水冷变气冷 四代有多稳
世界首座高温气冷堆发电了
文 |屈永佳
来源| 核趣科技
12月20日，国家科技重大专项华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程1号反应堆完成发电机初始负荷运行试验评价，首次并网成功，发出华能的第一度【核】电。
在众多的宣传中，有一个标题很有意思：
那么咱们今天就一起聊一聊：这座“不会熔毁的核反应堆”
首堆坎坷，近十年一剑
▲ 石岛湾高温气冷堆项目全景图
石岛湾高温气冷堆项目2004年3月由华能集团与清华大学签订协议共同开发，选定石岛湾为厂址，2012年12月9日开工建设，建设周期近9年，整个开发周期近18年。
不过首堆素有难建的问题，中国的AP1000和EPR于2009年开工，2018年先后并网，算来也差不多是9年的建设周期。
首堆遇到的难题，高温堆似乎一个也没落下。
作为中国“十二五”获批的第一个核电项目。高温堆原定2011年就开建 ， 但受日本福岛核事故的影响而停工。最后在2012年12月9日农历冬 至这天，华能石岛湾核电站示范工程低调开工（FCD），秘而不宣，直到12月21日底板第一层混凝土浇筑完成才有只言片语透露出来。
石岛湾项目是国内16个的重大科技专项之一（同为重大专项的CAP1400也在同一厂址，一厂址两专项，也是亮点），由清华大学自主研 发。
2000年12月1日，王大中（中），在清华大学10兆瓦高温气冷堆临界现场。图：清华大学
要当“第一个吃螃蟹的人”并不容易， 技术难度非常大， 2021年11月，中国科学院院士、清华大学原校长、高温气冷堆开创者王大中获得2020年度国家最高科学技术奖，由此可见一斑。
关键设备的制造也是困扰了很久的进度， 当然，最后宣传数据来看，石岛湾核电站所用 2200多套设备中，大多数是全球首创的核电设备。
整个核电站内使用国产零部件的比率高达93%以上，拥有高度自主知识产权，这个在眼下的世界格局下，显得尤为重要。
张涛 一排左三
石岛湾核电在后期得以加速顺利并网，不得不提到一个关键的人才引进：
原中国核电总经理，现华能集团副总工、华能核电党委书记张涛的到来，对工程提速起到了很关键的作用，这一点，现场的反馈尤为明显。
到底算不算四代堆
不知道大家注意到这个细节没，一个亮点其实存在口径不一的现象：
到底是四代堆，还是所谓“四代堆技术特征”呢？
“第4代核能系统”概念最早由美国能源部在2000年发起， 是指2030年之前可以投放市场的新一代核能系统，它必须在一些有挑战性的目标上具有重大进展。
这些目标包括可持续性、安全性和可靠性以及经济性。 必须满足下列主要指标：
能够和其他电力生产方式相竞争，总电力成产成本低于每度电3美分；
初投资小于每千瓦发电装机容量1000美元；
建设期小于3年；
堆芯融化概率低于10^-6/堆年；
在事故条件下无放射性场外释放，无需场外应急(核安全革命性改进)
能够通过对核电站的整体实验向公众证明核电的安全性。
高温气冷堆被誉为四代，核心其实是所谓固有安全性。
核电站爆炸这个问题一般都是核燃料过渡high导致的锅。
一般燃料是烧起来容易灭，你得可劲的加料吹风；核燃料不一样，它裂变一开始，每个几万年都不好意思，所以余热是一个很大的难题。
放在那里，一会就又自己烧起来了，会烧穿堆芯这个锅炉。（日本捂脸：你别说了...）
一般水堆燃料长这样，而高温堆的燃料是个球状
左：水堆燃料芯块 右：气堆石墨球
他的安全性来源于两点 功率密度低和石墨兄。
核燃料被包裹在石墨里，石墨这哥们最大的特点就扛高温，所以包裹在里面的核燃料各种high，也逃不出石墨温柔的怀抱。（长期900度，短时1300度）。
失去外部冷却的事故工况下，可以自然停堆并导出反应堆余热， 并且不影响燃料包覆颗粒的放射性边界，这一点是轻水堆所不能及的。
但是四代堆6款典型的技术堆型，正确的命名是超高温反应堆（VHTR）。注意：是超高温，不是高温，这也是这个话题的由来。
VHTR的设计出口温度是950度，接近1000度，可以直接制氢，但是高温气冷堆的出口温度为750度。
这个差异性，直接影响了它的经济型（因为制氢可以大幅降低燃料电池的成本）。
同样，由于核燃料被拆分的太细碎了，又包裹在非金属的石墨球中，固有安全性时的优点就变成了后处理时的缺点，一是这么多非金属材料，很难批量化学反应处理，二来人工的话，谁有空把那么多小球球一个一个拆开呢，估计会疯。
好在同时乏燃料可以直接空冷，不需要像水堆一样必须水池保存，短期不存在容量问题，不算特别头疼。
那为啥后来又叫做四代了呢
主要是因为清华大学认为这个四代没有国际公认的标准，各家各自理解（米国人说的不好使），在固有安全性上革命性的突破，其实是符合四代堆的核心理念的，所以后续的宣传口径中，就渐渐统一成了四代堆。
所以小韩同学的说法我认为比较准确： （撸串你请客）
具备了四代核电特征。但在经济性、乏燃料后处理等方面还未达到四代核电要求。
政治账还是经济账
石岛湾高温气冷堆工程预算40亿元，造价已超过80亿元。
别觉得夸张，三门和台山也差不多要增加很多。
不过，这意味着单位千瓦造价超过4万元/千瓦。华能控股采用三代核电华龙一号技术的昌江二期，预计单位造价为1.52万元/千瓦。
高温气冷堆首个项目的造价远高于先进大型压水堆。
所以在中核集团的配套宣传中，着重宣传的方向是：
其温度参数也覆盖乙醇提纯、盐化工、石油化工、煤化工、制氢等领域绝大部分热源需求，向“氢、汽、水、热、电”五大细分目标市场进军，为“双碳”目标实现提供高温气冷堆综合解决方案。
其实单堆250MW热功率，机211MW的示范堆，确实单靠发电，是很难赚钱的。
通俗的说：发电就可以躺着把钱赚了，谁还会重点宣传综合利用呢。
但高温气冷堆这个综合利用，对于中国核电市场的第二曲线开启，有着非常关键的作用，这次先不表。
同时，水堆在历史上已经发展了数十年，而气堆重新走入视野，还有同样的路径要去践行，未来所需的资源和挑战依然不小。
但是政治账和战略账上，还是很划得来的：
华能集团董事长舒印彪2020年7月在石岛湾调研时表示，石岛湾项目能否成功，关系着华能肩负国家使命的责任担当，决定着华能核电产业的未来。
随着示范项目的落地，华能完成了重大专项的国家使命，同时也拿到了梦寐以求的核电船票，跻身核电巨头，四分天下。
有些东西，钱是衡量不出来的。
华能的核电船票
对华能而言，高温气冷堆是其踏入核电圈的重要船票。
石岛湾的示范工程找华能，华能出钱拿核电执照，核工业作技术储备，清华有科研项目，皆大欢喜。
因此，尽管是新技术，造价不菲，还需克服设计、研发、设备制造多重门槛，但仍被作为战略重点。
而这个战略，也在《中国华能集团有限公司核电产业发展战略规划（2011-2035）》中，被详细明确的呈现：
2035年达到两个15%，即在国内核电新增装机中占比15%，核电发电量在华能总发电量中占比15%。
而规划中的石岛湾、霞浦、昌江三大核电基地，也渐渐成型：
在华能开发的核电厂址福建霞浦，计划建设60万千瓦高温气冷堆，该项目已获得“路条”，等待核准。
2020年9月，国务院核准了由华能控股51%主导开发的海南昌江二期核电项目（华龙一号*2），华能由此正式跨入大型商用核电站的业主行列。
华能提出的“加快开发三大核电基地”是哪三个？
拿到船票的华能，在核电这个双碳的蓝海，正在扬帆起航。
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