世界最先进的第四代核反应堆:10兆瓦氦气气冷堆
2011-11-16 22:49:21
2005年6月，一个越洋长途电话打到了清华大学核能与新能源技术研究院（下称核研院）。美国《纽约时报》记者向核研院院长张作义了解10兆瓦高温气冷实验堆的建设和运行情况，并就未来核电站的发展问题进行了采访。这个引起美国媒体关注的试验堆就是国家“863计划”项目：10兆瓦高温气冷实验堆氦气透平发电项目。
可能有不少人觉得，一个中国的科研项目被外国记者采访并不是什么新鲜事。但核研院的高温气冷堆被美国媒体关注却有其特殊的意义。首先，美国核专家认为清华的高温气冷堆发电装置是目前世界上最安全的核电装置，美国人称“这种安全的反应堆是一个真实的神话”；其次，在石油、天然气日益紧缺的今天，用氢做燃料被科学家们普遍看好，只不过制氢所需要的巨大能量使其成本太高，而清华的高温气冷堆能以很低的成本提供相对巨大的能量，从而大幅度降低制氢的成本。仅此两点就不难理解为什么美国人对这个中国的“863计划”项目如此关心了。可实现商业化运行的第四代核能系统。
模块化高温气冷核反应堆是一种安全性好、可用于高效发电和高温供热的先进核反应堆，它是国际核能领域第四代核能系统中六种备选堆型之一，并且是唯一可在2020年前实现商业化运行的第四代核能系统。核研院建成了世界上第一个模块化高温气冷堆实验电站，在这一高科技领域，我国已经走在了世界前列。
核研院承担的10兆瓦高温气冷实验堆是国家“863计划”能源领域重点攻关项目之一。其研究目标是：掌握模块化高温气冷堆的设计和建造技术并积累运行经验；进行模块化高温气冷堆固有安全特性的实验研究；开展蒸汽透平循环发电、氦气透平直接循环发电研究；进行高温工艺热应用研究。
10兆瓦高温气冷实验堆项目计划分两个阶段进行：“高温气冷堆蒸汽透平发电系统”（一期工程），“高温气冷堆氦气透平发电系统”（二期工程）。
一期工程达到满功率运行并网发电
10兆瓦高温气冷实验堆项目的“一期工程”于1992年被“863计划”正式立项，1995年动工建造，2000年12月达到首次临界，反应堆设计热功率10兆瓦。一期工程采用具有两个热力循环回路的蒸汽透平发电系统：一回路为氦气循环，二回路为水/水蒸气循环，两个循环回路由蒸汽发生器耦合在一起。一回路氦气循环包括反应堆堆芯、热气导管、蒸汽发生器、氦风机等部件；核燃料的裂变能被石墨慢化剂转化为热能，循环冷却剂氦气将热能载出反应堆，经过热气导管流向蒸汽发生器，氦气通过蒸汽发生器将热能传输给二回路中的水/水蒸气，经过氦风机提供循环动力，流入反应堆堆芯继续循环；反应标明中文堆堆芯入口氦气温度为250℃ ，出口氦气温度为700℃ ，循环压力为3.0 兆帕（MPa标明中文）。二回路水/水蒸气循环包括蒸汽透平、蒸汽冷凝器、循环水泵、蒸汽发生器等部件；流经蒸汽发生器的水吸收氦气侧传递的热量被蒸发，进入蒸汽透平膨胀做功带动发电机发电，从蒸汽透平出来的乏蒸汽被冷凝器凝结为水，经过循环水泵加压，进入蒸汽发生器进行循环；二回路设计压力为3.45 兆帕（MPa **）、透平入口蒸汽温度为435℃ ，发电机功率约为2.5 兆瓦（MWe标明中文）。
一期工程于2003年1月达到满功率运行并网发电。这是世界上第一座模块化高温气冷堆实验电站，它的建成引起国内外核能领域强烈反响：国内，该项目在十届人大政府工作报告中被列为四项重大科技成就之一，并获2004年度教育部科技进步一等奖；国际上，包括国际原子能机构、美国能源部及其它多国能源管理当局在内的国际核能领域官员和专家络绎不绝地到我国参观10兆瓦高温气冷实验堆。鉴于我国在模块化高温气冷堆方面取得的成就，国际上包括美国通用原子能公司、俄罗斯OKBM研究院、韩国原子能研究院、南非Eskom公司等多家国际核能领域研究机构和能源公司主动提出与核研院合作进行高温气冷堆电站的研究与开发。
二期工程已取得阶段性成果
在10兆瓦高温气冷实验堆一期工程蒸汽透平发电系统实验电站设计建造并成功运行的基础上，国家继续对高温气冷堆技术的研究与发展给予支持。核研院适时提出10兆瓦高温气冷实验堆后续研究项目（二期工程）：高温气冷堆氦气透平发电系统，被批准作为“十五”期间能源领域重点攻关项目纳入“863计划”，并于2003年与科技部签订“863计划”课题任务合同书。该项目包括两大研究领域：
1、10兆瓦高温气冷实验堆运行考验和固有安全实验；
2、10兆瓦高温气冷堆直接氦气循环发电装置。
在10兆瓦高温气冷实验堆一期工程蒸汽透平发电系统满功率运行并网发电的基础上，核研院完成了一系列运行特性研究和固有安全性验证实验：包括15项运行特性研究和8项固有安全特性验证实验。
核研院的这一实验展示了模块式高温气冷堆的一个最重要特性：在任何事故情况下，包括丧失所有冷却的情况下，不采取任何人为的和机器的干预，反应堆能保持安全状态。我国已经掌握核电站的最新一代技术。
美国麻省理工学院教授、美国核学会前任主席克达克先生对清华核研院的这一安全演示给予极高的评价：中国这个满功率运行的球床模块式实验反应堆是目前世界上唯一的一座，它的技术及安全水平已走在了世界的前列，美国希望从这个实验堆中学到更多的东西。
10兆瓦高温气冷堆直接氦气循环发电装置是世界上第一个将模块化高温气冷堆与气体透平直接循环相结合的试验装置。经过两年多的努力，项目在几个关键技术上已经取得重大突破和进展：
1）完成能量转换单元热力循环方案优化；
2）攻克了氦气透平压气机组技术难关；
3）破解了电磁轴承技术难题；
4）解决了立式工作润滑油密封和变工作压力油站供油两个氦气氛围立式高速齿轮减速器的技术难题。
高温气冷堆氦气透平直接循环发电是高温堆发展的方向，它的技术特点是：系统简单，只有一个热力回路；发电效率高，商用堆的发电效率可达47%左右，加上模块式高温堆的固有安全性特点，使之成为非常有竞争力的新堆型。但它也存在着一系列的技术难点和挑战，例如：氦气轮机与反应堆耦合技术、氦气透平的研制、高效紧凑式换热器的研制、电磁轴承系统研制、高压动力贯穿件等，都是各所属学术领域前沿课题。许多国家投入相当的人力物力进行研究开发，但都停留在研究设计阶段，只有我国的“10兆瓦高温气冷实验堆氦气透平发电系统”项目顺利进入实施阶段。清华大学核研院有能力、有信心按期建成世界上第一座模块化高温气冷堆氦气透平发电系统实验电站，保持我国在这一高技术领域处于国际领先水平，在国际能源领域新一轮竞争中抢占制高点，早日实现产业化，为我国核能事业作出重大贡献。
新华网北京07年２月２８日电（记者吴晶晶）１０兆瓦高温气冷实验反应堆项目在２７日举行的国家科技奖励大会上获得了国家科技进步一等奖。这个反应堆的建造，使我国掌握了模块式球床高温气冷堆的核心技术、设计技术和系统集成技术，在第四代核反应堆技术中占得先机。 １０兆瓦高温气冷实验反应堆是国家８６３计划的重点项目，从研究设计到建成历时１７年，总投资为２．７５亿元，工程包括了反应堆、蒸汽发电等３４个系统。 为了促进核能更大规模的发展，近几年来美国能源部和国际核能专家提出了第四代核能系统的理念，其主要特征是具有更好的经济性和安全性，核废物产生量最小化，核资源更有效利用，以及防止核扩散。 有关专家认为，模块式高温气冷堆具有第四代核反应堆特性，是能够适应未来能源市场需要的先进堆型。除了安全性好，效率高，它还可以提供９００摄氏度 以上的高温热源，除了高效发电外，还可以用于水热裂解制氢，为未来氢能时代提供清洁能源。
据介绍，１０兆瓦高温气冷实验反应堆项目取得了六项创新成果，包括：成功建成世界上首座具有固有安全特性的模块式球床高温气冷堆；世界上首次在反应堆上成功完成严重事故工况下固有安全性验证实验；建成球形燃料元件生产线，制备出国际先进水平的包覆颗粒燃料元件；发明脉冲气动排球装置，攻克球床堆关键技术，实现燃料元件连续装卸；在国内率先研制成功反应堆全数字化保护系统，并成功用于反应堆运行；自主研制成功主氦风机，攻克关键的氦技术。 鉴于高温气冷堆具有良好的发展前景，中国华能集团公司、中国核工业建设集团公司和清华大学将合作建造一座２０万千瓦级模块式球床高温气冷堆示范电站，厂址选择在山东荣成。 高温气冷反应堆的工作原理: 工作原理是：用石墨做为慢化剂，用气体氦作为冷却剂（这就是“气冷”），氦气的温度高达800度左右（这就是“高温”） 具体过程是：当反应堆内的核燃料进行核反应时，放出中子，速度太快的中子经过石墨碰撞便慢下来（因为在此堆里只有慢中子才能与铀燃料发生有效反应），以维持核反应。核反应时要释放出大量的热量，如果不把热量带走，就会烧毁反应堆，所以用气体（氦）流经堆芯，把热量带到热交换器，再由另一路冷却剂把氦气冷却，降温后的氦气又回到堆芯继续冷却反应堆，形成闭式循环回路.
经国家发改委批准，清华大学与中国华能集团、中国核工业建设集团正共同推进高温气冷堆的产业化工作，计划在２０１０年左右建成世界上第一座高温气冷堆示范电站。 记者近日从清华大学核能与新能源技术研究院了解到，该院承担的１０兆瓦高温气冷实验堆一期工程于２０００年１２月建成，并于２００３年１月满功率运行并网发电，这是世界上第一座模块化高温气冷堆实验电站，标志着中国在新型核能技术领域处于世界领先地位。 据介绍，模块化高温气冷核反应堆是一种安全性好、可用于高效发电和高温供热的先进核反应堆，它是国际核能领域第四代核能系统中六种备选堆型之一，并且是唯一可在２０２０年前实现商业化运行的第四代核能系统。
据了解，核能作为一种清洁能源，既不排放温室气体，又不污染环境，是解决未来几十年中国经济增长对能源需求高速增长的有效途径之一。中国在2代、3代堆技术上落后于法国、美国、俄罗斯等国家，但4代堆技术却走在世界前面. 4代产业化还要十年时间.所以如果产业化之后，气冷堆对氦气的供应环节还是非常重要的，面对目前全球氦气资源紧缺的局势，应该着手未来的氦气资源规划问题。
