中美高溫氣冷堆的發展

一、高溫氣冷堆的發展 

   1999年6月美國能源部首次提出第四代核能發電概念，把上世紀50~60年代建設的核電站稱為第1代，70~80年代建設的核電站稱為第2代，90年代開發的先進反應堆稱為第3代，而對第4代核電的要求是有更高的經濟性及安全性，更少的廢棄物產量並提高防止核擴散能力，2002年9月20日在日本東京召開第四代反應器國際研討會上公布了6種第四代反應器的設計，高溫氣冷堆(HTGR)就是其中一種。高溫氣冷堆具有本質安全、模塊化設計與建造和多用途等特性，被認為是最有前途的第四代反應堆。高溫氣冷堆可以替代除役的燃煤火力電廠，在核安全要求日益提升的背景下，高溫氣冷堆的技術優勢逐步顯現。高溫氣冷反應堆使用氦氣作冷卻劑，石墨作中子慢化劑及全陶瓷塗層顆粒燃料元件，反應器出口溫度為 700~1000 °C。為了提高安全性，HTGR用較小的反應堆作為模塊，每個模塊的功率範圍為200~600 MWt，並通過使用塗層顆粒燃料元件建立耐高溫能力。因此，即使在沒有緊急冷卻的情況下，堆芯中的熱量也可以自然地從反應堆中排出，這種出色的安全性是 HTGR的最重要特徵。高溫運轉不僅發電效率高，且有利於熱電聯產 (CHP) 發電。HTGR的高溫可用來製氫，氫氣是重要的清潔能源是許多工業應用的原料，氫燃料電池可作為交通工具動力。 

   氣冷反應堆包括早期氣冷堆（Magnox）、進步氣冷堆(AGR)、高溫氣冷堆及模塊化高溫氣冷堆。目前，模塊化HTGR家族有球床反應堆和棱柱反應堆二種。球床反應堆使用稱為卵石的球形燃料元件。鵝卵石堆積起來形成一個床，作為反應堆的核心。與棱柱反應堆的固定堆芯不同，卵石床堆芯在運行過程中隨著卵石不斷地從頂部移動到底部，以非常慢的速度“流動”。當鵝卵石到達出口時，會檢查它們是否燃盡。燃耗不足的卵石被送回繼續下一個循環，而燃耗良好的卵石則作為乏燃料處理，在不停機狀態下也可更換鈾燃料，有利提升發電效率並使反應堆功率和燃耗分佈更均勻。球床反應器技術最早在德國研發，包括建設15 MWe AVR 實驗反應堆和 300 MWe THTR 工業示範反應堆。2000 年，在中國 863 計劃的支持下，HTR-10 高溫氣冷實驗堆在清華大學投入運行。HTR-10 現在是世界上第一個採用並排配置的球床模塊化 HTGR 實驗反應堆。棱柱反應堆主要在美國和日本開發。美國建造了桃底實驗堆和聖弗蘭堡工業示範堆，日本建造了高溫工程試驗堆（HTTR）。棱柱和球床反應堆在燃料元件的外觀上有很大不同，但基本技術（即全陶瓷塗層顆粒燃料、氦冷卻劑和石墨慢化劑）是相同的。優異的固有安全性是模塊化高溫氣冷氣堆的特點，國際認可高溫氣冷堆可以滿足第四代核電站的要求。球床式HTGR 最早是在 1960 年代至 1990 年代在德國進行研發，中國在清華大學建造了一座 10 MWt 實驗反應堆 (HTR-10)，再依此設計經驗在山東石島灣建設首個模塊化 HTGR示範堆(HTR-PM)。許多研究人員一致認為，高溫氣冷堆有能力滿足不同國家的需求，尤其是缺乏常規能源的內陸國家。 

二、經合組織認為第四代高溫氣冷堆是減碳必需 

   經合組織核能機構(OECD/NEA)在2022年6月16日發布「高溫氣冷堆與工藝熱應用」報告，提出了推動高溫氣冷堆熱應用的建議。工業部門由於生產時會排放大量二氧化碳，其碳排放量佔全球能源相關碳排放量的四分之一，對氣候變遷影響很大。而目前工業需要的高溫度僅能依靠化石燃料供應，其他低碳技術能源均缺乏經濟競爭力。高溫氣冷堆被認為是一種可用於大規模取代化石燃料滿足工業部門高溫工藝熱需求的極有前景的技術。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。相對於堆芯出口溫度約為320℃的傳統壓水堆，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750～950℃。更高的堆芯出口溫度不僅有利於提高發電的能量轉換效率，還可為工業部門直接提供高溫需求。隨著材料技術的進步，未來還能研發出堆芯出口溫度超過950℃的反應堆。研究證明，高溫氣冷堆在三個方面擁有很強的安全性，第一是球形燃料丸的非能動安全特性，包覆顆粒燃料（TRISO）構成的“全陶瓷型”球形燃料元件，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導熱能力，氦冷卻劑具有化學惰性。在這些特性的共同作用下，高溫氣冷堆在事故工況下，能夠不借助外部冷卻設備自然可將熱量移除至外部環境。第二是在事故緊急應變時降低對操控員的依賴，由於堆芯的低功率密度和石墨堆芯結構件的高熱容量，高溫氣冷堆堆芯溫度在事故發生後的上升速度緩慢，為操縱員採取相應行動預留了較長時間，通常為幾天或一周。第三是核燃料對放射性核素的穩固包封：TRISO燃料具有很強的耐高溫能力，能夠在1600～1800℃的高溫下包封裂變產物。可以對反應堆堆芯進行專門設計，使堆芯最高事故溫度不會超過燃料最高可承受溫度，進而使反應堆不會發生燃料熔毀事故。上述安全特性已在多座反應堆的試驗和示範中得到證實。 

   使用高溫氣冷堆滿足工業部門的能源需求且能夠帶來五點益處，一是幫助降低碳排放：核能是目前可供使用的全生命週期碳排放量最低的能源技術之一;使用高溫氣冷堆為工業部門提供能源，能夠大幅減少化石燃料的使用，進而降低碳排放。二是提供高溫能以商業規模廣泛滿足工業部門的能源需求。三是保障能源供應的可靠性和靈活性：與傳統核電廠一樣，高溫氣冷堆不僅能夠長時間穩定運行，還能夠根據外部能源需求調整運行功率。如果進行專門設計，高溫氣冷堆能提供三種產品，即熱量、電力和儲能產品，並能夠在運行期間靈活地在這三種產品之間進行切換。四是確保供應安全性：雖然從鈾礦生產天然鈾，並製成鈾-235豐度超過5%的濃縮鈾燃料需要建設相應的基礎設施，但是目前全球有充足的鈾資源可供使用;鑑於鈾的供應相對穩定且燃料費用在總運行成本中所佔比例相對較低，高溫氣冷堆的運行成本相對穩定，不易受國際局勢的影響，有助於其持續穩定運行。五是部署靈活：高溫氣冷堆佔地面積遠小於傳統核電廠，且不需要使用水作為冷卻劑，對廠址的要求相對較低，可以在更廣泛的地區部署。使用高溫氣冷堆滿足工業部門能源需求，除了需要繼續推進高溫氣冷堆的技術研發，使其儘早實現商業化之外，國際能源署認為需要在下述五個方面開展工作。一是就高溫氣冷堆與相關工業流程的配套運行展開針對性研究和示範。二是與各行業人員和廣泛的干係人進行溝通和合作。三是製定和協調相關監管程序。四是適時建立高豐度低濃鈾(即鈾-235豐度在5%～20%之間的濃縮鈾)燃料供應鏈。五是政府應致力於實施碳減排政策並提供可預測且有效的激勵方案。           

三、中國大陸高溫氣冷堆發展 

  在中國“863”國家計劃支持下，清華大學10MW高溫氣冷實驗堆(HTR－10)於1995年6月14日正式動工，2000年12月順利建成並達到臨界，2003年1月7日並網發電，成為世界第一座投入運行的模塊式球床高溫氣冷實驗堆。通過高溫氣冷實驗堆(HTR－10)的設計、建造、臨界運行和並網發電，中國掌握了高溫氣冷堆燃料元件製造、燃料元件裝卸系統和數字化控制保護系統等核心技術，同時形成了這種新型反應堆研發、設計、加工、建造的技術集成系統，並累積了許多寶貴經驗。高溫氣冷堆有六大優點(1)讓中國擁有自主先進核電知識產權。(2)具有本質安全性和非能動安全性，即使喪失爐心冷卻系統也能安全停機。(3) 採用球形燃料元件，不用大修停機更換鈾燃料，機組可用率高。(4)系統簡單，發電效率可達40%以上。(5) 堆芯出口氦氣溫度可達700-950攝氏度，除發電，還可廣泛應用於製氫等領域。(6)模塊化設計，節省工期成本的優點。高溫氣冷堆採用包覆顆粒燃料（TRISO）構成的“全陶瓷型”球形燃料元件，它具有在不高於1620℃的高溫下阻留放射性裂變產物釋放的能力。採用單區球床堆芯設計，球形燃料元件自上向下流動。堆芯設計保證在任何運行工況和事故情況下，燃料元件最高溫度不超過其安全限值1620℃。反應堆堆芯周圍全部由石墨和碳磚材料構成，該區域內沒有金屬部件，使堆芯結構部件能承受高溫。反應堆堆芯和蒸汽發生器分別設置在兩個殼體內，並由熱氣導管殼體相連接，構成一迴路壓力邊界。三個殼體組成的壓力邊界均通以冷氦氣進行冷卻，使殼體不承受高溫。反應堆壓力容器、蒸汽發生器殼體和連接二者的熱氣導管殼體，均包容在混凝土結構的一迴路艙室內，一迴路艙室具有“包容性”功能，是阻止放射性釋放的第三道安全屏障。 

    由於高溫氣冷堆安全性高，功率較小，適合許多開發中國家使用，未來商機很大。在清華大學HTR－10高溫氣冷堆基礎下，2008 年 2 月，中國批准了 200 MWe HTR-PM 示範工廠作為其國家重大科技項目的一部分。該先導項目於2012年12月開始建設，由中國華能（持有該示範項目 47.5% 的股份）以及中國核工業集團公司 (CNNC) 的子公司中國核工程集團公司 (CNEC, 32.5%) 牽頭，以及清華大學核能與新能源技術研究院（20%）。清華和中國核電的合資企業 Chinergy 擔任核島的工程、採購和建設承包商。該示範項目是由大學實驗室到發電工程應用的飛躍發展。中國石島灣高溫氣冷反應堆球床模塊 (HTR-PM) 的燃料裝載於 2021年春季開始，涉及將 870,000 個球形 TRISO 燃料元件放入兩個小型反應堆中，這些反應堆將驅動單個 210- MWe 渦輪機。2021年8月21日，歷經長達十年的施工，位於山東省石島灣的全球首座球床模塊式高溫氣冷堆核電示範工程首堆正式開始裝燃料，實現全球第四代核電技術引領邁出關鍵一步。2021年12月20日，中國備受關注的高溫氣冷模塊球床 (HTR-PM)示範核電站的兩台機組中的第一台成功並網。這一成就標誌著第四代先進核技術的一個重要里程碑。2022年12月9日，國家科技重大專項華能石島灣高溫氣冷堆示範工程反應堆達到初始滿功率，兩台 HTR-PM 將驅動單個210 MWe 汽輪機，實現兩堆帶一機模式穩定運行。初始滿功率是指燃料裝載狀態下達到的額定運行功率，這一運行狀態驗證了示範工程所有系統滿足設計功能，為工程投產運行奠定了基礎。華能石島灣高溫氣冷堆示範工程是全球首座球床模塊式高溫氣冷堆，也是中國具有自主知識產權的第四代核電項目。中國華能集團聯合清華大學及中核集團等單位開展科技攻關，實現雙堆初始滿功率運行目標，檢驗了高溫氣冷堆“兩堆帶一機”模式下運行控制能力，為商業化運行打下基礎。中國在高溫氣冷氣系統的研發上處於世界領先地位，預計2030年前，中國將實現高溫氣冷堆氦汽輪機發電循環和高溫氣冷氣核制氫工程應用。 

四、美國高溫氣冷堆的發展

   X-energy公司位於美國首都馬里蘭州羅克維爾郊外，該公司研發的高溫氣冷堆Xe-100與中國的HTR-PM原理一樣，構造也類似，但Xe-100冷卻爐心的氦氣送至蒸汽產生器再將高溫蒸汽送至汽輪機發電，而HTR-PM則是將冷卻爐心的氦氣直接送去推動轉子發電。兩種反應堆的功率不同，美國的尺寸及重量較小。球床式高溫氣冷堆的爐心不會熔化。Xe-100 是一種先進的模塊化反應堆，每個單元設計用於產生約76MW的電力。反應堆堆芯由石墨製成，填充有 15.5% 的濃縮燃料球。每個鵝卵石燃料丸包含數千個經過特殊塗層的三結構各向同性 (TRISO) 鈾燃料顆粒，這些顆粒幾乎堅不可摧。TRISO 塗層在鈾核周圍形成氣密密封。這有助於保留在操作過程中產生的裂變產物和氣體，並允許在距離工廠或市區 500 米的範圍內建造該工廠，因此緊急計畫區很小，發電站用地小。新鮮的鵝卵石連續裝入反應器內，氦氣通過鵝卵石床向下泵送，將熱量提取到產生電力的蒸汽發生器中。反應堆通過每天在頂部添加新鮮的鵝卵石來不斷補充燃料，因為舊的鵝卵石從核心底部排出。每顆鵝卵石在堆芯中停留三年多一點，並在堆芯中循環多達六次以實現完全燃燒。然後將乏燃料直接放入乾燥桶中並就地儲存——無需臨時或主動冷卻。Xe-100 設計用於在高溫下運行以更高效地發電，高溫氦氣還可用於目前依賴化石燃料的能源密集型工藝，例如製氫和石油精煉。這種反應堆概念還可以設計成在氦冷卻劑損失的情況下通過自然傳導、熱輻射和對流進行被動冷卻——這意味著它不必依賴大型本地水源、泵或安全系統來防止燃油損壞。優點有能夠負載跟隨可再生能源在使電網保持穩定負載。可持續添加鈾燃料和現場燃料儲存，提供高可用性 (93-95%)，同時確保電廠彈性。建設時間短（300 MWe 電廠只需2.5~4年）。通過美國能源部的先進反應堆示範計劃， X-energy 獲得了 8000 萬美元的初始資金，用於在未來七年內示範一個四單元、320 MWe 的工廠。該公司的目標是到 2021 年完成其基本設計，並已在橡樹嶺國家實驗室現場的試點規模燃料設施中使用天然鈾成功製造了第一批燃料卵石。它是目前唯一一家積極生產 TRISO 燃料的美國公司，並獲得了美國能源部的額外援助，以設計商業規模的“TRISO-X”燃料製造設施，並在2021 年年中之前為該設施提交核管理委員會許可申請。該公司計劃在 2020 年代中期完成 TRISO-X 設施建設。X-energy公司成立於 2009 年，與美國的傳統技術選擇相比，Xenergy 致力於開發利用“本質安全且抗擴散的 TRISO 燃料”的球床式高溫氣冷堆。 

    美國X-energy公司與英國卡文迪許核能公司發布聯合聲明稱，擬在英國高溫氣冷堆部署項目中展開合作。卡文迪許核能公司將為英國大堆、小型堆（SMR）和先進堆（AMR）項目開發提供支持，其中包括主要用於工業供熱和製氫的高溫氣冷堆項目。X-energy公司研發的Xe-100堆型是獲得美國先進堆發展計劃支持的兩種小型堆設計之一，該公司計劃最早於2027年在華盛頓州建設一座包含4台機組的Xe-100電廠。此外，加拿大安大略發電公司也選擇其為潛在技術，並擬於2028年實現Xe-100機組投運。2021年12月，英國能源大臣格雷格·漢茲宣布選定高溫氣冷堆作為先進堆研發和示範項目的首選技術，並最遲在本世紀30年代初實現1台示範機組投運。美國能源部撥款4000萬美元，以完成高溫氣冷反應堆的基本設計，據稱這有助於為 X-energy 的數十億美元鋪平道路。X-energy 目前正向美國核管會 (NRC) 申請反應堆設計許可。該公司的 TRISO-X 子公司於 4 月在橡樹嶺的 Horizon Center 工業園區選址建造燃料製造廠，預計最快在 2025 年進行調試和啟動。它計劃向 NRC 提交反應堆建造許可申請到 2023 年底，計劃在華盛頓州的一個地點建造四單元 Xe-100 核電站的第一個反應堆，到 2028 年投入運營。