日前，中國(guó)60萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆核電站技術(shù)方案在清華大學(xué)發(fā)布，該項(xiàng)目建成后將成為國(guó)際首個(gè)商用高溫氣冷堆核電站，標(biāo)志著中國(guó)高溫氣冷堆技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

　　那么，高溫氣冷堆有何神奇之處？又對(duì)我們的生活有怎樣的改變呢？

　　核電技術(shù)的發(fā)展歷程

　　目前的核電站都采用核裂變技術(shù)，將中子打入鈾235的原子核，原子核會(huì)分裂成兩個(gè)新原子核，同時(shí)釋放能量，并發(fā)出2—3個(gè)中子和其它射線，而發(fā)射出去的中子又會(huì)引起新的核裂變，從而形成了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。核電站就是利用核裂變?cè)韺⒘炎儠r(shí)釋放出的中子的過(guò)程減速后，達(dá)到安全可控的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)核能利用。

　　核電技術(shù)發(fā)展歷經(jīng)迭代演進(jìn)，50—60年代建成的核電站所使用的技術(shù)都被歸類(lèi)為第一代核電反應(yīng)堆，證明了核能發(fā)電技術(shù)上的可行性。他們不僅在可靠性上或多或少存在瑕疵，發(fā)電功率僅僅相當(dāng)于同期火力發(fā)電機(jī)組的零頭，基本不具備商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　第二代核電反應(yīng)堆證明了核能發(fā)電經(jīng)濟(jì)上的可行性，單一核電機(jī)組的發(fā)電能力大幅提升達(dá)到千兆瓦級(jí)，是第一代核電機(jī)組的上百倍。全球四百多臺(tái)現(xiàn)役核電機(jī)組中，絕大多數(shù)仍然為第二代核電反應(yīng)堆。

　　第二代核電反應(yīng)堆有著一系列專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施和嚴(yán)格的操作規(guī)程，最初被認(rèn)為理論上不會(huì)發(fā)生堆芯融毀這種嚴(yán)重事故，因此也未考慮針對(duì)嚴(yán)重事故的緩解措施。美國(guó)三里島核電廠（壓水堆）因?yàn)橐幌盗械恼`操作引發(fā)堆芯融毀事故后，核電界開(kāi)始從理論和實(shí)踐的角度認(rèn)識(shí)到，二代核電反應(yīng)堆發(fā)生堆芯熔化事故和大量放射性物質(zhì)釋放的概率是相對(duì)偏高的。前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站（壓力管式石墨慢化沸水堆）、日本福島核電站（沸水堆）都采用第二代核反應(yīng)堆，前者因設(shè)計(jì)缺陷和違規(guī)操作引發(fā)嚴(yán)重事故，后者因超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的全廠斷電引發(fā)嚴(yán)重事故。

　　在汲取了第二代反應(yīng)堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和事故教訓(xùn)后，于20世紀(jì)90年代后期發(fā)展出第三代反應(yīng)堆。三代核電技術(shù)具有更好的安全性、經(jīng)濟(jì)性及模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。與二代核電反應(yīng)堆在技術(shù)上最顯著的差別在于，三代核電技術(shù)有著比較完善的嚴(yán)重事故緩解措施。各個(gè)國(guó)家的三代/三代半核電反應(yīng)堆有著各自不同的技術(shù)路線，最典型的是法國(guó)阿?，mEPR的專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施加法路線和美國(guó)西屋公司AP1000的非能動(dòng)安全設(shè)施減法路線。AP1000/CAP1400通過(guò)非能動(dòng)技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)事故后72小時(shí)無(wú)人值守而不發(fā)生大規(guī)模放射性物質(zhì)泄漏，足以應(yīng)對(duì)三里島那種因操作失誤和福島那種因全廠斷電引起的嚴(yán)重事故。

　　2002年核能系統(tǒng)國(guó)際論壇（GIF）確立了6種有前途的第四代核電反應(yīng)堆作為重點(diǎn)研發(fā)對(duì)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(tǒng)技術(shù)路線圖》，對(duì)2002年路線圖的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了更新，并明確了未來(lái)10年內(nèi)第四代核電反應(yīng)堆研發(fā)工作的重點(diǎn)。

　　氣冷堆是國(guó)際上反應(yīng)堆發(fā)展中最早的一種堆型，這種反應(yīng)堆初期被用來(lái)生產(chǎn)軍用钚，20世紀(jì)50年代中期以后發(fā)展成為商用核電站的堆型之一。氣冷堆的發(fā)展大致可以分為四個(gè)階段：即早期氣冷堆（Magnox）、改進(jìn)型氣冷堆（AGR）、高溫氣冷堆（HTGR）和模塊式高溫氣冷堆（MHTGR）。

　　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、棱柱型高溫氣冷堆。棱柱型高溫氣冷堆采用棱柱形燃料元件，如美國(guó)圣?符倫堡核電廠、日本HTTR試驗(yàn)堆。棱柱燃料因?yàn)橛泄潭ㄐ螤?，避免了球床燃料的?nèi)部狀態(tài)（如高溫?zé)狳c(diǎn)）難以探測(cè)、難以預(yù)測(cè)、難以控制的問(wèn)題，但棱柱燃料也有在高溫下可能變形腫脹從而堵塞流道的問(wèn)題。德國(guó)、南非和我國(guó)的高溫氣冷堆則為球床型，具有不停堆換料的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。而技術(shù)路線的選擇往往是綜合考慮下的反復(fù)權(quán)衡，兩種技術(shù)路線各有利弊。

　　中國(guó)高溫氣冷堆到底如何

　　嚴(yán)格講，核能系統(tǒng)國(guó)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(dá)到1000攝氏度。而中國(guó)高溫氣冷堆的出口溫度為750—900攝氏度（二代改進(jìn)型氣冷堆出口溫度650攝氏度）。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，清華的高溫氣冷堆（HTR）是不算四代核電反應(yīng)堆的。想必也是因此，清華和華能對(duì)外的宣傳是“世界首臺(tái)具備第四代核能系統(tǒng)安全特性的商用核電機(jī)組”——并沒(méi)有直說(shuō)這就是四代堆，意思是安全性達(dá)到了VHTR的標(biāo)準(zhǔn)，從而避開(kāi)了出口溫度的問(wèn)題。

▲60萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆核電站廠房立體剖面圖

　　本次中國(guó)的60萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆采用6個(gè)反應(yīng)堆模塊連接1臺(tái)蒸汽機(jī)輪機(jī)的設(shè)計(jì)方案，每個(gè)反應(yīng)堆模塊熱功率為250兆瓦，機(jī)組的熱功率將達(dá)到1500兆瓦，電功率可達(dá)655兆瓦，發(fā)電效率43.7%（也有資料稱是40%）。43.7%的發(fā)電效率是什么概念呢？

　　中國(guó)引進(jìn)的美國(guó)AP1000發(fā)電效率32.7%（也有資料稱是36.8%）；中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆發(fā)電效率38.2%。從中可見(jiàn)，雖然60萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆熱功率和電功率數(shù)據(jù)并非首屈一指，但考慮到提高效率的難度非常大，43.7%的效率已經(jīng)很高了。

　　而且高溫氣冷堆還有進(jìn)一步提高發(fā)電效率的潛力。根據(jù)二回路能量轉(zhuǎn)換裝置的匹配方式不同，高溫氣冷堆可以分為三種回路系統(tǒng)：蒸汽循環(huán)系統(tǒng)、氣體間接循環(huán)系統(tǒng)和氦氣直接循環(huán)系統(tǒng)。目前的60萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆方案采用的只是其中熱效率最低的蒸汽循環(huán)系統(tǒng)，后兩種循環(huán)系統(tǒng)還能進(jìn)一步提升機(jī)組熱效率。尤其是氦氣直接循環(huán)系統(tǒng)將堆芯出口的高溫一次氦氣直接送入氦氣透平發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電，是最理想的一種循環(huán)方式，能充分發(fā)揮高溫堆的高溫潛力，提高發(fā)電效率。不過(guò)，要實(shí)現(xiàn)還有很多技術(shù)難題未解決。

　　除了在發(fā)電效率上性能卓越，中國(guó)高溫氣冷堆還具有非常好的固有安全性。

　　共有四道放射性實(shí)體屏障：包覆燃料顆粒、石墨燃料元件、一回路壓力邊界和反應(yīng)堆建筑物包容體。其核島廠房不同于壓水堆的安全殼，無(wú)密封和承壓要求。

　　高溫氣冷堆的燃料元件采用包覆燃料顆粒構(gòu)成的全陶瓷型球形燃料元件，在1620攝氏度以下基本可以包容所有裂變產(chǎn)物，完全包容氣體裂變產(chǎn)物，同時(shí)還有比較完善的衰變熱非能動(dòng)載出系統(tǒng)。由于不會(huì)產(chǎn)生燃料大范圍損壞、堆芯熔化的嚴(yán)重事故情況，所以HTR不專(zhuān)門(mén)設(shè)置三代輕水堆都有的嚴(yán)重事故管理規(guī)程，甚至可以取消廠外應(yīng)急措施。

　　除了上述優(yōu)點(diǎn)，由于高溫氣冷堆的蒸汽參數(shù)與燃煤電廠一致，高溫氣冷堆核電站的常規(guī)島可以很好地利用我國(guó)現(xiàn)有成熟的火電技術(shù)和建造能力，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，并對(duì)改變中國(guó)以火力發(fā)電為主的現(xiàn)狀有積極作用。不久前，霧霾再度席卷神州大好河山，如果能以核電替代火電，那么將對(duì)降低大氣污染，減少霧霾起到一定促進(jìn)作用。此外，高溫氣冷堆還能為核能制氫、冶金、化工等領(lǐng)域提供大量的高溫工藝熱。

　　存在的不足

　　不過(guò)，高溫氣冷堆也并非什么都好。從安全性上講，由于輕水堆經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的使用，積累了上萬(wàn)堆年的機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，而高溫氣冷堆才剛剛開(kāi)始商用，除固有安全性外，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的可靠性和安全性還需要長(zhǎng)期驗(yàn)證。核電是個(gè)為了安全極端保守的行業(yè)，不確定性就是最大的缺點(diǎn)。

　　從經(jīng)濟(jì)性上講，由于高溫氣冷堆堆芯功率密度低，單堆占地面積大，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制造、回收和各種設(shè)備的制造與傳統(tǒng)核電產(chǎn)業(yè)沒(méi)有傳承要新建一套體系，因此與傳統(tǒng)核電機(jī)組比經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)并不明顯。一旦出現(xiàn)燃料小球卡住或內(nèi)部局部熱點(diǎn)等必須降功率甚至停堆的事件，經(jīng)濟(jì)性更會(huì)大打折扣。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，因陶瓷燃料球不如壓水堆燃料棒好處理而導(dǎo)致高溫氣冷堆如何除役也是個(gè)比較棘手的問(wèn)題。

　　因此，在現(xiàn)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(kāi)展直接的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的。

　　高溫氣冷堆和超高溫氣冷堆目前最好的發(fā)展方向之一是與核電反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)差異化競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)軍需要高溫工藝熱源的工業(yè)領(lǐng)域。

　　在軍用動(dòng)力方面，由于壓水堆在結(jié)構(gòu)上非常緊湊，最初就是作為軍用動(dòng)力而開(kāi)發(fā)，然后才轉(zhuǎn)為民用發(fā)電的（美國(guó)第一座核電廠Shippingport的堆芯就來(lái)自一個(gè)取消建造計(jì)劃的核動(dòng)力航母，因此采用的是U-235達(dá)93%的高富集度燃料）。而這也是中國(guó)有了自己的高溫氣冷堆后，依舊要持續(xù)發(fā)展壓水堆的重要原因之一。因此，高溫氣冷堆在很長(zhǎng)一段時(shí)間無(wú)法與壓水堆在軍用動(dòng)力領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)。不過(guò)，如果更換了石墨慢化劑并實(shí)現(xiàn)氦氣直接循環(huán)，那在未來(lái)還是有希望上艇上艦的，相關(guān)工作就不便透露了。

　　總而言之，如果高溫氣冷堆能在將來(lái)的使用和驗(yàn)證中，將理論上的安全性轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)踐中的安全性，在經(jīng)濟(jì)上就能和傳統(tǒng)成熟堆型競(jìng)爭(zhēng)，畢竟省去廠外應(yīng)急是一大筆錢(qián)。

　　而在核電領(lǐng)域，安全性和經(jīng)濟(jì)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。

　　并非一日之功

　　目前，美國(guó)、俄羅斯、日本、法國(guó)等國(guó)家都在發(fā)展高溫氣冷堆：

　　美國(guó)通用公司與俄羅斯原子能部、法國(guó)的法瑪通公司、日本富士電子公司合作，MHTGR氦透平直接循環(huán)研究；日本小型化高溫工程試驗(yàn)研究堆HTTR，高溫制氫技術(shù)；俄羅斯除了與美國(guó)共同開(kāi)發(fā)利用高溫氣冷堆燒毀軍用钚（Pu）的研究外，還有自己的GH-MHR項(xiàng)目；南非也著手研發(fā)高溫氣冷堆PBMR項(xiàng)目。

　　必須指出的是，中國(guó)高溫氣冷堆技術(shù)突破也并非一日之功，而是數(shù)十年的技術(shù)積累和對(duì)國(guó)外技術(shù)的消化吸收。

　　在國(guó)家863計(jì)劃中，清華大學(xué)在中核集團(tuán)的支持下設(shè)計(jì)建造了10兆瓦實(shí)驗(yàn)堆，2003年1月7日實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。2012年12月9日，由中核工業(yè)建承的山東石島灣高溫氣冷堆示范工程開(kāi)工建設(shè)，而本次發(fā)布的60萬(wàn)千瓦設(shè)計(jì)方案，是在山東榮成的示范工程基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。

▲山東石島灣高溫氣冷堆示范工程建成后假想圖

　　更關(guān)鍵的是，通過(guò)幾十年如一日的努力，中國(guó)完全掌握了高溫氣冷堆的關(guān)鍵技術(shù)：反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器等主設(shè)備已完全國(guó)產(chǎn)化，在陶瓷包覆顆粒球形燃料元件和電磁軸承主氦風(fēng)機(jī)等方面更是實(shí)現(xiàn)全球首創(chuàng)。2014年8月，中國(guó)成功研制高溫氣冷堆核電站示范工程的核心裝備之一主氦風(fēng)機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)——主氦風(fēng)機(jī)將氦氣加壓后作為冷卻劑，將反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)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。這臺(tái)主氦風(fēng)機(jī)問(wèn)世時(shí)在當(dāng)時(shí)國(guó)際上還沒(méi)有容量相當(dāng)、結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品。2014年9月，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高溫氣冷堆核電站示范工程燃料元件生產(chǎn)線已完成安裝，可每年可提供約30萬(wàn)個(gè)球形燃料元件。