提升起到了重要的推動(dòng)作用。

在當(dāng)前國情下，我國高溫氣冷堆的市場定位為壓水堆核電的補(bǔ)充、核能供熱的主力。正在研發(fā)中的60萬千瓦級核電機(jī)組（HTR-PM600）擬利用示范工程已經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)，在保持主要設(shè)備及系統(tǒng)不變的情況下，通過多個(gè)模塊組合來滿足更大容量的市場需求，這種設(shè)計(jì)思路一旦得到證實(shí)，將對新型核電技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的模式產(chǎn)生重大影響。