◎ 中核集團宣傳文化中心核芯報道工作室 葛維維

▲ 石島灣高溫氣冷堆項目全景圖

12月20日，我國宣布：全球首座球床模塊式高溫氣冷堆核電站——山東榮成石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程送電成功。這座我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、世界首座具有第四代先進核能系統(tǒng)特征的球床模塊式高溫氣冷堆，進入發(fā)電的實質(zhì)階段。高溫氣冷堆技術(shù)或?qū)㈤_啟千億級產(chǎn)業(yè)。

高溫堆為何引人關(guān)注？

11月3日，我國高溫氣冷堆技術(shù)的開創(chuàng)者王大中院士獲得2020年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎，標志著國家對該項技術(shù)的高度認可。與此同時，在10月份召開的中國核學(xué)會年會上，首個以堆型命名的分會——高溫堆分會也正式掛牌成立。

高溫氣冷堆之所以如此引人關(guān)注，主要得益于它“過硬”的本領(lǐng)，即固有安全性高、高溫多用途、模塊化。

1.固有安全性高

▲ 高溫氣冷堆燃料元件生產(chǎn)線現(xiàn)場

高溫氣冷堆被稱為“不會熔毀的反應(yīng)堆”。它的核燃料元件是耐高溫全陶瓷包覆顆粒球形核燃料元件，也可以叫做燃料球。在石島灣高溫氣冷堆示范電站，燃料球直徑6厘米，最外層是石墨層，里面是彌散在基體石墨粉中的大約12000個四層全陶瓷材料包覆的、直徑約0.9毫米的核燃料顆粒。實驗表明，這種燃料球在1620℃高溫條件下，仍能夠保持完好并有效地阻擋放射性的泄漏。而且，由于良好的溫度負反饋性，即便遇到極限事故，反應(yīng)堆的堆內(nèi)溫度也不可能達到1620℃的高溫限值。

2.高溫多用途

相較于壓水堆主蒸汽溫度284℃、壓力6.8MPa，高溫氣冷堆主蒸汽品質(zhì)更高，其溫度為571℃，壓力為14.1MPa。經(jīng)過蒸汽轉(zhuǎn)換設(shè)備可以提供該溫度壓力以下各種參數(shù)的工藝蒸汽，因此除了常規(guī)發(fā)電外，高溫氣冷堆還可應(yīng)用于石油精煉、稠油熱采、頁巖油提煉、合成氨及化肥生產(chǎn)、乙烯和甲醇合成、海水淡化、煤化工以及制氫等諸多領(lǐng)域中，市場前景廣闊。

3.模塊化

高溫氣冷堆采用模塊化設(shè)計，示范工程采用兩堆帶一機，發(fā)電功率20萬千瓦。在后續(xù)推廣中，通過多模塊靈活組合的方式，可建設(shè)20萬、40萬、60萬、80萬、100萬等系列裝機容量的核電機組以適應(yīng)不同地區(qū)用戶的需求。

高溫堆的產(chǎn)業(yè)發(fā)展可能性

1.與石化耦合

高溫氣冷堆一回路冷卻劑氦氣出口溫度高達750℃，可用于提供300℃～700℃的工業(yè)蒸汽。且其規(guī)劃限制區(qū)半徑僅為1000米，可貼近廠區(qū)建設(shè)，從而減小蒸汽輸送過程中的熱損失。

此外，基于高溫氣冷堆的高溫多用途，可同時滿足工業(yè)園區(qū)對電力、海水淡化、綠氫的需求，成為石化園區(qū)的綜合動力島。

舉例來說，一個大型石化基地建設(shè)1～5臺60萬千瓦的高溫氣冷堆供汽機組能夠滿足石化基地大部分現(xiàn)狀和規(guī)劃的大型項目蒸汽需求，以及部分電力需求，具有比較好的市場競爭力。

2.稠油熱采

稠油也被稱之為高粘度原油。我國油氣資源當中，稠油資源是重要組成部分，國內(nèi)有著豐富的稠油儲量，但開采面臨著很大的困難。

高溫堆的主蒸汽可滿足稠油熱采蒸汽不同壓力和溫度蒸汽需求，并且可根據(jù)用戶需要進行參數(shù)調(diào)節(jié)。

在碳減排背景下，高溫氣冷堆可以逐步改變原來以石化燃料供熱為主的狀態(tài)。隨著原油供應(yīng)日漸短缺和國際油價的上漲，連續(xù)穩(wěn)定開采稠油將日趨緊迫，這將為高溫氣冷堆助力稠油熱采提供廣闊市場機遇。

3.火電原址復(fù)用

高溫堆的蒸汽參數(shù)與常規(guī)火電超高壓機組參數(shù)基本相當，其汽輪發(fā)電機組的規(guī)格和系列與火電廠非常接近，可以很好地利用現(xiàn)有火電廠汽輪機組。

▲ 60萬千瓦級高溫氣冷堆示意圖

據(jù)初步估算，按年利用7000小時計算，2臺60萬千瓦高溫氣冷堆機組替代超潔凈排放煤電機組，每年可減少燃煤使用（標煤）約280萬噸，減少煙塵約132噸，二氧化硫約960噸，氮氧化物約1320噸，可明顯改善環(huán)境質(zhì)量，促進節(jié)能環(huán)保，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

4.核能制氫

高溫氣冷堆技術(shù)可實現(xiàn)大規(guī)模、工業(yè)化制取綠氫。高溫氣冷堆具有堆芯出口溫度高的優(yōu)勢，其高溫高壓的特點與適合大規(guī)模制氫的熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫工藝十分匹配。

目前高溫氣冷堆制氫分為兩步走方案：高溫氣冷堆耦合生物質(zhì)制氫、熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫。熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫是高溫氣冷堆制氫的最終解決方案，其以高溫氣冷堆為熱源，以水為原料，可完全消除制氫過程的碳排放。