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　　日前，中國60萬千瓦高溫氣冷堆核電站技術方案在清華大學發布，該項目建成后將成為國際首個商用高溫氣冷堆核電站，標志著中國高溫氣冷堆技術達到國際領先水平。

　　那么，高溫氣冷堆有何神奇之處？又對我們的生活有怎樣的改變呢？

　　核電技術的發展歷程

　　目前的核電站都采用核裂變技術，將中子打入鈾235的原子核，原子核會分裂成兩個新原子核，同時釋放能量，并發出2—3個中子和其它射線，而發射出去的中子又會引起新的核裂變，從而形成了鏈式反應。核電站就是利用核裂變原理將裂變時釋放出的中子的過程減速后，達到安全可控的狀態實現核能利用。

　　核電技術發展歷經迭代演進，50—60年代建成的核電站所使用的技術都被歸類為第一代核電反應堆，證明了核能發電技術上的可行性。他們不僅在可靠性上或多或少存在瑕疵，發電功率僅僅相當于同期火力發電機組的零頭，基本不具備商業競爭力。

　　第二代核電反應堆證明了核能發電經濟上的可行性，單一核電機組的發電能力大幅提升達到千兆瓦級，是第一代核電機組的上百倍。全球四百多臺現役核電機組中，絕大多數仍然為第二代核電反應堆。

　　第二代核電反應堆有著一系列專設安全設施和嚴格的操作規程，最初被認為理論上不會發生堆芯融毀這種嚴重事故，因此也未考慮針對嚴重事故的緩解措施。美國三里島核電廠（壓水堆）因為一系列的誤操作引發堆芯融毀事故后，核電界開始從理論和實踐的角度認識到，二代核電反應堆發生堆芯熔化事故和大量放射性物質釋放的概率是相對偏高的。前蘇聯切爾諾貝利核電站（壓力管式石墨慢化沸水堆）、日本福島核電站（沸水堆）都采用第二代核反應堆，前者因設計缺陷和違規操作引發嚴重事故，后者因超設計基準的全廠斷電引發嚴重事故。

　　在汲取了第二代反應堆運行經驗和事故教訓后，于20世紀90年代后期發展出第三代反應堆。三代核電技術具有更好的安全性、經濟性及模塊化設計的特點。與二代核電反應堆在技術上最顯著的差別在于，三代核電技術有著比較完善的嚴重事故緩解措施。各個國家的三代/三代半核電反應堆有著各自不同的技術路線，最典型的是法國阿海琺EPR的專設安全設施加法路線和美國西屋公司AP1000的非能動安全設施減法路線。AP1000/CAP1400通過非能動技術已經能夠實現事故后72小時無人值守而不發生大規模放射性物質泄漏，足以應對三里島那種因操作失誤和福島那種因全廠斷電引起的嚴重事故。

　　2002年核能系統國際論壇（GIF）確立了6種有前途的第四代核電反應堆作為重點研發對象，包括3種快中子堆——鈉冷快堆（SFR）、鉛冷快堆（LFR）和氣冷快堆（GFR），以及3種熱中子堆——超臨界水冷堆、超高溫氣冷堆（VHTR）和熔鹽堆（MSR）。2014年又公布了一份新的《第四代核能系統技術路線圖》，對2002年路線圖的相關內容進行了更新，并明確了未來10年內第四代核電反應堆研發工作的重點。

　　氣冷堆是國際上反應堆發展中最早的一種堆型，這種反應堆初期被用來生產軍用钚，20世紀50年代中期以后發展成為商用核電站的堆型之一。氣冷堆的發展大致可以分為四個階段：即早期氣冷堆（Magnox）、改進型氣冷堆（AGR）、高溫氣冷堆（HTGR）和模塊式高溫氣冷堆（MHTGR）。

　　高溫氣冷堆按燃料元件的形狀可分為兩種：球床型高溫氣冷堆、棱柱型高溫氣冷堆。棱柱型高溫氣冷堆采用棱柱形燃料元件，如美國圣?符倫堡核電廠、日本HTTR試驗堆。棱柱燃料因為有固定形狀，避免了球床燃料的內部狀態（如高溫熱點）難以探測、難以預測、難以控制的問題，但棱柱燃料也有在高溫下可能變形腫脹從而堵塞流道的問題。德國、南非和我國的高溫氣冷堆則為球床型，具有不停堆換料的獨特優點。而技術路線的選擇往往是綜合考慮下的反復權衡，兩種技術路線各有利弊。

　　中國高溫氣冷堆到底如何

　　嚴格講，核能系統國際論壇定義的六種四代堆之一的是超高溫氣冷堆（VHTR），出口溫度要達到1000攝氏度。而中國高溫氣冷堆的出口溫度為750—900攝氏度（二代改進型氣冷堆出口溫度650攝氏度）。按照這個標準，清華的高溫氣冷堆（HTR）是不算四代核電反應堆的。想必也是因此，清華和華能對外的宣傳是“世界首臺具備第四代核能系統安全特性的商用核電機組”——并沒有直說這就是四代堆，意思是安全性達到了VHTR的標準，從而避開了出口溫度的問題。

▲60萬千瓦高溫氣冷堆核電站廠房立體剖面圖

　　本次中國的60萬千瓦高溫氣冷堆采用6個反應堆模塊連接1臺蒸汽機輪機的設計方案，每個反應堆模塊熱功率為250兆瓦，機組的熱功率將達到1500兆瓦，電功率可達655兆瓦，發電效率43.7%（也有資料稱是40%）。43.7%的發電效率是什么概念呢？

　　中國引進的美國AP1000發電效率32.7%（也有資料稱是36.8%）；中國實驗快堆發電效率38.2%。從中可見，雖然60萬千瓦高溫氣冷堆熱功率和電功率數據并非首屈一指，但考慮到提高效率的難度非常大，43.7%的效率已經很高了。

　　而且高溫氣冷堆還有進一步提高發電效率的潛力。根據二回路能量轉換裝置的匹配方式不同，高溫氣冷堆可以分為三種回路系統：蒸汽循環系統、氣體間接循環系統和氦氣直接循環系統。目前的60萬千瓦高溫氣冷堆方案采用的只是其中熱效率最低的蒸汽循環系統，后兩種循環系統還能進一步提升機組熱效率。尤其是氦氣直接循環系統將堆芯出口的高溫一次氦氣直接送入氦氣透平發電機組做功發電，是最理想的一種循環方式，能充分發揮高溫堆的高溫潛力，提高發電效率。不過，要實現還有很多技術難題未解決。

　　除了在發電效率上性能卓越，中國高溫氣冷堆還具有非常好的固有安全性。

　　共有四道放射性實體屏障：包覆燃料顆粒、石墨燃料元件、一回路壓力邊界和反應堆建筑物包容體。其核島廠房不同于壓水堆的安全殼，無密封和承壓要求。

　　高溫氣冷堆的燃料元件采用包覆燃料顆粒構成的全陶瓷型球形燃料元件，在1620攝氏度以下基本可以包容所有裂變產物，完全包容氣體裂變產物，同時還有比較完善的衰變熱非能動載出系統。由于不會產生燃料大范圍損壞、堆芯熔化的嚴重事故情況，所以HTR不專門設置三代輕水堆都有的嚴重事故管理規程，甚至可以取消廠外應急措施。

　　除了上述優點，由于高溫氣冷堆的蒸汽參數與燃煤電廠一致，高溫氣冷堆核電站的常規島可以很好地利用我國現有成熟的火電技術和建造能力，具有較好的經濟性，并對改變中國以火力發電為主的現狀有積極作用。不久前，霧霾再度席卷神州大好河山，如果能以核電替代火電，那么將對降低大氣污染，減少霧霾起到一定促進作用。此外，高溫氣冷堆還能為核能制氫、冶金、化工等領域提供大量的高溫工藝熱。

　　存在的不足

　　不過，高溫氣冷堆也并非什么都好。從安全性上講，由于輕水堆經過幾十年來的使用，積累了上萬堆年的機組運行經驗，而高溫氣冷堆才剛剛開始商用，除固有安全性外，實際運行過程中的可靠性和安全性還需要長期驗證。核電是個為了安全極端保守的行業，不確定性就是最大的缺點。

　　從經濟性上講，由于高溫氣冷堆堆芯功率密度低，單堆占地面積大，而提升功率與堆芯功率密度低與固有安全性存在矛盾。且高溫氣冷堆的燃料制造、回收和各種設備的制造與傳統核電產業沒有傳承要新建一套體系，因此與傳統核電機組比經濟性優勢并不明顯。一旦出現燃料小球卡住或內部局部熱點等必須降功率甚至停堆的事件，經濟性更會大打折扣。從長遠看，因陶瓷燃料球不如壓水堆燃料棒好處理而導致高溫氣冷堆如何除役也是個比較棘手的問題。

　　因此，在現階段，高溫氣冷堆還是不宜與沸水堆、壓水堆等成熟核電堆型開展直接的商業競爭的。

　　高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆目前最好的發展方向之一是與核電反應堆實現差異化競爭，進軍需要高溫工藝熱源的工業領域。

　　在軍用動力方面，由于壓水堆在結構上非常緊湊，最初就是作為軍用動力而開發，然后才轉為民用發電的（美國第一座核電廠Shippingport的堆芯就來自一個取消建造計劃的核動力航母，因此采用的是U-235達93%的高富集度燃料）。而這也是中國有了自己的高溫氣冷堆后，依舊要持續發展壓水堆的重要原因之一。因此，高溫氣冷堆在很長一段時間無法與壓水堆在軍用動力領域競爭。不過，如果更換了石墨慢化劑并實現氦氣直接循環，那在未來還是有希望上艇上艦的，相關工作就不便透露了。

　　總而言之，如果高溫氣冷堆能在將來的使用和驗證中，將理論上的安全性轉變為實踐中的安全性，在經濟上就能和傳統成熟堆型競爭，畢竟省去廠外應急是一大筆錢。

　　而在核電領域，安全性和經濟性往往是矛盾的，高溫氣冷堆能夠很好的平衡兩者，這就彌足珍貴了。

　　并非一日之功

　　目前，美國、俄羅斯、日本、法國等國家都在發展高溫氣冷堆：

　　美國通用公司與俄羅斯原子能部、法國的法瑪通公司、日本富士電子公司合作，MHTGR氦透平直接循環研究；日本小型化高溫工程試驗研究堆HTTR，高溫制氫技術；俄羅斯除了與美國共同開發利用高溫氣冷堆燒毀軍用钚（Pu）的研究外，還有自己的GH-MHR項目；南非也著手研發高溫氣冷堆PBMR項目。

　　必須指出的是，中國高溫氣冷堆技術突破也并非一日之功，而是數十年的技術積累和對國外技術的消化吸收。

　　在國家863計劃中，清華大學在中核集團的支持下設計建造了10兆瓦實驗堆，2003年1月7日實現并網發電。2012年12月9日，由中核工業建承的山東石島灣高溫氣冷堆示范工程開工建設，而本次發布的60萬千瓦設計方案，是在山東榮成的示范工程基礎上設計的。

▲山東石島灣高溫氣冷堆示范工程建成后假想圖

　　更關鍵的是，通過幾十年如一日的努力，中國完全掌握了高溫氣冷堆的關鍵技術：反應堆壓力容器、蒸汽發生器等主設備已完全國產化，在陶瓷包覆顆粒球形燃料元件和電磁軸承主氦風機等方面更是實現全球首創。2014年8月，中國成功研制高溫氣冷堆核電站示范工程的核心裝備之一主氦風機試驗樣機——主氦風機將氦氣加壓后作為冷卻劑，將反應堆堆芯產生的熱量帶走，使承壓殼不承受高溫，這就有效提升了安全性。這臺主氦風機問世時在當時國際上還沒有容量相當、結構相似的產品。2014年9月，擁有完全自主知識產權的高溫氣冷堆核電站示范工程燃料元件生產線已完成安裝，可每年可提供約30萬個球形燃料元件。