记者日前在探访我国自主研发建设的全球首座球床模块式高温气冷堆商用示范电站时了解到，截至目前，该项目工程设计与土建工作已基本完成，工程处于安装、调试关键时期，计划于2019年底前后建成。
高温气冷堆被国际核能界认定为最具发展潜力的先进堆型之一，美国、日本、南非、印度尼西亚等国近年来均开展了该领域的研究，但尚未有工程项目落地实施。2003年，中核集团与清华大学联合组建了产业化平台公司——中核能源，成为实现高温气冷堆自主创新、成果转化的产学研结合的创新主体。
安全性有保障
燃料是高温气冷堆技术发展的基础。该堆使用全陶瓷型包覆颗粒球形燃料元件，每个直径60mm的燃料球中分散着12000个包覆燃料颗粒，每个颗粒在发生核裂变反应的UO2核心之外，包覆着疏松热解碳层、内致密热解碳层、热解碳化硅（SiC）层和外致密热解碳层，反应产生的放射性裂变产物被包覆层阻留。
“实验结果表明，在温度超过2000摄氏度之后，燃料颗粒的SiC包覆层才开始发生化学分解。”中核能源科技有限公司总工程师陈景介绍，“反应堆正常运行时燃料的平均温度约为700摄氏度，最高温度达到900摄氏度，在任何事故工况下，燃料元件的最高温度都不超过1620℃，远低于燃料可承受的最大温度，保证燃料颗粒不会因高温发生破损，从而避免了堆芯熔化和核泄漏。”
承载燃料元件的反应堆芯材料均由石墨和碳砖构成，而石墨的熔点超过3000摄氏度，耐高温能力强。作为冷却剂的氦气是惰性气体，同样耐高温，且不与其他材料发生反应，在主氦风机的推动下在压力容器与蒸汽发生器间流转，将反应堆产生的热量传递到二回路进行发电。
“250摄氏度的氦气从堆芯顶部进入，经过燃料被加热到750摄氏度，流向蒸发器后再次降温到250摄氏度。”陈景解释，“示范工程的冷却剂流动具有如下特点：氦气经堆芯加热后，高温的氦气只流经耐高温的陶瓷堆内构件和使用高温的蒸汽发生器，经冷却后的氦气再流经主氦风机、压力容器边界、堆内金属构件和陶瓷堆内构件的外围，然后再流经堆芯，形成闭环回路。这样的流道布置允许采用常规的金属材料和耐高温的陶瓷材料构成的反应堆产生高温输出。”
无干预可自行停堆
除燃料元件外，高温气冷堆的固有安全性还体现在自行停堆上。
陈景介绍，由于高温气冷堆具有负反应性温度系数，且温度裕度很大，随着温度升高，反应速度会下降。“反应堆正常运行最高温度900摄氏度，而温度最高限值为1620摄氏度，足够的温度裕度使得反应堆温度可以在达到限值前下降，并最终自动停堆，就像惯性冲上斜坡的汽车，只要坡足够长，汽车就可以停下来。”
余热及时导出也是防止反应堆温度过高的重要环节。而高温气冷堆的功率密度是压水堆的1/30，单位体积发出的热量大大降低，停堆后需要“对付”的余热也明显减少。此外，由于堆芯由超过380吨的石墨和碳砖构成，比热容大，堆芯整体升温缓慢，瘦长型的压力容器也有利于向周围环境自然散热。
“我们曾经做过实验，在停止冷却剂供应、阻止控制棒插入停堆的情况下，反应堆最高温度不会超过1620摄氏度，又可在没有任何人工干预措施的情况下自动停堆，不会发生堆芯熔化。”陈景指出，“高温气冷堆的设计原理保证了不会发生大规模放射性物质释放，从技术上可以取消厂外应急。”
开拓“蓝海”市场
据了解，高温气冷堆采用超临界蒸汽透平发电的发电效率可达45%，若直接采用氦气透平发电可进一步提升至50%。在煤电机组服役期届满后，高温气冷堆在发电或热电联产方面均能胜任，可实现对退役机组的替代。
高效率的发电之外，新兴工业领域对热力的需求，为高温气冷堆提供了广阔的市场前景。据记者了解，稠油热采、煤气化与液化、以及热化学制氢等热工艺均需要利用高温。传统轻水堆受反应堆原理、材料限制，能提供的工艺热温度在300摄氏度左右。而未来，随着关键技术突破，高温气冷堆能提供的工艺热温度可能达到900度到1000度，在大规模制氢等领域具有极强的竞争优势。
此外，模块化的建设方式，使高温气冷堆可以灵活适应市场需求。单个模块的高温气冷堆可提供25万千瓦的热功率或者10万千瓦的电功率，用户可以根据自身电力、热力需求，选择符合自身能力的规模，或者通过分批建造、投运，减小成本方面的压力，做到“随需而建”。
固有安全性、广泛的应用情景与灵活的建设方式，为高温气冷堆创造了较大的市场空间。未来，通过批量化建设，高温气冷堆的经济性将逐渐体现。“截至目前，年产30万个燃料球的生产线已经建成投产，高温气冷堆球形燃料元件的生产非常顺畅，年产360万个燃料球的关键技术已实现突破，可以满足批量化建设的燃料需求。”中核能源科技有限公司党委书记、董事长张国华告诉记者。
