高温气冷堆的研究现状与发展

摘要：利用高温气体进行核冷堆型是一种利用氦气和水溶液作为冷却剂，使用石墨烯和水溶液作为缓慢态物质的先进核反应堆型，由于其本身具有固定的安全性，发电效率高，建设周期短等优点，被认为是最有希望成为第四代核能系统的技术之一。本文结合实际需求，介绍高温气冷堆的研究背景，简易的从原理上分析其工作方式与特点，对比国内外对于高温气冷堆的投入与研究现状，介绍比较成功的反应堆装置，并且对高温气冷堆的发展前景做了展望。

关键词：高温气冷堆;第四代核能系统;研究现状;发展

引言

所谓核能，指的是通过核反应释放的能量。这种能量可以被人类加以利用，从而成为一种强大的能源。根据发生反应的种类不同，核能可分为裂变能和聚变能。目前，对于聚变能源的大规模开发仍未实现，然而，人类目前已经可以较为安全和高效的产生和储存裂变能。核反应通常需要在一定的容器内进行，这种容器一般被称为反应堆，随着科学理论和工程技术的不断进步，反应堆技术也在不断地更新迭代。

目前，国际上主要通行的是三代反应堆，第四代反应堆尚处在实验阶段。而高温气冷堆就是其中的典型代表。本文介绍高温气冷堆的研究背景，简单的分析其工作方式和特点，探究世界各国对于高温气冷堆的研究现状，最后剖析高温气冷堆的发展趋势。

1.研究背景

1979年，美国宾夕法尼亚州三哩岛核电厂遭遇了一起严重的堆芯熔化事件，最终造成了放射性物质的产生和泄露。该事故产生的辐射剂量并不是很大，但是这起事故对核电的发展却产生了深远的影响，反对核电的声音此起彼伏，在社会舆论的压迫下，国际核能领域对反应堆的安全性能提出了更高的要求，这使得建造核电站的安全成本大大提高，国际核电领域也因此陷入了长时间的冷寂，直到二十一世纪初能源危机以及全球变暖问题初现端倪后，各国才重新加大了对核电领域的投入。

与此同时，为了避免类似的事故再次发生，需要改进反应堆的安全性能，为此，核能界提出了"高温气冷堆"这一概念，即用高温氦气代替水作为冷却剂，对堆芯进行冷却。1956年，英国率先地开始了对高温气体反应堆技术的研究，196年英国建造了一个用于反应堆实验的"龙";1967年，美国在加州建成了"桃花谷"的高温、气冷地质学实验堆;同年，德国也在这里搭建起了一个高温空气冷堆。在试验阶段结束之后，高温气冷堆的技术发展步骤就进入了一个新的原型堆设发电站阶段，美德两个大国分别于1968年和1971年开始了建造这两座高温气冷堆电站，并且均在试验中成功地达到了一个临界状态，这两座高温气冷核电站都取得了成功，标志着当时的高温气冷堆开始进入商业化阶段。

在三哩岛核事故之后，世界对于我国的核电技术和安全性的关注和重视程度不断提高，为了更好地适应我国核电技术新形势的要求，德国西门子公司已经提出了一个全新的概念："模块式高温气冷堆"，他们所设想的这种高温气冷堆，理论上能够在任何事故下安全停机，并且使堆芯自然散热;同时在高温条件下可以实现高效率发电。综合来看，模块化的高温气冷堆无论是在安全性还是经济性方面都拥有着卓越的技术，是对新一代核电工程技术发展的希望。本文所探讨的"高温气冷堆"也主要是指模块化高温气冷堆而言。

2.基本介绍

2.1工作原理

目前世界上运行的核电站，主要是使用235U作为反应原料，利用高能中子轰击原子核，引发裂变反应。同时，为了防止反应的速度过快导致失控，需要利用中子慢化剂来减少高速中子的数量。在这个反应过程中进行同时，冷却剂会通过吸收整个堆芯的热量，再由进入蒸汽发生器后把热量送到水，随后又回到堆芯进行吸热。目前，世界上绝大多数核电站均是通过使用浓度在%～3%的低浓缩铀作为原子能的燃料，使用水或者作为原子能的冷却剂和缓冲液，这样的反应堆称之为轻水反应堆。而在高温下气冷堆中则主要是通过采用石墨烯作为缓慢性物质，氦气或氢氧化碳作为冷却剂。

2.2主要特点

2.2.1固有安全性

高温气冷堆具备良好的安全保护性能，是其可以被视为第四代核电工程技术中最具代表性的重要组成部分。所谓的固有安全性，是指即使发生了冷却系统故障，也无法给堆芯提供足够散热的效果，堆芯本身也可以直接依靠其熱辐射，热传导和自然对流的方式来排出剩余的废物，这主要得益于其在设计过程中的三个考虑：

（1）降低了堆芯的功率密度：高温气冷堆的堆芯功率密度要比压水堆低1-2个数量级，即使冷却系统停止工作，堆芯温度的上升也极为缓慢，这为散热提供了时间。

（2）减小堆芯直径：高温气冷堆的堆芯比水冷堆更加细长，增加了散热面积，提高了散热效率。

（3）使用全陶瓷对颗粒燃料元件进行包覆：由于陶瓷的耐热性很强，不易熔化，也提高了反应堆的安全性。

为了充分验证高温气冷堆的固有安全性，清华大学核能与新技术研究院于2003年4月和2004年9月在高温气冷实验堆上分别进行了一次事故仿真模拟，采用的方法和手段主要有：外部电源中断电、甩超过负荷时叠加不能紧急停堆以及由于内部氦风机中断而停机。实验结果表明，即使外部发生重大事故，甚至导致所有冷却手段全部失效，反应堆也不会发生危险。

2.2.2高效率发电

顾名思义，高温气冷堆的一个重要特点自然也就是"高温"，用作冷却剂的氦气温度一般可以控制得到700-1000摄氏度，同时通过利用压水机对反应堆进行二回路蒸汽转换循环，可以使效率提高至40%，实现了亚临界，超临界甚至超超临界发电，而一般压水堆的进出口温度只能仅有300左右，发电更高效率也远远低于高温空气冷堆。

2.2.3体积大

虽然高温气冷堆拥有以上诸多优点，但是其存在的某些问题也是不容忽视的。高温气冷堆的堆芯功率密度比普通的压水堆要低很多，但是这同时也导致了为了达到相同的输出功率，高温气冷堆的体积要比压水堆大很多，尽管其发电效率更高，但也远远抵消不了功率密度低的缺点。

3.研究现状

3.1国际研究

高温气冷堆主要分为两种：球床式高温气冷堆和棱柱式高温气冷堆。目前以中，美，日的研发水平最为先进。美国的研究工作主要由X-energy公司负责，选定的方向为球床堆，目前已经建成了热功率为约200MWt的Xe-100球床模块式高温气冷堆。日本的研发工作则主要由官方机构——日本原子能研究所负责，从上世纪九十年代就开始建造小型高温工程试验堆，该项目于1998年正式建成。

3.2国内研究

中国一向重视高温气冷堆的研究，早在1974年，我国就已经将高温气冷堆列入国家重点项目，开始了理论研究。1990年，在当时中国清华大学中国核能和新能源技术发展研究院正式批准开工建设修建了当时我国第一座10mw的大型高温热水气冷核能实验堆：htr-10，该反应堆于2000正式建成并运行。2012年，我国在福岛核事故刚刚发生不久的巨大压力下，于山东荣成石岛湾启动了建设第一座 200mw 模块式高温气冷堆核电站的示范项目，2020年12月30日，反应堆已经进入了热态试验的最后阶段——热态功能试验，这也表明在高温气冷堆技术方面，我国已走在世界前列。

4.发展趋势

由于其采用模块化的组合方式，每个模块均能承担部分功率，组合起来可以产生不同的输出功率，因此能满足不同国家的电网需求，在商业上的前景是十分乐观的。

除此之外，由于高温气冷堆出口的氦气温度极高，其在需要热量的化工领域也有十分广阔的应用前景，可以被用于生产氢，海水淡化，煤的气化等方向。事实上，高温气冷堆还有更多可能的应用没有被发掘出来，希望通过科学界不断地研究，能够利用这种神奇的技术创造更多的价值，进而造福人类！

参考文献：

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[2]葛维维：《高温气冷堆：做“走出去”的领跑者》，《中国核工业》，2018-3-10

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[8]周建永：《压水堆朗肯循环效率分析》，《科技视界》

作者简介：杨博，2002年8月出生，女，汉族，籍贯：内蒙古包头人，青岛科技大学经济与管理学院，19级在读本科生，学士学位，专业：城市管理。