我國高溫氣冷堆發展戰略研究

張作義，吳宗鑫，王大中，童節娟

（清華大學核能與新能源技術研究院先進核能技術協同創新中心，北京 100084）

一、前言

高溫氣冷堆技術采用氦氣冷卻劑,石墨慢化劑及全陶瓷包覆顆粒燃料元件。反應堆出口溫度可以達到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核能安全而提出的新概念。這種反應堆的核心思想是采用熱功率200～600 MWt之間的比較小的反應堆模塊，利用包覆顆粒燃料元件所能達到的優異耐高溫性能，在不需要任何應急冷卻的情況下，反應堆都能夠自然散熱，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之一。

模塊式高溫氣冷堆的另一重要特點是高溫。它的一個重要用途是高效率發電以及熱電聯產。在反應堆出口溫度達到700～750 ℃的條件下，可以結合在反應堆二回路的蒸汽循環，實現亞臨界、超臨界以及超超臨界發電，效率達到40%～48%?？梢酝ㄟ^汽輪機抽汽，實現熱電聯產，用于100～400 ℃不同參數的工業和民用供熱市場。

在反應堆結構和材料基本不變的情況下，進一步提高高溫氣冷堆的出口溫度，使其達到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用范圍。氫作為一種重要的工業原料，除了合成氨、合成甲醇、石油精煉等傳統用途外，氫氣在氫冶金、煤液化以及氣化等領域都得到了大規模應用。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的使用推動交通能源的升級。高溫氣冷堆被認為是最適合用于制氫的核能技術。

二、高溫氣冷堆技術簡述

用氣體作為冷卻劑的氣冷反應堆技術，最早應用于軍用核材料的生產，后來逐步發展成為商用發電的動力反應堆。它大致分為四個階段：早期氣冷堆（Magnox堆）、改進型氣冷堆（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構的特點，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，利用球在反應堆堆芯中的緩慢移動實現不停堆連續換料。它的優點是提高反應堆的可利用率，實現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性，有利于反應堆的控制。

球床堆技術由德國于利希研究中心R. Schulton教授發明[2]，在德國開展了大量的研究和發展工作，建設了15 MWe的高溫氣冷堆（AVR）實驗反應堆和300 MWe的高溫釷反應（THTR）工業示范堆。我國在國家高科技研究發展計劃的支持下于2000年在清華大學建成10 MW高溫氣冷試驗堆（HTR-10）[3]，是世界上首個實現“模塊式”肩并肩布置的球床高溫氣冷堆的實驗堆。

美國和日本主要發展了棱柱堆。美國建設了Peach Bottom實驗堆和Fort St. Vrain工業示范堆，日本建設了高溫實驗反應堆（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，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80年代以后不約而同地轉向了“模塊式”高溫氣冷堆的技術發展方向，應用領域也是相同的。

具有優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核能系統技術要求的堆型之一。2003年發表的第四代核能系統路線圖報告把超高溫氣冷堆（VHTR）列為第四代核能系統6種候選技術之一[4]。2010年后更新的路線圖報告則將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球形燃料元件結構。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個包覆顆粒燃料與石墨一起被填充在1個直徑60 mm的燃料球中。

圖1 HTR-PM球形燃料元件結構[5]

圖2 為我國高溫氣冷堆核電站示范工程（HTRPM）的核蒸汽供應系統模塊結構的示意圖。反應堆堆芯中大約有4.2h105個燃料球，直徑為3 m，高為11 m。堆芯周邊的反射層是耐高溫的石墨。冷卻劑氦氣從反應堆頂部流過堆芯，然后通過一個內襯保溫材料的同軸雙層連接結構，流到一個和反應堆肩并肩布置的蒸汽發生器。冷卻后的氦氣由布置在蒸汽發生器殼頂部的氦氣循環風機加壓后通過同軸連接結構的外層流回反應堆，形成一個封閉的反應堆——回路循環。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到預定的燃耗深度，則再送回堆內使用。

一個反應堆和一臺蒸汽發生器構成了一個高溫氣冷堆反應堆模塊。在中國的200 MWe高溫氣冷堆核電站示范工程（即HTR-PM）中，每個反應堆模塊熱功率為250 MWt。HTR-PM設計有2個模塊，向1臺蒸汽輪機供應蒸汽，發電功率為210 MWe。模塊式高溫氣冷堆的發明者H. Routler 與G. Lohnert在早期就曾經指出，模塊的意思就是在一個核電機組中可以根據需要連接多個反應堆模塊[1]。

當該反應堆要應用于更高溫度的場合時，需要有一個耐更高溫度的中間熱交換器，以取代蒸汽發生器。而反應堆本身從燃料、反射層、堆內金屬構件到連接管都可以保持原有的材料和設計。目前經過驗證的包覆顆粒燃料元件技術（TRISO）經過長期輻照考驗證明能夠在1250～1350 ℃下長期運行，考慮到堆芯出口溫度的不均勻性，可以實現反應堆出口氦氣平均溫度達到1000 ℃的要求。

圖2 模塊式高溫氣冷堆的一個反應堆模塊[5]

三、高溫氣冷堆發展現狀

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，美國在同期也發展了棱柱燃料的高溫氣冷堆。20世紀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展進入了模塊式高溫氣冷堆的發展階段。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開展了大量的研究，研究和發展了一系列基本具備建設首個示范工程的工程設計。其中比較好的設計是德國西門子公司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展的350 MWt棱柱模塊式高溫氣冷堆MHTGR。中國建設了世界第一個模塊式高溫氣冷堆的實驗堆，熱功率為10 MWt的清華大學10 MW高溫氣冷堆實驗堆（HTR-10）[4]，以及第一個模塊式高溫氣冷堆的工業示范電站，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），含兩個熱功率為250 MWt的反應堆模塊。

（一）國際最新研發現狀

1. 美國研發現狀

進入21世紀后，美國高溫氣冷堆相關技術的發展和研究集中體現在下一代核電站計劃（NGNP）和X-energy公司對相關技術的研究。美國也是第四代核能系統論壇的重要成員。

美國能源部于2006年在愛達荷國家工程和環境實驗室啟動了NGNP項目，其主要目的在于促進高溫氣冷堆技術在發電、制氫和工藝熱應用等方面的商業化。NGNP項目曾經設定目標在2021年建成首個經濟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成本分擔問題，示范工程的推進工作停滯。目前NGNP基本上主要是科研性質的工作，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。但美國具備隨時啟動建設工業示范電站的能力。

X-energy公司成立于2009年。與美國傳統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。它所致力研發的Xe-100反應堆是球床模塊式高溫氣冷堆，熱功率為200 MWt。X-energy的研發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的設計，2018年X-energy預期要實現TRISO燃料的試驗生產。

2. 日本研發現狀[6]

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

日本政府支持高溫氣冷堆技術發展的態度是比較堅定的，一直把高溫氣冷堆列為日本長期研究發展計劃。日本高溫氣冷堆計劃的組織由日本科學技術廳負責并提供大部分經費，由日本原子能研究所（JAEA）負責計劃的實施，并與相關企業鼎力合作。參加高溫氣冷堆計劃的企業有富士電機控股公司、三菱重工集團、株式會社日立制作所、東芝公司等。

3. 第四代核能系統論壇

2000年以來,美國等提出第四代核能系統的開發計劃，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國際論壇（GIF）。我國于2006年正式參加GIF，參與了大多數堆型的研究。

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

從技術上看，中國目前已經成為高溫氣冷堆技術的主要推動者。VHTR下設多個合作研究組，包括制氫（HP）、燃料與燃料循環（FFC）、材料（MAT）、計算方法驗證與基準（CMVB）等。這些合作研究不僅對各國基礎科研的推進提供了重要支持，在技術上推動了高溫氣冷堆技術的成熟，同時也備受其他第四代核能系統研發的關注。我國科技人員在其中扮演了重要的角色，擔任多個合作研究組的主席。

（二）我國高溫氣冷堆技術研發進展

我國高溫氣冷堆技術的研發工作，始于20世紀70年代后期，是以清華大學核能與新能源技術研究院為主開展的。研發大致分為3個階段。

第一階段是1974—1990年，為早期探索階段，重點進展是列入國家高科技研究發展計劃核能領域的重點項目，開展關鍵技術研究。

第二階段是1990—2003年，是實驗堆建設階段，建設清華大學10 MW高溫氣冷實驗堆HTR-10。

第三階段是2003—2020年，在國家高科技研究發展計劃的支持下開展10 MW高溫氣冷實驗堆的運行與安全試驗，在國家核能開發計劃的支持下開展工業示范電站的前期和關鍵技術研究，在國家“2006—2020”科技重大專項的支持下建設山東石島灣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第6個專項（簡稱06專項）“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站”的一個組成部分。它的目標是以我國已經建成運行的10 MW高溫氣冷實驗堆為基礎，通過攻克高溫氣冷堆工業放大與工程實驗驗證技術、高性能燃料元件批量制備技術，建成具有自主知識產權的20萬千瓦級模塊式高溫氣冷堆商業化示范電站，并開展氦氣透平直接循環發電及高溫堆制氫等技術研究，為發展第四代核電技術奠定基礎[6]。

1. 示范工程建設

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年現場土建工程全部完成，廠房封頂，設備開始入場安裝和調試。

2. 球形燃料元件制造

以持續30多年的科研成果為基礎，在清華大學建成了年產1h105球的中試生產線，完成了生產設備和工藝定型。在此基礎上，商業規模年產3h105球的球形燃料元件商業化生產廠在內蒙古包頭市中核北方核燃料元件有限公司進行建設，2013年3月開工，2016年8月開始正式生產。截至2018年年底，該生產線已完成了約6.3h105個合格燃料球的生產。

為驗證球形燃料元件的制造技術和產品質量，從上述按照工業化生產工藝設備及質保要求批量生產的燃料球中，隨機抽取了5個燃料球，送至荷蘭佩滕（Petten）高通量堆開展了輻照試驗。輻照考驗從2012年9月開始，2014年12月底結束。考驗結果表明：5個球形元件中約6萬個包覆燃料顆粒沒有一個破損，質量達到了目前世界最好水平。圖3為輻照試驗結果之一，以惰性氣體氪作為裂變產物釋放的標志。

經歷了輻照考驗的上述燃料元件，2016年被送到德國卡爾斯魯厄（Karlsruhe）的歐洲聯合研究中心超鈾研究所進行模擬事故極限溫度考驗。三個輻照后的燃料球在1620 ℃下進行了長達150 h的事故模擬加熱試驗。在此基礎上，進一步對1號球進行了1620 ℃加長時間（總共450 h）的加熱試驗，對4號球進行了1650 ℃ 150 h和1700 ℃ 150 h的加熱試驗，對2號球進行了1700 ℃ 150 h的加熱試驗和1800 ℃ 150 h的加熱試驗。在上述事故模擬加熱試驗中，均沒有包覆燃料顆粒破損?？简灲Y果表明：在95%的置信度下，考驗結果比HTR-PM安全分析實際所采用的閾值要好一個量級，為高溫氣冷堆的進一步發展提供了重要的技術支撐。

3. 高溫氣冷堆關鍵技術攻關及工程驗證

為支持高溫氣冷堆示范工程的研發和建設，清華大學在國家科技重大專項的支持下，專門建設了高溫氣冷堆工程實驗室，對反應堆主設備、主系統進行了全面驗證。樣機系統都是按照1∶1進行研制和試驗驗證，包括主氦風機、控制棒驅動機構、吸收球停堆裝置、燃料裝卸系統、蒸汽發生器完整組件、數字化主控制室等。

2014年科學技術部組織對重大專項的中期檢查，其中關于高溫氣冷堆專項的技術成熟度評價為：攻克了迄今為止可預見的主要技術及設備制造難關，能夠支撐示范工程建設，技術性能滿足總體實施方案要求。

圖3 HTR-PM球形燃料元件輻照試驗結果

圖4 給出2017年年底技術成熟度狀態的評價，各項關鍵技術已接近最終狀態。

4. 主設備研制

HTR-PM的核心設備及系統可歸納為九大設備和系統：反應堆壓力容器、主氦風機、蒸汽發生器、堆內金屬構件、控制棒、吸收球、燃料裝卸、氦凈化和乏燃料儲存。其中大多數為世界首臺（套），對制造提出了很大的挑戰。在研發團隊等各方面的努力下，截至2018年年底，HTR-PM的主設備研制和生產已基本完成。

2016年3月和9月，兩臺反應堆壓力容器分別制造完成并在石島灣現場安裝就位；2018年5月，首臺燃料裝卸系統安裝完成；2018年10月，2套堆內構件安裝完成；2018年12月，2臺蒸汽發生器完成制造和出廠打壓實驗，2臺主氦風機完成出廠實驗。

5. 協同創新機制

高溫氣冷堆重大專項實施的一個重要收獲是初步形成了可持續創新、多學科深度交叉、設計研發與裝備制造融合的協同創新局面。

由中國華能集團公司、中國核工業集團公司（原中國核建）、清華大學聯合組成華能山東石島灣核電有限公司作為示范工程的業主，負責示范工程的建設。由中國核工業集團公司、清華大學、中國廣核集團公司聯合組建中核能源有限公司負責示范工程的核島總承包工作。清華大學核能與新能源技術研究院負責示范工程的總體技術方案、重大專項研發工作以及核島主系統和主設備的設計工作。

上海電氣集團股份有限公司、哈爾濱電氣集團有限公司、中核北方核燃料元件有限公司、江蘇銀環集團有限公司等企業負責設備供貨、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、廠址條件適應性強、發電效率高、單堆功率小、多個標準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用、乏燃料適宜于直接最終處置、防止核擴散等諸多特點，可以適應不同國家的需求，尤其是能適應內陸能源匱乏的發展中國家的需求。這些特點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進度處于國際領先，我國在世界高溫氣冷堆市場上有突出的競爭優勢。

2017年11月，在印尼雅加達舉辦的“中國–印尼科技創新合作論壇”上，時任國務院副總理劉延東為中印尼高溫氣冷堆聯合實驗室揭牌，“中印尼高溫氣冷堆聯合實驗室”項目列入了國家重點研發計劃政府間國際科技創新合作重點專項。

2017年3月，在習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《沙特高溫氣冷堆項目聯合可行性研究合作協議》。中沙雙方將在前期合作的基礎上，進一步制定沙特高溫氣冷堆項目投資建設、知識產權合作、產業鏈本地化的系統解決方案，為沙特政府啟動高溫堆項目提供決策支持，為推動“一帶一路”建設、實現高溫氣冷堆產業鏈“走出去”奠定基礎。目前，沙特高溫氣冷堆項目聯合可研工作已經啟動。

2018年，高溫氣冷堆約旦項目完成了多輪洽談和廠址實勘。6月29日，中國核工業集團有限公司董事長王壽君與約旦原子能委員會主席圖甘簽署了高溫氣冷堆項目合作框架協議，協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，并計劃于2020年年底前完成。

2018年，英國DBD公司與清華大學核能與新能源技術研究院作為共同體，成功通過國際招標入圍英國商務部組織的先進模塊堆AMR項目第一階段。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展的一個里程碑。

圖4 HTR-PM關鍵技術成熟度評價

（三）我國高溫氣冷堆后續發展部署

我國高溫氣冷堆技術歷經跟蹤、跨越和自主創新，目前在商業規模模塊式高溫氣冷堆核電站技術上處于世界領先地位。在此基礎上，我國正在啟動部署后續60萬千瓦級模塊式高溫氣冷堆核電機組的研發和配套關鍵技術的攻關工作，以進一步推動高溫氣冷堆技術的產業化，保持我國在該領域的國際領先優勢。

60萬千瓦級模塊式高溫氣冷堆核電機組的總體技術目標是：在安全上達到國際第四代核電標準；熱電聯產，面向國內和國際市場；具備經濟競爭力；采用經示范工程驗證的技術。機組總體技術方案采用與HTR-PM相同的球床反應堆模塊，6個模塊配1臺汽輪發電機組，功率規模為650 MWe；汽輪機設置抽汽接口，可抽取不同溫度和壓力的蒸汽用于工藝熱應用。

計劃在2020年前，在建成并運行20萬千瓦級高溫氣冷堆核電站的基礎上，完成60萬千瓦級高溫氣冷堆技術方案設計分析及相應技術攻關，在“十三五”末具備首臺（套）工程開工條件；在2025年前，建成首臺（套）60萬千瓦級高溫氣冷堆，形成60萬千瓦級高溫氣冷堆標準化核電技術品牌，滿足第四代先進核能技術的安全性要求，繼續保持高溫氣冷堆領域的國際領先優勢，具備國際競爭力。

四、我國高溫氣冷堆的市場前景

（一）高效發電

60萬千瓦級高溫氣冷堆核電機組不會發生堆芯熔毀，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。

（二）熱電聯產

我國大中城市大量依靠燃煤熱電廠，在發電的同時為居民供熱。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機組熱電聯產進行大面積供熱。在一個距離城市邊界30～50 km的廠址上建設4～6臺60萬千瓦級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1h108m2，產生的電能可以支撐另外1h108m2的散戶電采暖，在其他季節發電上網，可以比燃氣熱電聯產具有更強的經濟競爭力和環境效益。

（三） 核能制氫

核能制氫技術的成熟將帶來能源領域的重大創新。以制氫煉鐵煉鋼為例，1臺60萬千瓦級高溫氣冷堆機組匹配年產1.8h106t鋼產量。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空間。

五、我國高溫氣冷堆技術發展路線圖

從基礎研究開始，我國逐步系統地掌握了高溫氣冷堆的全部技術，直至實現了跨越，并在國際上處于領先地位。為了更好地推動高溫氣冷堆技術的發展，保持我國在該領域的國際領先地位，對后續技術發展路線圖有如下設計建議。

在工程建設方面，集中力量在2020年前建成并運行山東榮成石島灣20萬千瓦級高溫氣冷堆核電站示范工程；同時完成2h60萬千瓦級高溫氣冷堆核電站的標準化設計，爭取在2020年前具備開工建設條件；積極推進國際市場應用，爭取在國外開工建設高溫氣冷堆核電機組。

在科研方面，應開展高溫氣冷堆核電站技術的經驗反饋、設計優化和標準化，提前部署和開展石墨國產化、中間熱交換器研發等科研工作，開展950 ℃超高溫氣冷堆技術研發和試運行工作。

在國家科技重大專項“高溫氣冷堆核電站”支持下，高溫氣冷堆制氫關鍵技術研究也已取得良好進展，目前正在開展關鍵設備樣機研究，計劃于“十四五”期間進行中試驗證，“十五五”期間進行高溫氣冷堆核能制氫–氫冶金的工程示范。2030年以前，實現高溫氣冷堆氦氣透平循環發電和高溫氣冷堆核能制氫的工程應用。

六、結語

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，并進入工程調試階段。作為世界首個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中最接近商業化的核電技術，因此令世界矚目。

除了高溫氣冷堆技術本身的進步和發展，HTRPM在研發的規劃和實施、工業合作伙伴關系的建立、安全審查以及安全性和經濟性的平衡等方面的經驗，也為世界同行積累了寶貴的經驗。尤其是在重大專項實施過程中，完成了一系列世界首臺（套）重大裝備的制造，對于相關行業的技術提升起到了重要的推動作用。

在當前國情下，我國高溫氣冷堆的市場定位為壓水堆核電的補充、核能供熱的主力。正在研發中的60萬千瓦級核電機組（HTR-PM600）擬利用示范工程已經驗證的技術，在保持主要設備及系統不變的情況下，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。