高溫氣冷堆的研究現狀與發展

摘要：利用高溫氣體進行核冷堆型是一種利用氦氣和水溶液作為冷卻劑，使用石墨烯和水溶液作為緩慢態物質的先進核反應堆型，由于其本身具有固定的安全性，發電效率高，建設周期短等優點，被認為是最有希望成為第四代核能系統的技術之一。本文結合實際需求，介紹高溫氣冷堆的研究背景，簡易的從原理上分析其工作方式與特點，對比國內外對于高溫氣冷堆的投入與研究現狀，介紹比較成功的反應堆裝置，并且對高溫氣冷堆的發展前景做了展望。

關鍵詞：高溫氣冷堆;第四代核能系統;研究現狀;發展

引言

所謂核能，指的是通過核反應釋放的能量。這種能量可以被人類加以利用，從而成為一種強大的能源。根據發生反應的種類不同，核能可分為裂變能和聚變能。目前，對于聚變能源的大規模開發仍未實現，然而，人類目前已經可以較為安全和高效的產生和儲存裂變能。核反應通常需要在一定的容器內進行，這種容器一般被稱為反應堆，隨著科學理論和工程技術的不斷進步，反應堆技術也在不斷地更新迭代。

目前，國際上主要通行的是三代反應堆，第四代反應堆尚處在實驗階段。而高溫氣冷堆就是其中的典型代表。本文介紹高溫氣冷堆的研究背景，簡單的分析其工作方式和特點，探究世界各國對于高溫氣冷堆的研究現狀，最后剖析高溫氣冷堆的發展趨勢。

1.研究背景

1979年，美國賓夕法尼亞州三哩島核電廠遭遇了一起嚴重的堆芯熔化事件，最終造成了放射性物質的產生和泄露。該事故產生的輻射劑量并不是很大，但是這起事故對核電的發展卻產生了深遠的影響，反對核電的聲音此起彼伏，在社會輿論的壓迫下，國際核能領域對反應堆的安全性能提出了更高的要求，這使得建造核電站的安全成本大大提高，國際核電領域也因此陷入了長時間的冷寂，直到二十一世紀初能源危機以及全球變暖問題初現端倪后，各國才重新加大了對核電領域的投入。

與此同時，為了避免類似的事故再次發生，需要改進反應堆的安全性能，為此，核能界提出了"高溫氣冷堆"這一概念，即用高溫氦氣代替水作為冷卻劑，對堆芯進行冷卻。1956年，英國率先地開始了對高溫氣體反應堆技術的研究，196年英國建造了一個用于反應堆實驗的"龍";1967年，美國在加州建成了"桃花谷"的高溫、氣冷地質學實驗堆;同年，德國也在這里搭建起了一個高溫空氣冷堆。在試驗階段結束之后，高溫氣冷堆的技術發展步驟就進入了一個新的原型堆設發電站階段，美德兩個大國分別于1968年和1971年開始了建造這兩座高溫氣冷堆電站，并且均在試驗中成功地達到了一個臨界狀態，這兩座高溫氣冷核電站都取得了成功，標志著當時的高溫氣冷堆開始進入商業化階段。

在三哩島核事故之后，世界對于我國的核電技術和安全性的關注和重視程度不斷提高，為了更好地適應我國核電技術新形勢的要求，德國西門子公司已經提出了一個全新的概念："模塊式高溫氣冷堆"，他們所設想的這種高溫氣冷堆，理論上能夠在任何事故下安全停機，并且使堆芯自然散熱;同時在高溫條件下可以實現高效率發電。綜合來看，模塊化的高溫氣冷堆無論是在安全性還是經濟性方面都擁有著卓越的技術，是對新一代核電工程技術發展的希望。本文所探討的"高溫氣冷堆"也主要是指模塊化高溫氣冷堆而言。

2.基本介紹

2.1工作原理

目前世界上運行的核電站，主要是使用235U作為反應原料，利用高能中子轟擊原子核，引發裂變反應。同時，為了防止反應的速度過快導致失控，需要利用中子慢化劑來減少高速中子的數量。在這個反應過程中進行同時，冷卻劑會通過吸收整個堆芯的熱量，再由進入蒸汽發生器后把熱量送到水，隨后又回到堆芯進行吸熱。目前，世界上絕大多數核電站均是通過使用濃度在%～3%的低濃縮鈾作為原子能的燃料，使用水或者作為原子能的冷卻劑和緩沖液，這樣的反應堆稱之為輕水反應堆。而在高溫下氣冷堆中則主要是通過采用石墨烯作為緩慢性物質，氦氣或氫氧化碳作為冷卻劑。

2.2主要特點

2.2.1固有安全性

高溫氣冷堆具備良好的安全保護性能，是其可以被視為第四代核電工程技術中最具代表性的重要組成部分。所謂的固有安全性，是指即使發生了冷卻系統故障，也無法給堆芯提供足夠散熱的效果，堆芯本身也可以直接依靠其熱輻射，熱傳導和自然對流的方式來排出剩余的廢物，這主要得益于其在設計過程中的三個考慮：

（1）降低了堆芯的功率密度：高溫氣冷堆的堆芯功率密度要比壓水堆低1-2個數量級，即使冷卻系統停止工作，堆芯溫度的上升也極為緩慢，這為散熱提供了時間。

（2）減小堆芯直徑：高溫氣冷堆的堆芯比水冷堆更加細長，增加了散熱面積，提高了散熱效率。

（3）使用全陶瓷對顆粒燃料元件進行包覆：由于陶瓷的耐熱性很強，不易熔化，也提高了反應堆的安全性。

為了充分驗證高溫氣冷堆的固有安全性，清華大學核能與新技術研究院于2003年4月和2004年9月在高溫氣冷實驗堆上分別進行了一次事故仿真模擬，采用的方法和手段主要有：外部電源中斷電、甩超過負荷時疊加不能緊急停堆以及由于內部氦風機中斷而停機。實驗結果表明，即使外部發生重大事故，甚至導致所有冷卻手段全部失效，反應堆也不會發生危險。

2.2.2高效率發電

顧名思義，高溫氣冷堆的一個重要特點自然也就是"高溫"，用作冷卻劑的氦氣溫度一般可以控制得到700-1000攝氏度，同時通過利用壓水機對反應堆進行二回路蒸汽轉換循環，可以使效率提高至40%，實現了亞臨界，超臨界甚至超超臨界發電，而一般壓水堆的進出口溫度只能僅有300左右，發電更高效率也遠遠低于高溫空氣冷堆。

2.2.3體積大

雖然高溫氣冷堆擁有以上諸多優點，但是其存在的某些問題也是不容忽視的。高溫氣冷堆的堆芯功率密度比普通的壓水堆要低很多，但是這同時也導致了為了達到相同的輸出功率，高溫氣冷堆的體積要比壓水堆大很多，盡管其發電效率更高，但也遠遠抵消不了功率密度低的缺點。

3.研究現狀

3.1國際研究

高溫氣冷堆主要分為兩種：球床式高溫氣冷堆和棱柱式高溫氣冷堆。目前以中，美，日的研發水平最為先進。美國的研究工作主要由X-energy公司負責，選定的方向為球床堆，目前已經建成了熱功率為約200MWt的Xe-100球床模塊式高溫氣冷堆。日本的研發工作則主要由官方機構——日本原子能研究所負責，從上世紀九十年代就開始建造小型高溫工程試驗堆，該項目于1998年正式建成。

3.2國內研究

中國一向重視高溫氣冷堆的研究，早在1974年，我國就已經將高溫氣冷堆列入國家重點項目，開始了理論研究。1990年，在當時中國清華大學中國核能和新能源技術發展研究院正式批準開工建設修建了當時我國第一座10mw的大型高溫熱水氣冷核能實驗堆：htr-10，該反應堆于2000正式建成并運行。2012年，我國在福島核事故剛剛發生不久的巨大壓力下，于山東榮成石島灣啟動了建設第一座 200mw 模塊式高溫氣冷堆核電站的示范項目，2020年12月30日，反應堆已經進入了熱態試驗的最后階段——熱態功能試驗，這也表明在高溫氣冷堆技術方面，我國已走在世界前列。

4.發展趨勢

由于其采用模塊化的組合方式，每個模塊均能承擔部分功率，組合起來可以產生不同的輸出功率，因此能滿足不同國家的電網需求，在商業上的前景是十分樂觀的。

除此之外，由于高溫氣冷堆出口的氦氣溫度極高，其在需要熱量的化工領域也有十分廣闊的應用前景，可以被用于生產氫，海水淡化，煤的氣化等方向。事實上，高溫氣冷堆還有更多可能的應用沒有被發掘出來，希望通過科學界不斷地研究，能夠利用這種神奇的技術創造更多的價值，進而造福人類！

參考文獻：

[1]侯艷麗：《高溫氣冷堆的應用模式探索》，《能源》，2020-12-5

[2]葛維維：《高溫氣冷堆：做“走出去”的領跑者》，《中國核工業》，2018-3-10

[3]齊炳雪，楊一都：《淺談高溫氣冷堆的固有安全性》，《山東工業技術》，2018-9-29

[4]張作義，吳宗鑫，王大中，童節娟：《我國高溫氣冷堆發展戰略研究》，《中國工程科學》 2019 年 第 21 卷 第 1 期

[5]張平，徐景明，石磊，張作義：《中國高溫氣冷堆制氫發展戰略研究》，《中國工程科學》 2019 年 第 21 卷 第 1 期

[6]季天也：《熱效率高于燃煤電廠——第四代反應堆可對接火電機組？》，《環境與生活》 2017.07.12 總第113期

[7]徐元輝 鐘大辛：《高溫氣冷堆的技術特點及發展動向》，《清華大學學報》第 32 卷 第6期

[8]周建永：《壓水堆朗肯循環效率分析》，《科技視界》

作者簡介：楊博，2002年8月出生，女，漢族，籍貫：內蒙古包頭人，青島科技大學經濟與管理學院，19級在讀本科生，學士學位，專業：城市管理。