高温气冷堆：探索中前行

　　作为第四代核能系统中具有发展前景的成员之一，高温气冷堆在我国的发展已经走在了世界前列，而有关其经济性、安全性等方面的质疑与探讨并未尘埃落定，高温气冷堆将在探索中继续前行

　　文/《中国投资》 刘斯斯

　　福岛核事故“余波未绝”，世界各国为应对这一灾难性事件，或调整或翻转核发展策略的进程仍未停止。中国作为正在崛起的核能国家，同样游走于这场风暴的影响之中。

　　安全，还是安全。核电发展的安全性再次被摆到至高的位置上。无论是占据主流发展地位的二代堆型，还是正在起步的三代堆型以及四代核能系统，对于安全的要求无处不在。

　　目前，被认为在安全性上最具竞争性的正是第四代核能技术，虽然仍缺乏充分的实践检验基础，第四代堆型仍旧做出了不少创新。

　　以高温气冷堆为例，其“固有安全性”一直是众人聚焦的优势之一。作为世界上少数正在运行的高温气冷堆之一，中国拥有清华大学球床模块式10MWt高温气冷实验堆(以下简称“HTR-10”)以及待建的华能山东石岛湾核电厂高温气冷堆核电站示范工程(以下简称“高温气冷堆示范工程”)，这两者无疑使中国处于这一技术领域的领先地位。

　　当下，中国高温气冷堆的发展，同样因为“福岛余震”的影响陷入停顿状态。截至记者发稿前，石岛湾核电厂仍在等待最终的核准开工批文，对于高温气冷堆经济性与安全性的探讨也仍在继续。

　　清华首“球”

　　提起“核能”，一般人总会联想到难解的技术原理以及不可预知的安全风险，并且习惯性地将所有核技术都归为一类。实际上，高温气冷堆所属的第四代核能系统，是在经济性、安全性、废物处理和防核扩散方面都具有重大革新的下一代核能技术。

　　20世纪80年代以来，美国、德国、日本、英国、法国、南非等许多国家都开展了高温气冷堆技术的研究工作。进入本世纪后，是否能够率先掌握并应用先进反应堆技术成为国际竞争的目标之一，各国也相继加快了包括高温气冷堆技术在内的第三代及第四代核能技术的研发工作。

　　中国的高温气冷堆始于清华大学，也成就于此。作为“863”重点支持项目，国务院1992年批准了HTR-10的建设，清华大学核能与新能源技术研究院(以下简称“清华核研院”)主导了该堆型的整个研发与建设过程。从1995年正式动工，2000年12月临界，2003年1月实现满功率并网发电，再到2008年国务院批准高温气冷堆示范工程进入正式实施阶段，这条路漫漫走过，凝聚了许多科学工作者几年甚至十几年的心血，也在一定程度上代表了我国争取核电技术自主化的不懈努力。

　　具体来说，HTR-10取得了包括包覆颗粒球形燃料元件制造技术、脉冲气动式燃料元件装卸系统、全数字化仪控及反应堆保护系统及主氦风机关键技术等在内的自主创新成果，这些均为此后高温气冷堆示范工程的建设奠定了基础。

　　悬停“石岛湾”

　　高温气冷堆示范工程所属的石岛湾核电厂位于山东省荣成市，工程目标为建设1台200MWe级高温气冷堆核电机组及相应配套设施，其建设及运营管理，由华能山东石岛湾核电有限公司负责项目建设。

　　作为原中国国际工程咨询公司能源业务部的项目负责人，尹维毅曾经负责并深度参与了高温气冷堆示范工程项目审核工作。他告诉记者，这个工程原本预计于2009年9月正式开工，但据说一直到今年3月才等到了国务院通过。随后，日本福岛核事故突如其来，时至今日，工程仍处于“悬停”状态。

　　尹维毅介绍称，该工程采用的技术方案由清华核研院在HTR-10成功运行基础上进一步自主设计完成，具体将由两个球床高温气冷堆NSSS(核蒸汽供应系统)模块带一台汽轮发电机组，一回路氦气冷却剂由设置在蒸汽发生器上部的主氦风机驱动，反应堆进/出口温度分别为250℃和750℃。

　　“由于采用了更高的蒸汽压力和温度，该工程热效率可达到42.2%，明显高于当前运行的商用压水堆核电站的热效率”，尹维毅表示。

　　那么，工程为何一直悬而未决？尹维毅认为，这毕竟是世界上第一座具有商业化运行特点的球床模块式高温气冷堆核电站，与技术的先进性对应的，是可比照的参考资料以及实践经验的有限性，设计技术和设备研制难度加大，工程不确定性增加，需谨慎决策。

　　“福岛事件之前，工程确实已经进入开工前的最后准备阶段，但地震对其影响很大”，尹维毅这样总结道。

　　“固有安全性”再探讨

　　有关高温气冷堆示范工程“迟滞”的另一种说法，则落在有关安全性的探讨之上。

　　根据清华核研院公开发表的有关模块式高温气冷堆的文章，其安全特性可以从3个方面得到保障，即多重屏障阻止放射性释放、非能动余热载出及负反应性温度系数。

　　据称，这种设计可保证在任何事故情况下，首先，堆芯燃料元件不会发生熔毁，其次，反应堆可以依靠自身的负反应性温度系数实现自动停堆，并仅依靠热传导、对流和辐射等自然机理，导出余热。

　　HTR-10建成后，曾经多次针对其固有安全特性，进行实验验证，并邀请外国专家在场观看。在模拟“全场断电”“主氦风机停机失冷”等意外情况的条件下，充分显示了该堆型的安全特性。

　　根据清华核研院符晓铭、王捷2006年发表的文章《高温气冷堆在我国的发展综述》一文，2005年，HTR-10进行了满功率事故叠加条件下的固有安全性验证实验。在“遭遇”手动切断氦风机电源，氦风机停止挡板关闭，所有控制棒锁定不下落这样的最极端事故条件下，试验结果显示，反应堆依靠负温度反馈机制，功率自动下降达到次临界，所有参数均未超过运行限值。

　　至此，高温气冷堆的安全性看来似乎毫无瑕疵，然而，2009年的一次探讨，却使该堆型的这一显著优势朦胧起来。

　　2009年，中核集团公司科技委常委张禄庆发表了一篇题为《话说德国球床高温气冷堆的安全教训》的文章，以德国于利希核研究中心(清华高温气冷堆技术即起源于该中心)专家摩曼当年初发表的文章《再探球床式反应堆(PBR)安全性》为引子，从技术上探讨了一些涉及PBR的共性安全问题。

　　张禄庆在文中指出，堆芯燃料球温度的不确定性以及石墨粉尘的产生是导致德国高温气冷试验堆出现一回路遭金属裂变产物污染的主要原因，并建议或可采用与球床式高温气冷堆不同的另一种技术即柱状高温气冷堆，解决这一安全问题。

　　根据其他媒体的报道，这篇文章发表后，国家核安全局曾组织相关研究人员对这些质疑予以澄清，但具体如何解决，却并未说明。

　　2010年，清华大学教授田嘉夫又发表了《高温气冷堆技术开发需要改进和创新》的文章，针对流动球床单堆功率较低、石墨块寿命未知以及粉尘问题，提出了规则球床的新设计方案。

　　有业内专家告诉记者，这一新方案确实可以解决原有的一些安全问题，但同时也面临着新的技术以及工艺方面的挑战，比如在更换燃料以及控制方面，仍需要进一步的研究。

　　对于石墨块使用寿命这一问题，田嘉夫表示世界各国都缺乏“高温下的石墨辐照数据”，记者根据一些公开发表的研究文章发现，在辐照影响下，石墨砖产生变形，影响其使用寿命，甚至在某些条件下引起失效等问题，目前确实仍在研究之中，究竟会产生怎样的影响尚未获得最终结论。

　　此外，作为高温气冷堆的关键结构材料，石墨的使用量较大，在实际使用过程中，石墨粉尘的产生不可避免。而具体到研究石墨粉尘的运动特性，了解其在反应堆条件下，如何于壁面上沉积以及在空间内扩散，对于该堆型的发展也具有重要意义。

　　发电之外的应用

　　在有关安全性的探讨之外，高温气冷堆单堆功率较小一直被认为是该堆型缺乏经济性的考量之一。记者采访的一位不愿透露姓名的业内专家认为，该堆型的这种先天限制是一种硬伤，很难解决。

　　尹维毅告诉记者，根据其2009年审核高温气冷堆示范工程的结果，在单机额定功率、厂用电率、生产期等一定条件的约束下，仅就发电方面来看，该工程每兆瓦时的上网电价略高于当年山东省397元/兆瓦时的标杆电价，这主要是受设备研制造价和发电功率小等因素的影响。

　　“我一直认为，高温气冷堆的未来应用重点优势并不在发电，而是核能制氢、化工、冶金、采油等高温工艺热能方面的应用”，尹维毅如是说。

　　氢能作为国际社会认可的一种未来能源形态，拥有发热值高、燃烧性好、点燃快、可转换及保存等优点。由于高温气冷堆拥有可达900-950℃甚至1000℃以上的高温工艺热，因此被认为是最适合于大规模制氢的反应堆型。

　　华能核电开发有限公司总经理王迎苏在其一篇讨论高温气冷堆核电站在我国的商业化前景的文章中表示：远期，高温气冷堆示范工程可以通过进一步的研究开发，更大地发挥高温热源优势，未来将不仅可以用于城市供暖和化工领域，还可以用于煤的气化液化、合成燃料、海水淡化、制氮等能源资源领域。

　　而对于这一堆型的发电经济性，王迎苏也有不同考虑。他认为，对于我国内陆水资源短缺、煤炭供应困难的地区而言，电力供应以及局域电网如何获得可靠支撑电源的问题，可以通过高温气冷堆小型化、模块化的优势予以解决，并最终成长为一种全新的分布式电源和电网支撑电源，

　　他举例说明，如果采用高温气冷堆氦气透平直接循环发电的方式，即可以减少用水量，并提高发电效率，成为内陆建设核电站的一种上佳选择。

　　资料

　　高温气冷堆燃料元件

　　高温气冷堆采用优异的包覆颗粒燃料是获得其良好安全性的基础。铀燃料被分成为许多小的燃料颗粒，每个颗粒外包覆了一层低密度热介碳、两层高密度热介碳和一层碳化硅。包覆颗粒直径小于1mm，包覆颗粒燃料均匀弥散在石墨慢化材料的基体中，制造成直径6cm的球形燃料元件(见图)。包覆层将包覆颗粒中产生的裂变产物充分地阻留在包覆颗粒内，实验表明，在1600℃的高温下加热几百小时，包覆颗粒燃料仍保持其完整性。