經(jīng)合組織核能機(jī)構(gòu)(OECD/NEA)2022年6月16日發(fā)布報(bào)告《高溫氣冷堆與工藝熱應(yīng)用》，介紹了高溫氣冷堆技術(shù)研發(fā)進(jìn)展，分析了高溫氣冷堆的特點(diǎn)及其能夠在幫助能源密集型工業(yè)部門(mén)降低碳排放方面發(fā)揮的作用，提出了推動(dòng)高溫氣冷堆工藝熱應(yīng)用的建議。

工業(yè)部門(mén)實(shí)現(xiàn)碳減排對(duì)于全球?qū)崿F(xiàn)碳中和至關(guān)重要，因?yàn)槠涮寂欧帕空既蚰茉聪嚓P(guān)碳排放量的四分之一。但是，目前認(rèn)為工業(yè)部門(mén)“難以實(shí)現(xiàn)碳減排”，因?yàn)槠涔に囆枰褂酶邷亍＿@種溫度僅能依靠化石燃料供應(yīng)，其他低碳技術(shù)均缺乏經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。高溫氣冷堆被認(rèn)為是一種可用于大規(guī)模取代化石燃料滿(mǎn)足工業(yè)部門(mén)高溫工藝熱需求的、極有前景的候選技術(shù)。

1高溫氣冷堆概述

高溫氣冷堆以氦氣作為冷卻劑、石墨作為慢化劑，使用全陶瓷燃料。相對(duì)于堆芯出口溫度約為320℃的傳統(tǒng)壓水堆，高溫氣冷堆有更好的固有安全性，且堆芯出口溫度通常可達(dá)750～950℃。更高的堆芯出口溫度不僅有利于提高發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率，還可為工業(yè)部門(mén)直接提供高溫工藝熱。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)還能研發(fā)出堆芯出口溫度超過(guò)950℃的反應(yīng)堆。

2高溫氣冷堆研發(fā)現(xiàn)狀

美國(guó)、英國(guó)、加拿大、波蘭和日本等國(guó)已制定扶持方案，支持利用高溫氣冷堆滿(mǎn)足工業(yè)部門(mén)的高溫工藝熱需求，目標(biāo)是在本世紀(jì)20年代后期或30年代初期實(shí)現(xiàn)高溫氣冷堆的示范。下表列出了美、英、日等國(guó)企業(yè)和機(jī)構(gòu)正在研發(fā)的高溫氣冷堆設(shè)計(jì)。

美國(guó)能源部已在其“先進(jìn)反應(yīng)堆示范計(jì)劃”下為X能源公司提供資助，支持其在華盛頓州哥倫比亞縣的一個(gè)現(xiàn)有廠址建設(shè)首座Xe-100電廠。

加拿大核實(shí)驗(yàn)室(CNL)2018年4月啟動(dòng)首個(gè)模塊化小堆示范項(xiàng)目，共有包括MMR和U-Battery兩種高溫氣冷堆在內(nèi)的四種小堆設(shè)計(jì)參加。其中MMR的進(jìn)展最快，已進(jìn)入示范項(xiàng)目的第三階段(共分四階段)，即土地布置及其他合同談判。

雖然上述高溫氣冷堆示范項(xiàng)目均沒(méi)有涉及將高溫氣冷堆與高溫工藝熱應(yīng)用結(jié)合在一起的詳細(xì)計(jì)劃。但是各國(guó)都在推進(jìn)相關(guān)研究，例如，“歐洲地平線2020”計(jì)劃于2017年資助了一個(gè)名為GEMINI+的國(guó)際合作項(xiàng)目，目的是證明高溫氣冷堆工藝熱應(yīng)用的可行性。GEMINI+已提議用于熱電聯(lián)供的高溫氣冷堆設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，并計(jì)劃在波蘭建設(shè)一座試驗(yàn)堆。

歐洲“可持續(xù)核能技術(shù)平臺(tái)”(SNETP)正在規(guī)劃一項(xiàng)后續(xù)國(guó)際合作開(kāi)發(fā)活動(dòng)，重點(diǎn)關(guān)注高溫氣冷堆熱電聯(lián)供的取證和示范。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省資源能源廳2022年4月與日本原子能研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)和三菱重工(MHI)簽署合同，將建設(shè)一座與高溫工程試驗(yàn)堆(HTTR)配套的制氫設(shè)施，目的是示范HTTR高溫工藝熱制氫技術(shù)。第四代反應(yīng)堆國(guó)際論壇(GIF)正在通過(guò)國(guó)際合作開(kāi)展超高溫反應(yīng)堆(VHTR)以及高溫核熱制氫技術(shù)研究。

3高溫氣冷堆的安全性

現(xiàn)有研究表明，高溫氣冷堆在三個(gè)方面擁有很強(qiáng)的安全性。

一是非能動(dòng)安全特性：帶有涂敷層的三元結(jié)構(gòu)各向同性(TRISO)燃料顆粒擁有良好的耐高溫性能和包封能力，石墨慢化劑擁有高熱容量和強(qiáng)導(dǎo)熱能力，氦冷卻劑具有化學(xué)惰性。在這些特性的共同作用下，高溫氣冷堆在事故工況下，能夠不借助外部設(shè)備或操縱員干預(yù)，將堆芯熱量轉(zhuǎn)移至外部環(huán)境。

二是在事故應(yīng)急響應(yīng)期間降低對(duì)操縱員行動(dòng)的依賴(lài)：由于堆芯的低功率密度和石墨堆芯結(jié)構(gòu)件的高熱容量，高溫氣冷堆堆芯溫度在事故發(fā)生后的上升速度緩慢，為操縱員采取相應(yīng)行動(dòng)預(yù)留了較長(zhǎng)時(shí)間，通常為幾天或一周。

三是核燃料對(duì)放射性核素的穩(wěn)固包封：TRISO燃料具有很強(qiáng)的耐高溫能力，能夠在1600～1800℃的高溫下包封裂變產(chǎn)物。可以對(duì)反應(yīng)堆堆芯進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，使堆芯最高事故溫度不會(huì)超過(guò)燃料最高可承受溫度，進(jìn)而使反應(yīng)堆不會(huì)發(fā)生燃料熔毀事故。

上述安全特性已在多座反應(yīng)堆的試驗(yàn)和示范中得到證實(shí)。尤其是，日本使用HTTR進(jìn)行的“冷卻劑喪失”項(xiàng)目研究已經(jīng)證明：在運(yùn)行期間，即使喪失所有中子反應(yīng)控制功能和反應(yīng)堆冷卻功能，反應(yīng)堆也不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重事故或向外界釋放放射性物質(zhì)。

4為工業(yè)部門(mén)配備高溫氣冷堆的益處

使用高溫氣冷堆滿(mǎn)足工業(yè)部門(mén)的能源需求，能夠帶來(lái)下述五點(diǎn)益處。

一是幫助降低碳排放：核能是目前可供使用的全生命周期碳排放量最低的能源技術(shù)之一;使用高溫氣冷堆為工業(yè)部門(mén)提供能源，能夠大幅減少化石燃料的使用，進(jìn)而降低碳排放。

二是提供高溫工藝熱：即將建設(shè)首堆的高溫氣冷堆設(shè)計(jì)通常能提供550～700℃的工藝熱，能夠以商業(yè)規(guī)模廣泛滿(mǎn)足工業(yè)部門(mén)的能源需求。

三是保障能源供應(yīng)的可靠性和靈活性：與傳統(tǒng)核電廠一樣，高溫氣冷堆不僅能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，還能夠根據(jù)外部能源需求調(diào)整運(yùn)行功率。如果進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，高溫氣冷堆能提供三種產(chǎn)品，即熱量、電力和儲(chǔ)能產(chǎn)品，并能夠在運(yùn)行期間靈活地在這三種產(chǎn)品之間進(jìn)行切換。

四是確保供應(yīng)安全性：雖然從鈾礦生產(chǎn)天然鈾，并制成鈾-235豐度超過(guò)5%的濃縮鈾燃料需要建設(shè)相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，但是目前全球有充足的鈾資源可供使用;鑒于鈾的供應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定且燃料費(fèi)用在總運(yùn)行成本中所占比例相對(duì)較低，高溫氣冷堆的運(yùn)行成本相對(duì)穩(wěn)定，不易受?chē)?guó)際局勢(shì)的影響，有助于其持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

五是部署靈活：高溫氣冷堆占地面積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)核電廠，且不需要使用水作為冷卻劑，對(duì)廠址的要求相對(duì)較低，可以在更廣泛的地區(qū)部署。

5推進(jìn)高溫氣冷堆工藝熱應(yīng)用的建議

使用高溫氣冷堆滿(mǎn)足工業(yè)部門(mén)能源需求，除了需要繼續(xù)推進(jìn)高溫氣冷堆的技術(shù)研發(fā)，使其盡早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化之外，國(guó)際能源署認(rèn)為需要在下述五個(gè)方面開(kāi)展工作。一是就高溫氣冷堆與相關(guān)工業(yè)流程的配套運(yùn)行展開(kāi)針對(duì)性研究和示范。二是與各行業(yè)人員和廣泛的干系人進(jìn)行溝通和合作。三是制定和協(xié)調(diào)相關(guān)監(jiān)管程序。四是適時(shí)建立高豐度低濃鈾(即鈾-235豐度在5%～20%之間的濃縮鈾)燃料供應(yīng)鏈。五是政府應(yīng)致力于實(shí)施碳減排政策并提供可預(yù)測(cè)且有效的激勵(lì)方案。