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导语：12月20日，我国宣布：全球首座球床模块式高温气冷堆核电站——山东荣成石岛湾高温气冷堆核电站示范工程送电成功。这是全球首个并网发电的第四代高温气冷堆核电项目，标志着我国成为世界少数几个掌握第四代核能技术的国家之一，意味着在该领域我国成为世界核电技术的领跑者。
就在不久前，深度参与中国高温气冷堆研究事业的王大中院士获2020国家最高科学技术奖。而他的学生张作义也正是高温气冷堆核电站专项总设计师。高温气冷堆示范工程装机容量20万千瓦，于2012年底在山东荣成开工建设。到今年年底并网发电，前后历时十年左右时间。
打破主流的高温气冷堆
在核技术的历史上，相比于压水堆，高温气冷堆是一个新生事物。
在人类核电历史上，压水堆（加压水慢化冷却反应堆）一直是主流。以加压的、未发生沸腾的轻水（即普通水）作为慢化剂和冷却剂的反应堆。是核电站应用最广泛、容量较大的堆型，占到核电各类反应堆堆型的60%。
一种压水堆典型结构
然而，在核技术蓬勃发展的年代三里岛和切尔诺贝利核电厂事故，给全球核电发展笼罩了阴霾。“熔堆”成为了压水堆挥之不去的噩梦。
切尔诺贝利核电站爆炸4反应堆航拍图 图源：https://www.sohu.com/a/249302534_491059
虽然核反应堆的发电逻辑与锅炉类似，但是核反应堆不同于传统的锅炉。一般地，燃煤燃气熄火后，就不会再产生热量。而核反应堆不同，它停堆后还会继续由于衰变反应而产生热量。只有把衰变反应的热量能够顺利带出堆芯，反应堆才不会发生堆芯熔化、放射性外泄的严重事故。
因此，发展具有固有安全的反应堆技术，成为了各个堆型一直追求的发展目标之一。在20世纪50年代起步的高温气冷堆，具有固有安全特征，成为了发展的主要方向。高温气冷堆具有独特的安全性，号称是“永不熔堆的反应堆”。良好的固有安全性也是第四代反应堆的特征之一。
永不熔堆是如何做到的呢？
第一道防线是特殊的包覆颗粒燃料。目前压水堆使用的燃料由氧化铀陶瓷芯块和锆合金包壳组成，高温气冷堆的燃料是直径0.5mm左右的UO2核芯，通过疏松热解碳、碳化硅、致密热解碳等三种同心球壳状包覆材料形成燃料颗粒，直径不足1mm。燃料颗粒随机弥散在石墨基体内，压制烧结形成球形或棱柱形的燃料元件。只要环境温度不超过1650℃，碳化硅球壳就能保持完整，固锁放射性裂变产物，形成了第一道安全屏障。
高温气冷堆包覆颗粒及球形燃料元件
第二道防线是气冷堆的冷却剂——氦气。氦气是一种惰性永久气体，不与任何物质起化学反应，中子吸收截面小，难于活化，具有很低的放射性水平。因此，采用氦气作为冷却剂可以保证堆内环境的安全性。
第三道防线是石墨慢速剂。高温气冷堆采用石墨作慢化剂，堆芯不含金属，结构材料由石墨和碳块组成，熔点都在3000℃以上。球床堆芯外围由石墨反射层和碳砖绝热层构成。靠近堆芯的石墨烯反射层内布置了控制棒孔道，稍外侧设有流通冷氦气的孔道。在石墨反射层内还布置了碳化硼吸收球孔道。控制棒和吸收球系统独立承担反应性的控制功能，满足多样性和冗余性的要求。
石墨气冷堆 图源：百度百科
第四道防线是来自氦气与反应堆的结构材料良好的相容性。避免了以水作冷却剂与慢化剂的反应堆中的各种腐蚀问题，使冷却剂的出口温度可达950℃甚至更高。经主氦风机增压的低温(250℃）氦气，进入热气导管壳体的环形流道，进入反应堆压力容器下部。经过一系列的孔道冷却球床堆芯，最终高温氦气在下部热气混合室经扰动混合成为平均温度750℃的高温氦气。
由于这样的设计，在任何事故条件下，反应堆堆芯的剩余发热能够通过非能动的方式载出，堆芯包覆颗粒燃料的温度不会超过允许的限值。这样就可以避免堆芯熔化的可能。在发生严重事故的条件下核电厂厂外的放射性剂量仍在限值范围之内，而不用采取厂外的应急计划。
目前，全世界正在运行的高温气冷堆只有中国的高温气冷实验堆（HTR-10）和日本的高温工程实验堆（HTTR）。HTR-10进行了模块化设计，降低单堆功率只有压水堆的1/10，降低了衰变热的散热负荷。堆芯功率密度也很低，只有压水堆的1/30，具有相对大的散热表面。这就实现了以非能动散热手段对付不可控的衰变放热过程。在主动冷却失效时，衰变热通过辐射、导热和自然对流等方式从堆芯传递给环境热阱，验证了HTR-10的固有安全。这也是全球首次在真实反应堆上进行此类安全演示。
10MW高温气冷实验堆（HTR-10）堆本体示意图
2003年4月、10月和2004年9月，经国家核安全局审查批准，在10兆瓦高温气冷实验堆上进行了厂外电源断电试验，主氦风机停机试验，以及甩负荷试验等3项验证固有安全性的试验。在比福岛核灾难更严重的事故工况下，依靠反应堆的固有安全特性，加上高温气冷实验堆优异的燃料性能，不仅没有发生堆芯熔化的严重后果，而且靠全程负反应性温度系数实现了自动停堆。
完整工业基础成就超级装备
回顾高温气冷堆的发展历程，早在二战之后，英法两国就在高温气冷堆领域开始起步。
起初是采用CO2气体作为冷却剂，50年代中期，氦气还是取代CO2气体，氦气冷却的高温反应堆开发起始于英国牵头、多个欧洲国家参与的“龙堆”（Dragon）项目。这一项目采用的氦气冷却和石墨陶瓷堆芯设计，验证了包覆颗粒燃料在实现高燃耗深度和阻留裂变产物方面的优异性能，并在氦气领域开发了一系列的专有技术。这些设计奠定了高温气冷堆技术的雏形，影响至今。
同时期，美国采用棱柱状石墨燃料元件，建造了桃花谷（Peach Bottom）反应堆；联邦德国采用球形石墨燃料元件，建造了AVR反应堆，也为高温气冷堆做出了很多探索。桃花谷实验堆验证了堆芯物理计算和设计方法。AVR在30年左右的运行时间里，一半的时间里，氦气堆芯出口温度达到950℃，积累了大量运行经验。
70年代，世界核电进入高潮，美国与德国也分别新建了新的高温堆项目，圣·弗伦堡（Fort St. Vrain）高温堆示范电厂和钍高温气冷堆示范电厂（THTR-300）。然而，这两个示范电厂运行时间并不长，圣·弗伦堡项目由于设计施工缺陷，电厂利用因子一直不高，运行13年便关闭。THTR-300工期长达13年，建成后表现出很高的可用率，却因业主经费短缺，仅运行5年便关闭。
圣·弗伦堡（Fort St. Vrain）高温堆示范电厂
我国的高温气冷堆研究开始于上世纪70年代中期。“863” 计划中高温气冷堆被列为能源领域的一个，设立了研究专题，设立了设计研究、燃料元件研究、钍–铀循环燃料后处理研究、石墨堆体性能研究、氦技术及氦关键设备研究、压力容器、球床流动特性和燃料装卸系统技术研究、结构材料使用性能研究等8个研究方向。2003年1月，10兆瓦高温气冷实验堆实现满功率调试运行和验证试验。
经过20年的不懈努力，从基础研究到试验堆，再到示范工程，我国在高温气冷堆的自主设计和建造方面，形成了独立自主的知识产权。研究和开发了关键的技术和设备，例如燃料装卸系统、氦风机、控制棒驱动机构等；完成了大型部件的国产化制造，例如压力容器、直流蒸汽发生器、金属堆内构件、石墨堆内构件等；建立了燃料元件的生产线，在国内生产了2万多个陶瓷包覆颗粒球形燃料元件；研究和开发了全数字化反应堆保护系统。
2008年高温气冷堆重大专项总体方案获得国务院批准。以10MW高温气冷实验堆为基础，攻克高温气冷堆工业放大与工程实验验证技术，高性能燃料元件批量制备技术，建成具有自主知识产权的20万千瓦模块式高温气冷堆核电站示范工程。
示范工程继续采用模块化设计，单堆热功率250MW；球形燃料元件，实现不停堆换料；设置两套独立停堆系统：控制棒系统和吸收球停堆系统；双模块反应堆带一汽轮机的运行模式；常规岛采用成熟的超高蒸汽透平机组方案。
高温气冷堆核电站示范工程原则性流程
核岛布置两个反应堆模块，通过两台蒸汽发生器共同为一台汽轮机提供蒸汽。反应堆与蒸汽发生器分别设置在两个压力容器内，其间用热气导管壳体相连接，构成“肩并肩”的布置方式。
HTR-PM堆本体示意图
在蒸汽发生器壳体上部布置了主氦风机。主氦风机采用立式方案，驱动电机由压力容器外的变频器驱动，由电磁轴承系统支撑。在反应堆中被加热到750℃的高温氦气在蒸汽发生器中加热二回路水，产生超高压过热蒸汽，送到汽轮机发电。
重大专项实施过程中，完成了一系列世界首台套的重大装备的制造，对于相关行业的技术提升起到了重要的推动作用。核岛设备总共有15181台套，包括首台套设备2201台，包括世界上还没有、通过研发创制的创新型设备660台。其中，核心燃料球达到年产30万个燃料球的产能。这个采用中国自主研发技术，全部装备国产化的燃料元件厂在技术水平和生产规模上居于世界首位。在燃料元件的质量检测方面，在批量生产过程中任意选取的10个燃料球，在欧盟开展了长达3年多的中子辐照及高温极限条件测试，结果表明燃料元件在高达1650℃高温条件下，能够有效地阻挡放射性的泄漏。有关指标达到了世界最好水平。
高温气冷堆助力碳中和
今天并网发电的高温气冷堆核电站示范工程，是世界上最接近商业化、安全性也最高的四代核电技术。在未来，也将借助示范工程进一步探索高温气冷堆的商业应用和商业优势。
高温气冷堆的市场定位是压水堆核电的补充、核能供热的主力。未来还将利用示范工程已经验证的技术，在保持主要设备及系统不变的情况下，多个模块组合，形成60万千瓦的核热电联产机组（HTR-PM600）。
早期HTR-PM600核电厂设计图
为了充分挖掘示范工程在新能源领域的潜力，更好服务碳中和，今年在示范工程双堆达临界之际，由清华大学、中核集团、华能集团、中国宝武钢铁集团、中国中信集团联合发起的高温气冷堆碳中和制氢产业技术联盟成立。推动高温气冷堆制氢技术和产业发展，攻克关键核心技术问题，助力实现碳达峰、碳中和国家战略目标。
国家能源局发布的《关于做好可再生能源发展“十四五”规划编制工作有关事项的通知》指出，要开展规模化可再生能源制氢示范，在可再生能源资源丰富、现代石油化工产业基础好的地区，可重点开展能源化工基地绿氢替代。加速发展绿氢制取、储运和应用等氢能产业链技术装备，是未来我国能源发展的重要路径之一。
此前，利用核能发电电解水制氢也是核能制氢的技术路线之一，但由于这一路线的制氢效率仅有30%，并不适用于规模化制氢。而采用高温气冷堆制氢已具备开展中试的技术条件，支持热化学循环和耦合生物质同时，制氢效率超过45%，与高温堆热匹配性好且成本较低，适合大规模制氢。
数据显示，我国钢铁行业碳排放占总排放量的13%-15%，按照全球平均水平，每吨钢将产生2吨二氧化碳排放。一台60万千瓦高温气冷堆机组可满足180万吨钢对氢气、电力及部分氧气的能量需求，每年可减排约300万吨二氧化碳，减少能源消耗约100万吨标准煤，可有效缓解我国碳排放压力。
结语：
高温气冷堆示范工程采用我国完全自主知识产权、具有第四代先进核能系统特征的球床模块式高温气冷堆技术，是我国落实核电“走出去”战略的优选堆型之一。这一项目与探月工程、北斗导航一并被列入16个国家科技重大专项。根据项目公开资料显示，高温气冷堆固有安全性好、发电效率高、环境适应性强、用途广泛，在核能发电、热电冷联产及高温工艺热、制氢等领域应用前景广阔。
石岛湾高温气冷堆示范工程是全球首座球床模块式高温气冷堆核电站，也是全球首次将高温气冷堆核电技术商业化的示范项目。在核能发电、热电冷联产及高温工艺热应用等领域商业化应用前景广阔，是我国优化能源结构、保障能源供给安全、实现“双碳”目标的重要路径。
未来，将会以高温气冷堆技术为基础，研发制氢技术，开展氢冶炼、氢化工等应用技术，将高温气冷堆技术与钢铁冶炼、化工等具体应用场景相结合，打造工业规模示范项目，并在国内外开展产业化推广，打造基于高温气冷堆制氢的产业生态，实现相关行业二氧化碳减排。
参考文献：
【1】我国高温气冷堆技术及产业化发展.张作义,原鲲[J]现代物理知识. 2018.04.002
【2】核能制氢-冶金应用耦合技术的现状及应用前景. 饶文涛,魏炜,蔡方伟,杨建夏,李文武.[J] 上海节能. 2021,(11)
【3】王大中：见险峰而越 固强国之基. 盖博铭,王琳琳,马晓冬[J] 智慧中国. 2021,(11)
【4】多模块高温气冷堆地震概率安全分析关键技术研究. 姜卓尔,王海涛,赵军[J] 原子能科学技术. 2021,(11)
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