鐵流：中國領跑高溫氣冷堆商用 是長期積累的成果

【文/ 觀察者網專欄作者 鐵流】

上月，60萬千瓦高溫氣冷堆核電站技術方案在清華大學發布。該項目標誌著我國高溫氣冷堆技術從「863」時期的「跟跑」位置，到示範工程階段的「領跑」位置，正式跨入商用階段。建成後將成為國際首個商用高溫氣冷堆核電站。那麼，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？

什麼是高溫氣冷堆

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鈈，20世紀50年代中期以後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）。

早期氣冷堆（Magnox）的代表是英國1956年卡德霍爾（Galder Hall）核電站，單堆電功率50 MW、總電功率200 MW，是人類歷史上第一個商業化應用的核電站，採用石墨做慢化劑，CO2氣體為冷卻劑，燃料元件為天然鈾燃料和鎂合金包殼。不過，早期氣冷堆存在一些缺點，比如燃料裝量大，燃耗淺，大型鼓風機耗功多，堆的體積很大，建造費用和發電成本都比較高。而且二氧化碳氣體的溫度只能達到 400℃左右，限制了反應堆熱工性能的進一步提高。

改進型氣冷堆（AGR）採用石墨為慢化劑，CO2氣體作冷卻劑，採用低濃鈾和不鏽鋼包殼燃料元件，以提高功率密度，使改進型氣冷堆具有體積小，效率高的特點。這種新燃料元件允許堆芯出口CO2溫度達到670 ℃。

高溫氣冷堆（HTGR）採用低濃鈾或高濃鈾加釷作核燃料，石墨作為慢化劑，氦氣作為冷卻劑，全陶瓷型包覆顆粒燃料元件，堆芯出口氦氣溫度可達到950 ℃甚至更高。反應堆燃料裝量少，轉換比高，燃耗深，在利用核燃料上是一種較好的堆型。像英國的「龍」、德國的AVR，美國桃花谷反應堆等都屬於這一類型。

模塊式高溫氣冷堆（MHTGR）的出現是因為三哩島和切爾諾貝利核電廠事故之後，美國推出了先進堆型發展計劃，使得模塊式高溫氣冷堆成為了高溫氣冷堆的主要發展方向。1981年德國西門子Interatom首先推出模塊式球床高溫氣冷堆的設計概念，推出電功率80MW的HTR-Module，小型化和固有安全性為其特徵，現已成為國際高溫氣冷堆技術發展的主要方向。我國這次商用的60萬千瓦高溫氣冷堆就屬於最新式的模塊式高溫氣冷堆。

中國高溫氣冷堆到底是不是第四代反應堆

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，並明確了未來10年內第四代核電反應堆研發工作的重點。

嚴格的講，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（二代改進型氣冷堆出口溫度650）。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「世界首台具備第四代核能系統安全特性的商用核電機組」——並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。

不過，我國核電界也有很多人認為，這個1000攝氏度其實是當年美日為了配合工業制氫產業提出來的，從發電的角度出口溫度的提高並不會帶來本質變化。再加上商業和對大眾宣傳的需要，現在提到HTR的時候也自稱四代堆了。

60萬千瓦高溫氣冷堆核電站廠房立體剖面圖

中國高溫氣冷堆具有的優點和不足

中國高溫氣冷堆具有非常好的固有安全性，共有四道放射性實體屏障。由於不會產生燃料大範圍損壞、堆芯熔化的嚴重事故情景，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（這個非常重要）。

除了上述優點，由於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，並對改變中國以火力發電為主的現狀有積極作用。不久前，霧霾再度席捲神州大好河山，如果能以核電替代火電，那麼將對降低大氣污染，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。

不過，高溫氣冷堆也並非什麼都好。從安全性上講，由於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，由於高溫氣冷堆堆芯功率密度低，單堆佔地面積大，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製造、回收和各種設備的製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並不明顯。

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，由於壓水堆在結構上非常緊湊，最初就是作為軍用動力而開發，然後才轉為民用發電的（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，因此採用的是U-235達93%的高富集度燃料）。

所以，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並實現氦氣直接循環，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。

長期技術積累的成果

必須指出的是，中國高溫氣冷堆技術突破也並非一日之功，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日實現併網發電。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範工程開工建設，而本次發布的60萬千瓦設計方案，是在山東榮成的示範工程基礎上設計的。

山東石島灣高溫氣冷堆示範工程建成後假想圖

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，中國成功研製高溫氣冷堆核電站示範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後作為冷卻劑，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。這台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範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。

另外，在燃料元件上，中國和美國、日本走了不同的技術路線。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、稜柱型高溫氣冷堆。稜柱型高溫氣冷堆採用稜柱形燃料元件，如美國聖·符倫堡核電廠、日本HTTR試驗堆。稜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，但稜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。

必須說明的是，技術路線的選擇往往是綜合考慮下的反覆權衡，兩種技術路線各有利弊，並無高下之分，不過，就球床型高溫氣冷堆研究和商用而言，在德國、南非沒有取得太大進展或者放棄研發的情況下，中國是唯一堅持下來且實現商用的。

國外高溫氣冷堆屬於研究和試驗堆性質

雖然美國、俄羅斯、日本、法國、德國等國家都在發展，或曾經致力於發展高溫氣冷堆，但目前都還屬於研究和試驗堆性質，還沒有進入商業化應用階段——雖然美國曾經建成過桃花谷電站是試驗電站， 但已於1974年關閉。其後的聖符倫堡電站在運行過程中更是出現過氮氣出口溫度不穩、氮風機所採用的運轉不正常這些問題，電站的負荷因子只能達50%左右。

之後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，進行MHTGR氦透平直接循環研究，但美國和日本對於高溫氣冷堆發電不怎麼關心，商用的目的也是著眼於制氫，而且離商業化應用還有一定距離。

相比之下，德國在這方面的研究堪稱悲劇。AVR反應堆在1973年發生放射性氚泄漏量大幅增加；1976年因燃料溫度不穩定、局部溫度高於最高額定溫度，使迴路受到嚴重的放射性同位素污染；1978年蒸汽發生器泄漏，反應器進水，並出現了後續操作失誤；1982年120升油從氦氣循環中流入主冷卻迴路；1984年發現，由於設計錯誤，反應堆堆芯中的進料裝置不對稱，導致荷載不平衡；1986年反應堆燃料球卡住、破損，造成輻射外泄；1987年安全殼的排水閥漏水導致輻射外泄……之後的THTR 300自建成後也是問題不斷……加上近年來德國棄核——德國政府曾經宣布將於2022年前關閉所有核電廠，德國高溫氣冷堆的商用恐怕是遙遙無期了。

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