HTR-PM
HTR-PM （球床模塊式高溫氣堆冷堆核電站）是中國的小型模塊化核反應堆。它是一種高溫氣冷反應堆(HTGR)，部分基於早期清華大學核能與新能源技術研究院的HTR-10原型反應堆。 [1]，它是世界上第一個高溫氣冷（HTGR）球床第四代反應堆原型。
2001年啟動了高溫氣冷堆球床組件（ HTR - PM ）示範工程。 [2]2006年，高溫氣冷堆核電站被列為國家科技重大專項。清華大學核能與新能源技術研究院聯手華能集團、中核集團共同建設世界首座示範工程。[3][4] [1]
設計[編輯]
石島灣核電站HTR-PM200示範工程由兩座球床模塊高溫氣冷反應堆（單座熱功率為250 MWt，合計500MWt）、兩台蒸汽發生器、一台210MWe汽輪發電機組和其他附屬系統組成。反應堆採用球形燃料元件，石墨為慢化劑，一迴路冷卻劑使用氦氣。當反應堆運行時，氦氣將核反應產生的熱量帶出堆芯，氦氣溫度可達850-1000攝氏度，經過熱氣導管進入到蒸汽發生器中，將熱量傳遞給二次側的水，產生過熱蒸汽，溫度可達566-570攝氏度，推動210MW汽輪發電機發電，熱電轉換效率約為42%-44%，高於壓水堆PWR的33%-36%。冷卻後的氦氣由主氦風機升壓後送回堆芯進行下一次循環。[1][4][5]
全陶瓷包覆顆粒燃料元件由外緻密熱解碳層、碳化矽層、內緻密熱解碳層、疏鬆熱解碳層和二氧化鈾燃料核心構成，複合包覆層組成微球型壓力容器，能夠在不高於1620攝氏度的溫度下，阻止放射性裂變產物的釋放。在運行過程中，燃料元件由堆芯底部進入卸料管，通過燃耗測量器進行燃耗測量，將未達到設計燃耗值的燃料元件重新裝入堆芯使用，反之，將燃料元件輸送到乏燃料貯罐貯存，實現了連續裝卸燃料不停堆的運行方式。[4]
採用非能動的餘熱排出系統，通過熱傳導、熱輻射、自然對流等自然機制，把餘熱從堆芯傳遞給位於反應堆壓力容器，反應堆壓力容器外部包圍着一套表面冷卻系統。這套系統利用水或空氣的自然循環（由於溫度差產生的密度差驅動流體流動），通過水的自然循環，把熱量帶到空氣冷卻器，與空氣進行換熱，從而使熱量擴散到大氣環境中。與壓水堆核電站相比，高溫氣冷堆在設計上不需考慮安注系統、應急堆芯冷卻系統等專設安全設施，使安全系統得到很大的簡化。[4]
高溫氣冷堆的功率密度較低，為了達到250MWt的熱功率，其壓力容器的體積遠大於同功率等級的壓水堆，是目前世界上尺寸最大、重量最重、製造難度最高的核電壓力容器之一。反應堆壓力容器約25至26米（相當於9層樓高），最大外徑約6.7米，筒體厚度通常在160毫米至200毫米，單台壓力容器的淨重約600至700噸，算上內部的金屬堆內構件，整體吊裝重量更高。容器的筒體節段採用了大型空心鋼錠整體鍛造技術。採用低合金鋼（如 SA508 Gr.3 Cl.1），這種材料具有極高的韌性和抗中子輻照脆化能力。[6]
設備國產化率達到93.4%，全廠1萬5千多台套設備中，有2201台套為首創，660台套為全球首創，包括模塊式高溫氣冷堆反應堆壓力容器、電磁軸承主氦風機、組件式直流蒸汽發生器、石墨、碳和金屬堆芯支承結構、控制棒和吸收球系統、燃料裝卸系統、氦淨化統等多個首台套設備研製[3]。
用途[編輯]
因為反應堆氦氣溫度可達850-1000攝氏度，蒸汽發生器產生的水蒸汽溫度可達566-571攝氏度，壓力在13.5MPa 左右，遠高於PWR壓水堆的200-300度，用途非常廣泛[4][7] [5] [3]：
- 取代老化退役的燃煤電廠，蒸汽發生器產生的水蒸汽溫度與壓力與中國大量現役的亞臨界/超臨界燃煤機組的蒸汽參數幾乎完全匹配。可根據區域需求能力和地理條件靈活規劃並建設，高溫氣冷堆採用小型模塊化設計，小則10萬千瓦、20萬千瓦，大則60萬千瓦、100萬千瓦。具體到煤電替代，「簡單來說，把燃煤鍋爐拉走，換成(容量合適的)反應堆，其它常規島汽輪機等都不用換，可以節省一大筆投資。」 但通過批量化和模塊化生產，其目標單價可控制在 2.2萬 - 2.5萬元/kW。實現中國到 2060 年實現碳中和的計劃。 [8]
- 核能制氫：a) 碘硫 (IS) 循環化學制氫：高溫熱能通過硫酸和氫碘酸的化學循環分解水，不需要電能參與，效率50%左右；b)高溫蒸汽電解 (SOEC)：在高溫環境下電解水蒸氣。由於利用了核反應堆提供的熱能，電解所需的電能消耗可降低約 30%。在800攝氏度時，熱力學轉換效率遠高於常溫下的鹼性電解或PEM電解。[9]
- 分佈式電源、海水淡化、稠油熱采等多個領域，可為工業園區、石化園區配套項目提供「電+熱+汽+氫」綜合能源服務。
- 餘熱蒸汽可用於區域內供熱。
運行機組[編輯]
2012年 12 月在山東省石島灣核電廠開工。兩座熱功率250MWt反應堆的壓力容器於 2016 年安裝完畢。 2020年4月28日，HTR-PM示範工程第一反應堆蒸汽發生器殼體、熱氣導管殼體和反應堆壓力容器殼體配對成功，為安裝主氦風機鋪平了道路。 [10] [11]
HTR-PM 的冷功能測試已於 2020 年 10 月至 2020 年 11 月成功完成。空氣和氦氣混合物在主冷卻劑迴路中被加壓到最大 8.9 MPa。 [12]在冷功能測試之後，熱測試分三個階段進行：真空除濕、加熱除濕和熱功能測試。熱測試於 2020 年 12 月開始，並將在反應堆上線之前繼續進行。 [13] 2021 年 9 月 12 日，兩座反應堆中的第一座達到臨界。 [14] 2021 年 11 月 11 日，二號反應堆達到首次臨界。 [15] 2021年12月20日，一號機組併入國家電網並開始發電。 [16]
顧慮[編輯]
根據德國AVR 反應堆的經驗，建議對這種類型的反應堆採取額外的安全措施。球型燃料不能破損，否則會導致放射性材料形成粉塵泄漏，乏燃料體積大等 [17]
HTR-PM600S[編輯]
HTR-PM600S採用了獨特的多模塊組合設計：包含6個熱功率各為250兆瓦的反應堆模塊；這6個模塊產生的超高壓過熱蒸汽被匯集起來，共同驅動1台60萬千瓦（600MWe）的汽輪發電機組進行發電，機組的熱功率將達到150萬千瓦，電功率可達65.5萬千瓦，發電效率43.7%；這種設計使得核島的整體尺寸和佔地面積與同等功率的常規壓水堆相當，極大攤薄了設備造價，提升了經濟性。[18] [19][20]
首個商業化示範工程落地在江蘇連雲港徐圩核能供熱發電站[3]。
參見[編輯]
參考[編輯]
- ^ 1.0 1.1 1.2 Zhang, Zuoyi; Dong, Yujie; Li, Fu; Zhang, Zhengming; Wang, Haitao; Huang, Xiaojin; Li, Hong; Liu, Bing; Wu, Xinxin. The Shandong Shidao Bay 200 MW e High-Temperature Gas-Cooled Reactor Pebble-Bed Module (HTR-PM) Demonstration Power Plant: An Engineering and Technological Innovation. Engineering. March 2016, 2 (1): 112–118. doi:10.1016/J.ENG.2016.01.020.
- ^ HTR-PM: Making dreams come true. Nuclear Engineering International. 26 February 2019 [2022-02-27]. （原始內容存檔於2022-03-28）.
- ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 中核能源：推进高温气冷堆产业化，抢占全球能源变革制高点. 中國核工業集團有限公司. 2025-08-28 [2026-5-8].
- ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 国家科技重大专项高温气冷堆核电站. 清華大學核能與新能源技術研究院. [2026-4-30].
- ^ 5.0 5.1 我国高温气冷堆技术及产业化发展 (PDF). 現代物理知識 [2026-5-8].
- ^ 高温气冷堆示范工程首台压力容器顺利吊装就位. 清華大學核能與新能源技術研究院. [2026-5-8].
- ^ 高温气冷堆世界首堆运行良好 我国四代核电领跑全球. 國務院國有資產監督管理委員會. 2024-5-8 [2026-4-30].
- ^ China starts up world’s first high-temperature gas-cooled reactor. Global Construction Review. 15 September 2021 [28 October 2021]. （原始內容存檔於2022-03-17） （British English）.
- ^ 核能制氢. 清華大學核能與新能源技術研究所. [2026-5-8].
- ^ Key components of second HTR-PM reactor connected : New Nuclear - World Nuclear News. world-nuclear-news.org. [25 May 2020]. （原始內容存檔於2022-03-15）.
- ^ Milestone achieved on China's HTR-PM - Nuclear Engineering International. www.neimagazine.com. [25 May 2020]. （原始內容存檔於2022-02-27）.
- ^ Cold testing of HTR-PM reactors completed : New Nuclear - World Nuclear News. www.world-nuclear-news.org. 4 November 2020 [25 July 2021]. （原始內容存檔於2022-04-07）.
- ^ Hot functional testing of HTR-PM reactors starts : New Nuclear - World Nuclear News. World Nuclear News. 4 January 2021 [25 July 2021]. （原始內容存檔於2022-04-07）.
- ^ China's HTR-PM reactor achieves first criticality : New Nuclear - World Nuclear News. www.world-nuclear-news.org. 13 September 2021 [2022-02-27]. （原始內容存檔於2022-04-18）.
- ^ Dual criticality for Chinese demonstration HTR-PM : New Nuclear - World Nuclear News. [2022-02-27]. （原始內容存檔於2022-04-12）.
- ^ Demonstration HTR-PM connected to grid. [2022-02-27]. （原始內容存檔於2022-04-25）.
- ^ Moormann, Rainer; Kemp, R. Scott; Li, Ju. Caution Is Needed in Operating and Managing the Waste of New Pebble-Bed Nuclear Reactors. Joule. October 2018, 2 (10): 1911–1914. doi:10.1016/j.joule.2018.07.024.
- ^ 60万千瓦高温气冷堆核电站HTR-PM600. xueqiu.com. 2023-3-20 [2026-4-30].
- ^ 《第四代核能技术60万千瓦高温气冷堆核电站技术方案》发布. 國家核安全局. 2016-12-22 [2026-4-30].
- ^ 60万千瓦高温气冷堆工程项目完成标准设计. 人民網. 2019-3-11 [2026-4-30].
