高溫氣冷堆與工藝熱應用

經合組織核能機構（OECD/NEA）2022 年6月16 日發(fā)布報告《高溫氣冷堆與工藝熱應用》，介紹了高溫氣冷堆技術研發(fā)進展，分析了高溫氣冷堆的特點及其能夠在幫助能源密集型工業(yè)部門降低碳排放方面發(fā)揮的作用，提出了推動高溫氣冷堆工藝熱應用的建議。

工業(yè)部門實現(xiàn)碳減排對于全球實現(xiàn)碳中和至關重要，因為其碳排放量占全球能源相關碳排放量的四分之一。但是，目前認為工業(yè)部門“難以實現(xiàn)碳減排”，因為其工藝需要使用高溫。這種溫度僅能依靠化石燃料供應，其他低碳技術均缺乏經濟競爭力。高溫氣冷堆被認為是一種可用于大規(guī)模取代化石燃料滿足工業(yè)部門高溫工藝熱需求的、極有前景的候選技術。

1 高溫氣冷堆及其發(fā)展歷史

高溫氣冷堆以氦氣作為冷卻劑、石墨作為慢化劑，使用全陶瓷燃料。相對于堆芯出口溫度約為320℃的傳統(tǒng)壓水堆，高溫氣冷堆有更好的固有安全性，且堆芯出口溫度通常可達750～950℃。更高的堆芯出口溫度不僅有利于提高發(fā)電的能量轉換效率，還可為工業(yè)部門直接提供高溫工藝熱。隨著材料技術的進步，未來還能研發(fā)出堆芯出口溫度超過950℃的反應堆。

高溫氣冷堆概念于20世紀40年代誕生于美國。圖1顯示了這一技術的發(fā)展進程：60年代，英國、美國和德國建成并運營首批試驗堆和示范堆；70年代至90年代初，德國和美國建成并運營多座示范堆；日本和中國分別于1998 年和2000 年建成投運的試驗堆汲取了美國和德國的相關經驗，并在此基礎上進行了改進，這兩座反應堆目前仍在運行；中國石島灣高溫氣冷堆示范工程首堆（共2座）即HTR-PM于2021年實現(xiàn)首次并網發(fā)電。

2 高溫氣冷堆研發(fā)現(xiàn)狀

美國、英國、加拿大、波蘭和日本等國已制定扶持方案，支持利用高溫氣冷堆滿足工業(yè)部門的高溫工藝熱需求，目標是在本世紀20 年代后期或30 年代初期實現(xiàn)高溫氣冷堆的示范。表1 列出了美、英、日等國企業(yè)和機構正在研發(fā)的五種高溫氣冷堆設計，包括法馬通公司（Framatome）蒸汽循環(huán)高溫氣冷堆（SC-HTGR）、日本原子能研究開發(fā)機構（JAEA）燃氣輪機高溫堆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。

美國能源部已在其“先進反應堆示范計劃”下為X能源公司提供資助，支持其在華盛頓州哥倫比亞縣的一個現(xiàn)有廠址建設首座Xe-100 電廠。這座核電廠由4 座Xe-100 小堆組成，擬于2027年投運。

圖1 全球高溫氣冷堆發(fā)展史

加拿大核實驗室（CNL）2018 年4 月啟動首個模塊化小堆示范項目，共有包括MMR 和U-Battery 兩種高溫氣冷堆在內的四種小堆設計參加。其中MMR的進展最快，已進入示范項目的第三階段（共分四階段），即土地布置及其他合同談判。MMR 開發(fā)商于2019 年3 月向加拿大核安全委員會（CNSC）提交小堆建設許可證申請（這是核安委收到的首份小堆許可證申請）。核安委于同年7月正式啟動小堆建設環(huán)評。

英國政府在2022年2月發(fā)布的通知“先進模塊堆研發(fā)和示范計劃：第一階段競標”中表示，將提供多達250 萬英鎊創(chuàng)新資金，支持21 世紀30年代初在英國建成高溫氣冷堆示范堆。

表1 處于研發(fā)階段的高溫氣冷堆設計

雖然上述高溫氣冷堆示范項目均沒有涉及將高溫氣冷堆與高溫工藝熱應用結合在一起的詳細計劃。但是各國都在推進相關研究，例如，“歐洲地平線2020”計劃于2017年資助了一個名為GEMINI+的國際合作項目，目的是證明高溫氣冷堆工藝熱應用的可行性。GEMINI+已提議用于熱電聯(lián)供的高溫氣冷堆設計基準，并計劃在波蘭建設一座試驗堆。

歐洲“可持續(xù)核能技術平臺”（SNETP）正在規(guī)劃一項后續(xù)國際合作開發(fā)活動，重點關注高溫氣冷堆熱電聯(lián)供的取證和示范。日本經濟產業(yè)省資源能源廳2022 年4 月與日本原子能研究開發(fā)機構和三菱重工（MHI）簽署合同，將建設一座與高溫工程試驗堆（HTTR）配套的制氫設施，目的是示范HTTR高溫工藝熱制氫技術。第四代反應堆國際論壇（GIF）正在通過國際合作開展超高溫反應堆（VHTR）以及高溫核熱制氫技術研究。

3 高溫氣冷堆的安全性

現(xiàn)有研究表明，高溫氣冷堆在三個方面擁有很強的安全性。

一是非能動安全特性：帶有涂敷層的三元結構各向同性（TRISO）燃料顆粒（詳見圖2）擁有良好的耐高溫性能和包封能力，石墨慢化劑擁有高熱容量和強導熱能力，氦冷卻劑具有化學惰性。在這些特性的共同作用下，高溫氣冷堆在事故工況下，能夠不借助外部設備或操縱員干預，將堆芯熱量轉移至外部環(huán)境。

二是在事故應急響應期間降低對操縱員行動的依賴：由于堆芯的低功率密度和石墨堆芯結構件的高熱容量，高溫氣冷堆堆芯溫度在事故發(fā)生后的上升速度緩慢，為操縱員采取相應行動預留了較長時間，通常為幾天或一周。

三是核燃料對放射性核素的穩(wěn)固包封：TRISO 燃料具有很強的耐高溫能力，能夠在1600～1800℃的高溫下包封裂變產物。可以對反應堆堆芯進行專門設計，使堆芯最高事故溫度不會超過燃料最高可承受溫度，進而使反應堆不會發(fā)生燃料熔毀事故。

上述安全特性已在多座反應堆的試驗和示范中得到證實。尤其是，日本使用HTTR進行的“冷卻劑喪失”項目研究已經證明：在運行期間，即使喪失所有中子反應控制功能和反應堆冷卻功能，反應堆也不會發(fā)生嚴重事故或向外界釋放放射性物質。

圖2 使用三元結構各向同性（TRISO）燃料的兩種高溫氣冷堆

4 為工業(yè)部門配備高溫氣冷堆的益處

使用高溫氣冷堆滿足工業(yè)部門的能源需求，能夠帶來下述五點益處。

一是幫助降低碳排放：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術之一；使用高溫氣冷堆為工業(yè)部門提供能源，能夠大幅減少化石燃料的使用，進而降低碳排放。

二是提供高溫工藝熱：即將建設首堆的高溫氣冷堆設計通常能提供550～700℃的工藝熱，能夠以商業(yè)規(guī)模廣泛滿足工業(yè)部門的能源需求。

三是保障能源供應的可靠性和靈活性：與傳統(tǒng)核電廠一樣，高溫氣冷堆不僅能夠長時間穩(wěn)定運行，還能夠根據外部能源需求調整運行功率。如果進行專門設計，高溫氣冷堆能提供三種產品，即熱量、電力和儲能產品，并能夠在運行期間靈活地在這三種產品之間進行切換。

四是確保供應安全：雖然從鈾礦生產天然鈾，并制成鈾-235 豐度超過5%的濃縮鈾燃料需要建設相應的基礎設施，但是目前全球有充足的鈾資源可供使用；鑒于鈾的供應相對穩(wěn)定且燃料費用在總運行成本中所占比例相對較低，高溫氣冷堆的運行成本相對穩(wěn)定，不易受國際局勢的影響，有助于其持續(xù)穩(wěn)定運行。

五是部署靈活：高溫氣冷堆占地面積遠小于傳統(tǒng)核電廠，且不需要使用水作為冷卻劑，對廠址的要求相對較低，可以在更廣泛的地區(qū)部署。

5 實現(xiàn)高溫氣冷堆工藝熱應用面臨的挑戰(zhàn)及建議

使用高溫氣冷堆滿足工業(yè)部門能源需求，除了需要繼續(xù)推進高溫氣冷堆的技術研發(fā)，使其盡早實現(xiàn)商業(yè)化之外，國際能源署認為需要在下述五個方面開展工作。

一是就高溫氣冷堆與相關工業(yè)流程的配套運行展開針對性研究和示范。近年來，一些工業(yè)部門對使用高溫氣冷堆取代化石燃料作為熱源以降低碳排放這一議題表示出興趣，但他們存在一系列疑慮，包括高溫氣冷堆與現(xiàn)有工藝流程和設施的匹配性、部署反應堆所需時間及其造價、監(jiān)管審批。雖然目前開展了許多關于高溫氣冷堆性能的研究，但還應考慮在同址建設高溫氣冷堆和相關工業(yè)設施的前提下，針對整個系統(tǒng)開展技術、經濟性和監(jiān)管可行性研究，以幫助消除潛在用戶的疑慮，并充分量化高溫氣冷堆技術能夠帶來的益處。建設和運營示范設施是推進高溫氣冷堆工藝熱應用的最令人信服的途徑。

二是與各行業(yè)人員和廣泛的干系人進行溝通和合作。為應對在高溫氣冷堆工藝熱應用過程中面臨的挑戰(zhàn)，有必要讓更廣泛的干系人參與進來。從技術和運營的角度看，核技術開發(fā)商、潛在的核運營商和工藝熱用戶需要開展合作，以了解核反應堆與工業(yè)設施之間可能存在的相互作用，并開展整個系統(tǒng)的設計和評價工作。與傳統(tǒng)反應堆不同，用于提供高溫工藝熱的反應堆必須與工業(yè)設施實現(xiàn)物理連接，且靠近工業(yè)區(qū)，有時甚至會靠近住宅區(qū)。因此在部署高溫氣冷堆之前，必須與更廣泛的干系人溝通，以獲得相關各方對這一核能應用的理解和接受。

三是制定和協(xié)調相關監(jiān)管程序。核與工業(yè)相關法規(guī)的管轄范圍與邊界要求是高溫氣冷堆工藝熱應用具體系統(tǒng)配置和業(yè)務計劃的制定基礎。相關監(jiān)管程序的建立需要核監(jiān)管機構、相關工業(yè)部門監(jiān)管機構以及感興趣的工業(yè)客戶三方之間進行互動。核監(jiān)管機構和相關工業(yè)部門監(jiān)管機構從項目規(guī)劃的初期階段就參與相關工作，能夠助力相關工業(yè)計劃和系統(tǒng)配置的制定，進而幫助此類項目成功實施。

四是適時建立高豐度低濃鈾（即鈾-235豐度在5%～20%之間的濃縮鈾）燃料供應鏈。目前研發(fā)的高溫氣冷堆都需要使用高豐度低濃鈾燃料。隨著包括高溫氣冷堆在內的先進反應堆技術的不斷發(fā)展，高豐度低濃鈾燃料需求將從21世紀20 年代中期開始增加，并在此后達到相當高的水平。目前，這種燃料的產能不足以支持高溫氣冷堆的大規(guī)模部署。建立高豐度濃鈾燃料的供應能力（包括鈾濃縮、再轉化、運輸和燃料制造能力）對于推進高溫氣冷堆及其他先進反應堆的部署十分重要。

五是政府應致力于實施碳減排政策并提供可預測且有效的激勵方案。與許多創(chuàng)新型碳減排技術一樣，實現(xiàn)高溫氣冷堆工藝熱應用需要長期努力和大量投資。供應鏈（尤其是高豐度低濃鈾燃料供應能力）的建立和發(fā)展，也需要大量前期投資。因此，除了建立適當的監(jiān)管框架，政府還應該建立穩(wěn)定且可預測的商業(yè)環(huán)境，以鼓勵工業(yè)部門參與高溫氣冷堆工藝熱應用技術的開發(fā)和部署。由于高溫氣冷堆工藝熱應用還缺乏技術和市場經驗，且核能項目具有初始投資高、運行壽期長等特點，因此政府承諾對于吸引投資至關重要。