核电丨高温气冷堆

来源：中国工程院院刊

高温气冷堆技术采用氦气冷却剂。石墨慢化剂及全陶瓷包覆颗粒燃料元件。反应堆出口温度可以达到700~1000℃。

最新一代的高温气冷堆称为“模块式高温气冷堆”，它是1979年三哩岛核事故后世界核能界为革命性地改进核能安全而提出的新概念。模块的意思就是在一个核电机组中可以根据需要连接多个反应堆模块。

这种反应堆的核心思想是采用热功率200~600MWt之间的比较小的反应堆模块，利用包覆颗粒燃料元件所能达到的优异耐高温性能，在不需要任何应急冷却的情况下，反应堆都能够自然散热，从而消除堆芯熔化的可能性。

安全性和高温是模块式高温气冷堆的两个重要特点。

国际上把高温气冷堆列为符合第四代先进核能系统技术要求的堆型之一。

2003年发表的《第四代核能系统路线图》把超高温气冷堆（VHTR）列为第四代核能系统6种候选技术之一。

2010年后更新的路线图报告则将VHTR更改为V/HTR（超高温气冷堆/ 高温气冷堆），并说明它包括的温度范围是700~1000℃。

1.

技术简述

模块式高温气冷堆按照堆芯结构的特点，可以分为球床堆和棱柱堆两大类型。球床堆采用球形燃料元件，利用球在反应堆堆芯中的缓慢移动实现不停堆连续换料。

我国高温气冷堆核电站示范工程（HTR-PM）球形燃料以二氧化铀为核芯，外面包覆热解碳和碳化硅层，形成0.92mm直径的包覆颗粒燃料。大约12000个包覆颗粒燃料与石墨一起被填充在1个直径60mm的燃料球中。

☝ HTR-PM球形燃料元件结构

反应堆堆芯中大约有4.2×105个燃料球，直径为3m，高为11m。堆芯周边的反射层是耐高温的石墨。冷却剂氦气从反应堆顶部流过堆芯，然后通过一个内衬保温材料的同轴双层连接结构，流到一个和反应堆肩并肩布置的蒸汽发生器。

☝ 模块式高温气冷堆的一个反应堆模块

冷却后的氦气由布置在蒸汽发生器壳顶部的氦气循环风机加压后通过同轴连接结构的外层流回反应堆，形成一个封闭的反应堆——回路循环。

新燃料元件由顶部装入堆芯，从底部卸料管卸出。卸出的燃料元件如果未达到预定的燃耗深度，则再送回堆内使用。

一个反应堆和一台蒸汽发生器构成了一个高温气冷堆反应堆模块。在中国的200MWe HTR-PM中，每个反应堆模块热功率为250MWt。HTR-PM设计有2个模块，向1台蒸汽轮机供应蒸汽，发电功率为210MWe。

3.

HTR-PM工程的考验

HTR-PM的核心设备及系统可归纳为九大设备和系统：反应堆压力容器、主氦风机、蒸汽发生器、堆内金属构件、控制棒、吸收球、燃料装卸、氦净化和乏燃料储存，其中大多数为世界首台（套）。

HTR-PM工程于2012年12月9日正式开工，核岛浇筑第一罐混凝土。2015年现场土建工程全部完成，厂房封顶，设备开始入场安装和调试。

在清华大学建成了年产1×105球的中试生产线，完成了生产设备和工艺定型。

商业规模年产3×105球的球形燃料元件商业化生产厂在内蒙古包头市中核北方核燃料元件有限公司进行建设，2013年3月开工，2016年8月开始正式生产。截至2018年年底，该生产线已完成了约6.3×105个合格燃料球的生产。

为验证球形燃料元件的制造技术和产品质量，从上述按照工业化生产工艺设备及质保要求批量生产的燃料球中，随机抽取了5个燃料球，送至荷兰佩滕（Petten）高通量堆开展了辐照试验。

辐照考验从2012年9月开始，2014年12月底结束。考验结果表明：5个球形元件中约6万个包覆燃料颗粒没有一个破损，质量达到了目前世界最好水平。

经历了辐照考验的上述燃料元件，2016年被送到德国卡尔斯鲁厄（Karlsruhe）的欧洲联合研究中心超铀研究所进行模拟事故极限温度考验。

三个辐照后的燃料球在1620℃下进行了长达150h的事故模拟加热试验。在此基础上，进一步对1号球进行了1620℃加长时间（总共450 h）的加热试验，对4号球进行了1650℃ 150h和1700℃ 150h的加热试验，对2号球进行了1700℃ 150h的加热试验和1800℃ 150h的加热试验。

在上述事故模拟加热试验中，均没有包覆燃料颗粒破损。考验结果表明：在95%的置信度下，考验结果比HTR-PM安全分析实际所采用的阈值要好一个量级，为高温气冷堆的进一步发展提供了重要的技术支撑。

4.

高温气冷堆国际化推广

2017年3月，在习近平主席与沙特阿拉伯王国国王萨勒曼共同见证下，中沙签署了《沙特高温气冷堆项目联合可行性研究合作协议》。目前，沙特高温气冷堆项目联合科研工作已经启动。

2017年11月，在印尼雅加达举办的“中国–印尼科技创新合作论坛”上，时任国务院副总理刘延东为中印尼高温气冷堆联合实验室揭牌，“中印尼高温气冷堆联合实验室”项目列入了国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项。

2018年，高温气冷堆约旦项目完成了多轮洽谈和厂址实勘。6月29日，中国核工业集团有限公司董事长王寿君与约旦原子能委员会主席图甘签署了高温气冷堆项目合作框架协议。

2018年，英国DBD公司与清华大学核能与新能源技术研究院作为共同体，成功通过国际招标入围英国商务部组织的先进模块堆AMR项目第一阶段。

5.

后续部署

我国正在启动部署后续60万千瓦级模块式高温气冷堆核电机组的研发和配套关键技术的攻关工作，以进一步推动高温气冷堆技术的产业化，保持我国在该领域的国际领先优势。

机组总体技术方案采用与HTR-PM相同的球床反应堆模块，6个模块配1台汽轮发电机组，功率规模为650 MWe；汽轮机设置抽汽接口，可抽取不同温度和压力的蒸汽用于工艺热应用。

计划在2020年前，在建成并运行20万千瓦级高温气冷堆核电站的基础上，完成60万千瓦级高温气冷堆技术方案设计分析及相应技术攻关，在“十三五”末具备首台（套）工程开工条件；在2025年前，建成首台（套）60 万千瓦级高温气冷堆。

☟ 改编原文

张作义，吴宗鑫，王大中，童节娟.我国高温气冷堆发展战略研究[J].中国工程科学,2019,21(1)：12−19.