高温气冷堆技术发展及规模化推广路径研究

吕华权　安娜　席京彬　张兴田

高温气冷堆作为第四代核能技术之一，是国际上公认的具有固有安全性、核热转换效率高和用途广泛的先进核反应堆堆型。华能山东石岛湾高温气冷堆示范工程自2011年12月开工建设以来，项目总体进展顺利，关键核心技术不断取得突破。2022年12月，示范工程反应堆达到初始高功率，实现了“两堆带一机”模式下的稳定运行，为高温气冷堆规模化推广奠定了基础。

一、高温气冷堆技术发展历程

用气体作为冷却剂的气冷反应堆技术，大致分为四个阶段：早期气冷堆（Magnox堆）、改进型气冷堆（AGR堆）、高温气冷堆（HTGR）和模块式高温气冷堆（MHGTR），MHGTR是HTGR技术发展的新阶段。

1.模块式高温气冷堆—概念设计堆

美国、德国和南非等国对模块式高温气冷堆都进行了相关研究并提出了多种类型的概念设计。德国发展的HTR-Module是最先提出的小容量模块式高温气冷堆的设计概念，其电功率为80MW，具有非能动的安全特性。

美国于1983年开展模块式高温气冷堆研究，于1985年完成了模块式高温气冷堆MHTGR（Gas Turbine-Modular Helium Reactor）的概念设计，它与HTR-Module类似，反应堆和蒸汽发生器采用“肩并肩”的设计概念。

南非于1993年启动高温气冷堆核电站的概念设计并于1999年完成，其模块式球床型高温气冷堆PBMR（Pebble Bed Modular Reactor）以HTR-Module为基础，耦合采用Brayton循环的氦气透平发电机组，形成高温气冷堆—氦气透平直接循环发电机组。

美国与俄罗斯于1993年签订合作备忘录合作研发高温气冷堆GT-MHR（Gas Turbine-Modular Helium Reactor）。GT-MHR以MHTGR为基础并耦合氦气透平直接循环发电。

2021年4月，X-energy公司和Kinectrics公司签署合作协议，启动Xe-100小型堆（SMR）研发并推动在加拿大、美国等世界范围的布局。

2.模块式高温气冷堆—建造堆

目前世界上模块式高温气冷堆已建成3台，分别为日本HTTR（ 高温工程试验反应堆 ）、中国HTR-10（实验堆）和中国HTR-PM（ 示范工程堆 ）。

因超高温气冷堆具有固有安全性并可提供高温工艺热，日本于1987年将模块式棱柱型超高温气冷堆HTTR（反应堆出口氦气温度950℃~1000℃）的研发列入长期发展计划，反应堆功率30MWt，于1998年11月首次临界。

清华大学研发并建造了反应堆功率10MWt的实验堆HTR-10，于1995年开工建造，2003年达到满功率运行。

2006年，高温气冷堆示范工程被列为《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006~2020）》科技重大专项国家科技重大专项之一，华能山东石岛湾高温气冷堆示范工程（HTR-PM）于2012年获颁建造许可证，2022年12月，HTR-PM达到初始高功率并网发电。

二、高温气冷堆的主要技术优势

HTR-PM由2个NSSS单元模块共同向1个汽轮发电机组提供蒸汽。两座反应堆的一回路相互独立，共享燃料装卸系统和氦净化系统。反应堆由球床堆芯、石墨和碳堆内构件、金属堆内构件、控制棒及其驱动机构、吸收球停堆系统和压力容器等构成，单堆功率250MWt，反应堆进、出口氦气平均温度设计值分别为250℃和750℃，平均卸料燃耗设计值为90GMWd/tU。

模块式高温气冷堆核电站具有的主要技术优势如下：

1.固有安全性

采用全陶瓷型包覆颗粒燃料元件、耐高温陶瓷堆内构件、两套独立的反应堆停堆系统以及非能动余热排出系统等独特设计，从设计上消除了核电厂大量放射性物质释放的可能，具有第四代先进核能系统的安全特征。由于突出的固有安全特性，后续在核电项目向内陆推广时具有明显优势。

2.核热非电应用

设计的反应堆堆芯出口温度750℃、蒸汽发生器出口蒸汽压力和温度分别为13.9MPa和571℃，属于高参数热源和汽源，因此更适合核热非电应用，可作为工艺热源直接或通过中间热交换器利用。

3.反应堆运行灵活、稳定

高温气冷堆堆芯具有的自稳定性，从而保证在具有固有安全性的同时，具有较强的负荷跟随功率调节的灵活性和运行稳定性。

4.小型模块化

采用小型模块化设计，单机容量可根据区域需求和地理条件合理规划、建设，在开拓中小型市场，如特定环境小型规模发电、城镇居民采暖供热等方面具有明显优势。

5.系统设备配置相对简化

高温气冷堆核电厂的系统只有155个，核岛设备约4.5万台，仅为PWR的55~65%，因此降低建造和运维成本的潜力较大。

6.燃耗深、不停堆换料

燃料元件富集度相当的情况下，所有堆型中高温气冷堆核燃料的燃耗最深，平均卸料燃耗可达90GWd/tU以上，因此燃料利用率高，并为获得高转换比的钍铀增殖燃料循环创造了条件。采用不停堆连续装卸燃料方式可有效提升机组负荷因子。

7.机组热效率高

由于蒸汽初参数较高，机组热效率可达42%~47%。当用于高温工艺热源和高温高参数汽源时，机组热效率可达70%以上。

三、高温气冷堆规模化推广的主要应用场景

高温气冷堆在石岛湾核电厂的示范成功，具备了规模化推广的基础。高品质工艺热和高参数高温蒸汽可广泛应用于石油、化工等领域，综合考虑技术成熟度和社会经济效益等因素，规模化推广应用的重点，可从以下三个方面考虑。

1.燃煤机组替代（ 热电联产 ）

我国核电厂集中分布在沿海地区，但沿海厂址资源有限，随着对绿色能源需求的持续增长，未来在内陆启动核电建造已是大势所趋。固有安全性使高温气冷堆在内陆建造具有较强的竞争优势。

高温气冷堆具有替代关停退役火电厂老旧机组的条件。高温气冷堆每个反应堆模块的热功率一般为200MW~250MW，对应的电功率为80MW~100MW，可根据需要进行多模块组合。

在燃煤电厂原址上建造高温气冷堆核电厂，市场容量较大，可重复利用燃煤电厂原有管网系统和出线走廊等基础设施，建设成本可降低15%~35%，在一定条件下能够与火电厂内现役运行的火电机组共同运行，创造较好的经济性。

2.高品质工艺供热和高参数高温蒸汽应用

热力消费是能源消费中的重要内容。国际一次能源消费总量中50%以上为工业和民用等非电利用，而热量传输要求供热机组应尽量靠近用户。在“双碳”背景下，碳排放大户的石化行业面临巨大压力，资源与环境的刚性约束已成为石化行业持续健康发展的主要制约因素，我国石化行业亟需突破资源和环境的双重限制，寻找绿色、低碳和可持续的发展路径。

高温气冷堆具有良好的供热应用潜力。一方面，因所具有的固有安全性使其能够贴近用户建设，实现供热安全性和经济性的平衡；另一方面，高温气冷堆可以满足绝大多数领域的热力需求。根据其二回路压力和温度参数，石化领域最适合采用高温气冷堆提供的高压、高温蒸汽作为热源。

3.核能高温制氢

氢是自然界中蕴藏量最丰富的元素，在作为能源利用时只形成水。氢能是国际上公认的理想能源，也是人类长远的战略能源。

2021年5月，欧洲原子能论坛发布了关于核能在低碳和氢生产中作用的报告。美国、日本、法国、南非和韩国都将高温气冷堆制氢技术作为其中长期发展目标。

据国际氢能委员会预测，到2050年氢能消耗量将占据全球能源消费总量的18%左右。我国也发布了《氢能产业发展中长期规划（2021~2035年）》，提出“推进核能高温制氢等技术研发”的产业布局要求。

电解效率高达75%以上的高温固体氧化物电解水制氢SOEC（Solid Oxide Electrolysis Cell），其运行温度为600℃~900℃，高温气冷堆是其所需理想堆型。

美国能源部于2004年出台的《氢能技术研究、开发与示范行动计划》中，核能制氢系采用高温热化学技术制氢，即碘—硫热化学循环制氢。利用反应堆堆芯出口温度高达950℃~1000℃超高温气冷堆进行碘—硫热化学循环规模化制氢，将成为高温气冷堆未来的重点应用领域。

四、高温气冷堆规模化推广路径

结合高温气冷堆规模化推广的主要应用场景，重点提出以下三个方面的规模化推广路径。

1.燃煤机组替代（ 热电联产 ）推广路径

核电选址较火电选址要求更为严苛，但目前国内核电选址要求主要面向压水堆核动力厂。在高温气冷堆燃煤替代推广中，首先需筛选适宜厂址。在沿海地区初步筛选适宜厂址，并开展厂址保护；虽然内陆核电有待启动，但适宜的内陆核电厂址也需作为储备资源予以保护。

根据高温气冷堆技术进步和我国核电发展前景，燃煤替代推广可分为两个阶段。第一阶段是在沿海地区开始中小机组燃煤替代示范工程建设，取得工程经验之后在沿海地区规模化推广建设，同时开展超超临界燃煤机组替代示范工程。第二阶段是结合我国内陆核电政策，争取开展内陆地区燃煤机组替代示范工程建设，然后规模化推广建设。

2.工艺热应用推广路径

结合工业领域高参数蒸汽需求，寻找具备较大规模容量、集中规划发展的石化产业基地，分为两个阶段开展高温气冷堆工艺热应用推广。

第一阶段是通过充分沟通使石化企业认识到高温气冷堆的优势并签署战略合作框架协议，并争取地方政府的支持，推动示范项目进入规划，推动产学研用深度融合，开展核能供汽深度耦合石化工艺及安全等关键核心技术研究。

第二阶段是实现以高温气冷堆机组替代现有化石燃料机组及供热设施，形成核供热的一体化清洁低碳石化园区。

3.高温制氢推广路径

推广路径需统筹考虑核能制氢的产能和用能协调性，以“工程材料及设备研发—工程验证—商业化示范”为技术发展路线开展示范推广。第一阶段是完成高温气冷堆SOEC制氢关键核心技术及关键设备研究，并利用现有高温气冷堆开展试验验证，同时开展碘—硫循环关键核心技术及工程材料研发；第二阶段是开展商业规模超高温气冷堆核能制氢工程示范。

五、建议

目前我国已基本形成高温气冷堆设计、采购、建造和运行的技术和管理体系，其规模化发展进入关键时期。为推动产业化发展，建议如下：

1. 推动科技创新。推动基于石岛湾示范工程经验的优化设计研究。推动超高温气冷堆、核能高温制氢、氦气透平直接循环发电等关键核心技术研发，抢占世界技术制高点。

2. 推动高温气冷堆相关法规标准研究。我国现行核安全法规及导则主要针对二代、三代核电机组，如《核电厂选址安全规定》（HAF101）、《核动力厂环境辐射防护规定》（GB6249）等。推动相关法规及导则结合高温堆固有安全性进行适应性修订，以利于推广应用。

3. 明确高温气冷堆发展定位。以“热电氢汽水”联供的模式，与大型压水堆走差异化发展路线，支持高温气冷堆规模化发展。

4. 推动产业链构建。以高温气冷堆推广应用为契机，推动全产业链及产业联盟构建，以进一步降低工程造价、保障优质服务，并带动相关产业发展。

5. 推动高温气冷堆综合利用研究。推动综合利用场景开发，开展相关产业政策研究。 

（作者单位：华能核能技术研究院有限公司）