四代核電技術（高溫堆）產業化探討

摘 要：該文綜述了四代核電技術（高溫堆）的發展現狀和技術特點，對中國高溫氣冷堆的產業化提出了建議，供政府及相關行業集團公司等參考。

關鍵詞：四代核電 高溫堆 產業化 進展

中圖分類號：TL249 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0046-03

Abstract：The author reviewed the development of generation IV nuclear power technology --Temperature Gas Cooled Reactor（HTR） . Some The advice of industrialization of HTR in China was proposed.The article can give some advice for the government and relevant company.

Key Words：Nuclear Power Technology of Generation IV； HTR； Industrialization； Progress

目前，世界上運行和建設的核電技術主要是第二代、三代技術。從第二代核電技術演化而來的第三代核電技術在安全性和操作的簡便性方面有了明顯的改進[1]。但在經濟性、安全性、廢物處理、防核擴散和公眾接受性等方面仍然存在一些局限性[2-3]。

“更安全、更高效”是核能利用永恒的目標。美國核學會于1999年提出第四代核電技術概念。目前，共推出6種四代核電技術的堆型，即三種快中子堆和三種熱中子堆[4-8]。三種快中子堆是：鈉冷快堆（SFR， Sodium-cooled fast reactor）、鉛冷快堆 （LFR， Lead-cooled fast reactor）和氣冷快堆（GFR， Gas-cooled fast reactor）；三種熱中子堆是：超臨界水冷堆（SCWR， Supercritical water-cooled Reactor）、超高溫氣冷堆（VHTR， Very-high-temperature gas-cooled reactor）和熔鹽堆（MSR， Molten salt reactor）。“超高溫氣冷堆”以現有高溫氣冷堆技術為基礎，反應堆出口溫度達到1000 ℃，可以更好地適應未來制氫技術的工藝熱要求。當前高溫氣冷堆冷卻劑出口溫度已經達到950 ℃，實現1000℃出口溫度在技術上是切實可行的。因此，（超）高溫氣冷堆是最有前途和最快投入使用的四代核電技術[9-12]。

隨著我國國民經濟的持續穩定發展，能源需求日益增長。能源已成為我國經濟、社會發展的重要制約因素。突出的環境問題和有限的能源資源總量，迫切要求發展清潔安全的替代能源。核能是一種可以大規模替代化石燃料的清潔能源。從我國的能源供求情況來看，21世紀核能將在我國能源體系中發揮重要作用。我國核電產業的長遠發展也要立足于先進的自主化核電技術，有必要積極推進先進堆型研發工作，特別是球床模塊式高溫氣冷堆（以下簡稱“高溫堆”）的研究、開發與運用[1]。

1 我國高溫堆技術發展概況

我國的高溫堆技術研究起步于20世紀70年代。1986年，10MW高溫氣冷實驗堆（HTR-10）被列為國家863計劃重點項目。1995年，HTR-10正式開工建設，于2000年建成并首次臨界，2003年實現滿功率運行并網發電，成為全球首座球床模塊式高溫氣冷堆，確立我國在該領域的世界領先地位。2003年以來中國核工業建設集團公司與清華大學合作開展高溫堆技術產業化工作，完成了大量基礎性工作。2006年高溫堆被列入國家科技重大專項，雙方合作承擔了重大專項的科研任務，共同參與200 MW的高溫堆示范工程的投資建設，進一步鞏固我國在該領域的國際領先地位。在此基礎上，通過進一步深化產學研合作機制，雙方共同開展商用高溫堆技術的開發和推廣工作。截至目前，已經完成高溫堆熱電聯產機組方案研究以及反應堆壓力容器運輸和現場制造、多模塊運行和控制專題，正在準備接受國家主管部門組織的技術審查[5-6]。

近年來，國外密切關注中國高溫氣冷堆技術的發展。美國能源部橡樹嶺國家實驗室在2009年針對中國高溫氣冷堆發展發表了研究報告，肯定了中國在高溫堆技術發展方面取得的成績，認可技術發展潛力和國際市場前景，認為高溫堆技術是中國獨有的優勢，相關技術的突破將使中國核電技術領先世界10年以上。2014年9月，在IAEA第58屆理事會大會期間，中國高溫堆技術交流論壇在IAEA總部成功舉辦，進一步提升我國高溫堆技術的國際影響力[6]。

2 我國高溫堆技術主要特點[5]

我國高溫堆技術是國際公認的具備第四代先進核能系統特征的反應堆技術，它是以石墨作慢化劑，采用惰性氣體氦氣作為冷卻劑，使用包覆顆粒和石墨構成的球形燃料元件，配備耐高溫的全陶瓷堆芯結構，并可以通過模塊式組合，實現能源廠的靈活布置。

2.1 主要安全特點

高溫堆具有固有安全性，即在任何事工況下，包括喪失所有冷卻的情況下，不采取任何人為的和機器的干預，反應堆都能保持安全狀態。

（1）采用先進的耐高溫燃料元件。

UO2顆粒由碳化硅和石墨層層包覆并彌散在半徑3cm的石墨球中。裂變產物在高達1200℃的高溫狀態下才開始在顆粒內緩慢遷移，達到2100℃包覆層才開始熱分解。基于固有安全設計以及較大的負反應溫度系數，在任何運行工況和事故情況下最高溫度不超過其安全限值1620℃，確保裂變產物有效包容，不會導致放射性大量釋放的嚴重后果。

（2）采用全陶瓷堆芯結構。

高溫堆堆芯周圍全部由石墨和碳磚材料構成，該區域內沒有金屬部件，極耐高溫的石墨堆內構件熔點在3000℃以上，因此，反應堆的熱容量和熱慣性較大，從而有效提高了反應堆運行的安全性。

（3）非能動余熱排出系統設計。

高溫堆細長的壓力容器以及較大的石墨堆腔有利于堆芯余熱的均勻排出。堆芯余熱通過壓力容器外壁利用熱輻射原理傳遞給水冷壁，再由水冷壁、空冷器以自然循環的方式將熱量傳遞給最終熱阱—空氣。余熱排出過程利用最普遍的自然規律，不需要依靠任何外部動力。

（4）設置兩套獨立的停堆系統。

高溫堆設置了兩套獨立的停堆系統，除了采用傳統的控制棒以外，還充分利用球形燃料元件的幾何特征，設置了吸收球停堆系統，通過吸收燃料球使反應堆進入次臨界狀態，確保反應堆可靠停堆。

2.2 其他技術特點

（1）不停堆換料設計。

球形燃料裝卸系統能夠實現燃耗深度的在線監測，并實現反應堆不停堆換料，從而有效提高機組可利用率。

（2）反應堆工作參數高。

目前，高溫堆已經具備7Mpa、750℃的氦氣出口參數以及13.9Mpa、571℃的蒸汽出口參數，基于現有技術仍然具有較大的提升空間。

（3）采用模塊式設計。

高溫堆功率密度低、系統簡單，通過模塊式組合可以實現核電廠的靈活布置，可以建設不同裝機容量的核電機組。

3 高溫堆技術產業化發展建議

目前，我國已基本形成高溫堆推廣、投資、設計、采購、建造和運營管理能力。高溫堆產業聯盟雛形已經形成。2013年以來，中國核工業建設集團公司已經在國內多個省份和地區開展了高溫氣冷堆廠址選擇和前期工作，相關廠址開發工作穩步推進，特別是江西瑞金項目取得了顯著進展，江西省發改委復函同意開展項目前期工作，項目初可研工作正在有序開展。高溫堆技術產業化發展已經進入關鍵階段[13-14]。

從我國核電產業長遠發展以及自主發展出發，有必要加快高溫堆技術產業化步伐。從我國資源稟賦、能源布局和負荷分布的實際狀況出發，有必要加快高溫堆技術商用推廣進程。具體建議如下[5][15]。

3.1 加大自主核電技術產業化政策支持力度

我國高溫堆技術的成長歷程也是國家對自主化核能技術給予持續支持的過程。歷經“863計劃”、核能開發科研、國家科技重大專項的大力支持，我國在高溫堆技術領域取得了長足發展，保持并鞏固了國際領先地位。核電中長期發展規劃、能源發展“十二五”規劃中明確提出自主核能技術的發展目標和發展路徑，進一步保障了政策的延續性。在國家政策支持和引導下，高溫堆自主核電技術產業化已經上升為國家行為。

在當前國際形勢下，我國面臨由能源大國向能源強國轉變的歷史機遇，為此，能源“走出去”、核電“走出去”上升為國家戰略。“十二五”時期，習近平主席、李克強總理在出訪歐洲、拉美等國家時，著重推介中國核電技術及高速鐵路，促成一系列雙邊、多邊合作，我國正式加入核電技術輸出國行列。憑借完全自主知識產權、設備國產化、固有安全三大優勢，高溫堆成為落實“走出去”戰略的首選堆型。

然而，任何能源系統從研發到工業應用都存在一個產業化和標準化的過程，這個過程離不開國家政策的持續支持，尤其是代表一國工業水平的核電技術。為加快實現以自主研發為支撐的設計、制造、建造、運行自主化，有效縮短高溫堆技術工業標準化進程，盡早為高溫堆技術海外開拓提供參考電站，建議將國內60萬千瓦高溫堆核電站列為商用示范工程，建議國家能源主管部門參考已有的良好實踐，引導高溫堆產業聯盟的建設和發展。

3.2 加緊開展相關核安全法規的研究工作

我國當前的核安全法規和導則主要是針對二代、三代壓水堆的，如《HAF101核電廠廠址選擇安全規定》規定如下：規劃限制區無萬人以上城鎮，10 km內無10萬人以上城鎮；40 km內無100萬人以上城鎮；2 km內無著火源；4 km內無航線經過；10 km內無機場、無爆炸源、無危險液體庫和危險氣云源；30 km以內無軍事目標；又如《GB6249-2011核動力廠環境輻射防護規定》中規定非居住區為500 m，規劃限制區為5 km，應急計劃區中煙羽應急計劃區為4～8 km，食入應急計劃區為30-50 km。針對安全要求最為嚴格的工業體系，我國核安全法規對核電選址提出了泛用性、包絡性的標準。

針對安全性更高的反應堆堆型，在核安全法規研究方面已經形成了良好實踐。以自主研發為支撐，針對具備非能動安全特性的低溫核供熱堆制定并頒布了相關核安全法規、導則，如《HAF J0059低溫核供熱堆廠址選擇安全準則》和《HAF J0061低溫核供熱堆核事故應急準備安全準則》中規定：非居住區為半徑250 m，規劃限制區半徑為2 km，應急輻射監測區為5 km（廠內應急）。我國針對不同堆型的安全特征，創造性地提出了差異化的廠址要求和環境相容性要求。

四代核電技術，如高溫氣冷堆、快堆等是在安全性、廢物處理和防核擴散方面取得重大革命的新一代先進核電技術。特別是高溫堆具有固有安全特性，不需要設置核應急區域。相關研究成果表明：高溫堆僅需在距離反應堆2.5km處設置檢測設備，其它相關的非居住區、規劃限制區等可以差異化對待。但是，目前國家對四代核電技術廠址要求與二代、三代壓水堆相同，造成對四代核電技術發展的限制，特別是對于高溫堆熱電聯產的限制。

建議圍繞廠址選擇、核應急等領域及時研究、提出適合高溫堆、快堆等四代核電技術的法規和導則，科學平衡反應堆的安全性和經濟性，以利于四代核電技術的發展。鑒于高溫堆具有固有安全特性，有必要圍繞高溫堆核電站內陸建設開展人口分布、水文條件、地質條件開展相關的課題研究。

3.3 加強核能綜合利用產業政策研究工作

我國是少數幾個一次能源以煤為主的國家，煤炭占我國一次能源總消費70%左右。根據物質守恒定律，碳消耗必然導致等量的碳排放，由此，現有的能源結構給溫室氣體減排帶來了巨大壓力。此外，化石資源既是儲量有限的不可再生資源，又是寶貴的化工原料，純粹作為燃料利用較為可惜。據統計，全球范圍內60%的能量是以熱能的形式消耗的，開發安全、清潔、高效的替代能源，積極推進核能綜合利用，對于減少溫室氣體排放、提高資源利用效率具有重要意義。

高溫堆是現有各類反應堆中工作溫度最高的堆型，也是目前唯一能夠提供高溫工藝熱的核能系統。目前，高溫堆已經具備750 ℃的氦氣出口溫度以及571 ℃的蒸汽出口溫度，高溫工藝熱可以廣泛應用于氦氣透平高效發電、煤的氣化液化、石油化工、稠油熱采等領域。未來，隨著超高溫氣冷堆的開發，可以廣泛應用于核能制氫、直接還原煉鋼、油頁巖提煉等領域。

煤的氣化液化是提高煤炭資源利用效率、提高能源利用清潔程度的新途徑，但其本身也屬于能源密集型產業。將高溫堆作為替代能源應用于煤的氣化液化，有利于實現清潔能源的清潔生產過程；氫能是國際公認的戰略性能源，氫能與核聚變一同被喻為引導未來能源革命的新能源。隨著超高溫氣冷堆技術的開發與應用，可以形成出口溫度高達1000 ℃的清潔熱源，實現高溫熱解制氫。目前，美國、日本、韓國、法國等國家均已將開發高溫堆制氫技術列為中長期發展目標，通過立法、鼓勵研發等手段給予政策支持。

為有效減少溫室氣體排放、積極兌現減排國際承諾以及搶占戰略性清潔能源發展的制高點，建議將核能綜合利用納入相關規劃并支持開展相關課題研究。

3.4 支持配套產業發展和配套服務輸出

核級石墨是高溫堆的慢化材料、中子反射材料以及燃料元件的結構材料，與其它石墨產品相比，其制作工藝較為復雜，目前主要依賴進口。國外只有少數幾家企業實現核級石墨的產業化。HTR-10和高溫堆示范工程所用核級石墨全部從日本進口。國內僅有少數企業開展核級石墨研究，但尚未實現產業化。

高溫堆示范工程球形燃料元件生產線2014年底生產線全面建成，預計2015投產。該生產線是全球首條工業規模的球形燃料元件生產線，每年將為高溫堆示范工程提供30萬個球形燃料元件，僅能滿足示范工程燃料元件的需求量。未來，國內國際商用高溫堆核電站的建設對球形燃料元件的需求將大大提升，急需提前統籌布局燃料供應能力建設。

當前，新興核電國家正在積極準備引進安全高效的核電技術，部分國家“起步晚，起點高”，堅持最高核安全標準，但是，這些國家又往往是核工業體系不完善的國家。為了向這些國家提供系統的商業化解決方案，未來將面向國際市場提供核燃料供應、乏燃料回收、核電站運行、技術支持、人員培訓等配套服務。

為突破自主核電技術在關鍵材料上的瓶頸，建議支持核級石墨國產化并配套相關產業政策。為保障國內國際商用高溫堆的燃料供應，建議統籌納入核電發展規劃并支持開展能力建設。為全面落實核電“走出去”戰略，建議在自主核電技術輸出、成套設備出口的同時開展配套服務輸出，建議盡早開展與之相關的課題研究工作。

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