世界最先進的第四代核反應堆:10兆瓦氦氣氣冷堆
2011-11-16 22:49:21
2005年6月，一個越洋長途電話打到了清華大學核能與新能源技術研究院（下稱核研院）。美國《紐約時報》記者向核研院院長張作義了解10兆瓦高溫氣冷實驗堆的建設和運行情況，并就未來核電站的發展問題進行了采訪。這個引起美國媒體關注的試驗堆就是國家“863計劃”項目：10兆瓦高溫氣冷實驗堆氦氣透平發電項目。
可能有不少人覺得，一個中國的科研項目被外國記者采訪并不是什么新鮮事。但核研院的高溫氣冷堆被美國媒體關注卻有其特殊的意義。首先，美國核專家認為清華的高溫氣冷堆發電裝置是目前世界上最安全的核電裝置，美國人稱“這種安全的反應堆是一個真實的神話”；其次，在石油、天然氣日益緊缺的今天，用氫做燃料被科學家們普遍看好，只不過制氫所需要的巨大能量使其成本太高，而清華的高溫氣冷堆能以很低的成本提供相對巨大的能量，從而大幅度降低制氫的成本。僅此兩點就不難理解為什么美國人對這個中國的“863計劃”項目如此關心了。可實現商業化運行的第四代核能系統。
模塊化高溫氣冷核反應堆是一種安全性好、可用于高效發電和高溫供熱的先進核反應堆，它是國際核能領域第四代核能系統中六種備選堆型之一，并且是唯一可在2020年前實現商業化運行的第四代核能系統。核研院建成了世界上第一個模塊化高溫氣冷堆實驗電站，在這一高科技領域，我國已經走在了世界前列。
核研院承擔的10兆瓦高溫氣冷實驗堆是國家“863計劃”能源領域重點攻關項目之一。其研究目標是：掌握模塊化高溫氣冷堆的設計和建造技術并積累運行經驗；進行模塊化高溫氣冷堆固有安全特性的實驗研究；開展蒸汽透平循環發電、氦氣透平直接循環發電研究；進行高溫工藝熱應用研究。
10兆瓦高溫氣冷實驗堆項目計劃分兩個階段進行：“高溫氣冷堆蒸汽透平發電系統”（一期工程），“高溫氣冷堆氦氣透平發電系統”（二期工程）。
一期工程達到滿功率運行并網發電
10兆瓦高溫氣冷實驗堆項目的“一期工程”于1992年被“863計劃”正式立項，1995年動工建造，2000年12月達到首次臨界，反應堆設計熱功率10兆瓦。一期工程采用具有兩個熱力循環回路的蒸汽透平發電系統：一回路為氦氣循環，二回路為水/水蒸氣循環，兩個循環回路由蒸汽發生器耦合在一起。一回路氦氣循環包括反應堆堆芯、熱氣導管、蒸汽發生器、氦風機等部件；核燃料的裂變能被石墨慢化劑轉化為熱能，循環冷卻劑氦氣將熱能載出反應堆，經過熱氣導管流向蒸汽發生器，氦氣通過蒸汽發生器將熱能傳輸給二回路中的水/水蒸氣，經過氦風機提供循環動力，流入反應堆堆芯繼續循環；反應標明中文堆堆芯入口氦氣溫度為250℃ ，出口氦氣溫度為700℃ ，循環壓力為3.0 兆帕（MPa標明中文）。二回路水/水蒸氣循環包括蒸汽透平、蒸汽冷凝器、循環水泵、蒸汽發生器等部件；流經蒸汽發生器的水吸收氦氣側傳遞的熱量被蒸發，進入蒸汽透平膨脹做功帶動發電機發電，從蒸汽透平出來的乏蒸汽被冷凝器凝結為水，經過循環水泵加壓，進入蒸汽發生器進行循環；二回路設計壓力為3.45 兆帕（MPa **）、透平入口蒸汽溫度為435℃ ，發電機功率約為2.5 兆瓦（MWe標明中文）。
一期工程于2003年1月達到滿功率運行并網發電。這是世界上第一座模塊化高溫氣冷堆實驗電站，它的建成引起國內外核能領域強烈反響：國內，該項目在十屆人大政府工作報告中被列為四項重大科技成就之一，并獲2004年度教育部科技進步一等獎；國際上，包括國際原子能機構、美國能源部及其它多國能源管理當局在內的國際核能領域官員和專家絡繹不絕地到我國參觀10兆瓦高溫氣冷實驗堆。鑒于我國在模塊化高溫氣冷堆方面取得的成就，國際上包括美國通用原子能公司、俄羅斯OKBM研究院、韓國原子能研究院、南非Eskom公司等多家國際核能領域研究機構和能源公司主動提出與核研院合作進行高溫氣冷堆電站的研究與開發。
二期工程已取得階段性成果
在10兆瓦高溫氣冷實驗堆一期工程蒸汽透平發電系統實驗電站設計建造并成功運行的基礎上，國家繼續對高溫氣冷堆技術的研究與發展給予支持。核研院適時提出10兆瓦高溫氣冷實驗堆后續研究項目（二期工程）：高溫氣冷堆氦氣透平發電系統，被批準作為“十五”期間能源領域重點攻關項目納入“863計劃”，并于2003年與科技部簽訂“863計劃”課題任務合同書。該項目包括兩大研究領域：
1、10兆瓦高溫氣冷實驗堆運行考驗和固有安全實驗；
2、10兆瓦高溫氣冷堆直接氦氣循環發電裝置。
在10兆瓦高溫氣冷實驗堆一期工程蒸汽透平發電系統滿功率運行并網發電的基礎上，核研院完成了一系列運行特性研究和固有安全性驗證實驗：包括15項運行特性研究和8項固有安全特性驗證實驗。
核研院的這一實驗展示了模塊式高溫氣冷堆的一個最重要特性：在任何事故情況下，包括喪失所有冷卻的情況下，不采取任何人為的和機器的干預，反應堆能保持安全狀態。我國已經掌握核電站的最新一代技術。
美國麻省理工學院教授、美國核學會前任主席克達克先生對清華核研院的這一安全演示給予極高的評價：中國這個滿功率運行的球床模塊式實驗反應堆是目前世界上唯一的一座，它的技術及安全水平已走在了世界的前列，美國希望從這個實驗堆中學到更多的東西。
10兆瓦高溫氣冷堆直接氦氣循環發電裝置是世界上第一個將模塊化高溫氣冷堆與氣體透平直接循環相結合的試驗裝置。經過兩年多的努力，項目在幾個關鍵技術上已經取得重大突破和進展：
1）完成能量轉換單元熱力循環方案優化；
2）攻克了氦氣透平壓氣機組技術難關；
3）破解了電磁軸承技術難題；
4）解決了立式工作潤滑油密封和變工作壓力油站供油兩個氦氣氛圍立式高速齒輪減速器的技術難題。
高溫氣冷堆氦氣透平直接循環發電是高溫堆發展的方向，它的技術特點是：系統簡單，只有一個熱力回路；發電效率高，商用堆的發電效率可達47%左右，加上模塊式高溫堆的固有安全性特點，使之成為非常有競爭力的新堆型。但它也存在著一系列的技術難點和挑戰，例如：氦氣輪機與反應堆耦合技術、氦氣透平的研制、高效緊湊式換熱器的研制、電磁軸承系統研制、高壓動力貫穿件等，都是各所屬學術領域前沿課題。許多國家投入相當的人力物力進行研究開發，但都停留在研究設計階段，只有我國的“10兆瓦高溫氣冷實驗堆氦氣透平發電系統”項目順利進入實施階段。清華大學核研院有能力、有信心按期建成世界上第一座模塊化高溫氣冷堆氦氣透平發電系統實驗電站，保持我國在這一高技術領域處于國際領先水平，在國際能源領域新一輪競爭中搶占制高點，早日實現產業化，為我國核能事業作出重大貢獻。
新華網北京07年２月２８日電（記者吳晶晶）１０兆瓦高溫氣冷實驗反應堆項目在２７日舉行的國家科技獎勵大會上獲得了國家科技進步一等獎。這個反應堆的建造，使我國掌握了模塊式球床高溫氣冷堆的核心技術、設計技術和系統集成技術，在第四代核反應堆技術中占得先機。 １０兆瓦高溫氣冷實驗反應堆是國家８６３計劃的重點項目，從研究設計到建成歷時１７年，總投資為２．７５億元，工程包括了反應堆、蒸汽發電等３４個系統。 為了促進核能更大規模的發展，近幾年來美國能源部和國際核能專家提出了第四代核能系統的理念，其主要特征是具有更好的經濟性和安全性，核廢物產生量最小化，核資源更有效利用，以及防止核擴散。 有關專家認為，模塊式高溫氣冷堆具有第四代核反應堆特性，是能夠適應未來能源市場需要的先進堆型。除了安全性好，效率高，它還可以提供９００攝氏度 以上的高溫熱源，除了高效發電外，還可以用于水熱裂解制氫，為未來氫能時代提供清潔能源。
據介紹，１０兆瓦高溫氣冷實驗反應堆項目取得了六項創新成果，包括：成功建成世界上首座具有固有安全特性的模塊式球床高溫氣冷堆；世界上首次在反應堆上成功完成嚴重事故工況下固有安全性驗證實驗；建成球形燃料元件生產線，制備出國際先進水平的包覆顆粒燃料元件；發明脈沖氣動排球裝置，攻克球床堆關鍵技術，實現燃料元件連續裝卸；在國內率先研制成功反應堆全數字化保護系統，并成功用于反應堆運行；自主研制成功主氦風機，攻克關鍵的氦技術。 鑒于高溫氣冷堆具有良好的發展前景，中國華能集團公司、中國核工業建設集團公司和清華大學將合作建造一座２０萬千瓦級模塊式球床高溫氣冷堆示范電站，廠址選擇在山東榮成。 高溫氣冷反應堆的工作原理: 工作原理是：用石墨做為慢化劑，用氣體氦作為冷卻劑（這就是“氣冷”），氦氣的溫度高達800度左右（這就是“高溫”） 具體過程是：當反應堆內的核燃料進行核反應時，放出中子，速度太快的中子經過石墨碰撞便慢下來（因為在此堆里只有慢中子才能與鈾燃料發生有效反應），以維持核反應。核反應時要釋放出大量的熱量，如果不把熱量帶走，就會燒毀反應堆，所以用氣體（氦）流經堆芯，把熱量帶到熱交換器，再由另一路冷卻劑把氦氣冷卻，降溫后的氦氣又回到堆芯繼續冷卻反應堆，形成閉式循環回路.
經國家發改委批準，清華大學與中國華能集團、中國核工業建設集團正共同推進高溫氣冷堆的產業化工作，計劃在２０１０年左右建成世界上第一座高溫氣冷堆示范電站。 記者近日從清華大學核能與新能源技術研究院了解到，該院承擔的１０兆瓦高溫氣冷實驗堆一期工程于２０００年１２月建成，并于２００３年１月滿功率運行并網發電，這是世界上第一座模塊化高溫氣冷堆實驗電站，標志著中國在新型核能技術領域處于世界領先地位。 據介紹，模塊化高溫氣冷核反應堆是一種安全性好、可用于高效發電和高溫供熱的先進核反應堆，它是國際核能領域第四代核能系統中六種備選堆型之一，并且是唯一可在２０２０年前實現商業化運行的第四代核能系統。
據了解，核能作為一種清潔能源，既不排放溫室氣體，又不污染環境，是解決未來幾十年中國經濟增長對能源需求高速增長的有效途徑之一。中國在2代、3代堆技術上落后于法國、美國、俄羅斯等國家，但4代堆技術卻走在世界前面. 4代產業化還要十年時間.所以如果產業化之后，氣冷堆對氦氣的供應環節還是非常重要的，面對目前全球氦氣資源緊缺的局勢，應該著手未來的氦氣資源規劃問題。
