示范项目并网发电，高温气冷堆如何助力“双碳”？

文 | 曾斌

作者系中国核能电力股份有限公司市场开发部副主任

李言瑞

作者系中核战略规划研究总院有限公司科技带头人

高温气冷堆核电站示范工程是国家重大科技专项之一，目前已经实现并网发电，正在进行提升功率试验。我国60万千瓦商用高温气冷堆已经启动工程项目筹备和选址工作。高温气冷堆发电效率高，堆芯出口温度高，适合发电和热能的阶梯利用，有助于实现我国碳达峰碳中和目标的实现。

高温气冷堆具有优良的特性

高温气冷堆使用石墨为慢化剂和碳化硅石墨包覆颗粒燃料，堆芯也是石墨结构，具有固有安全性高、发电效率高、出口温度高、用途广泛等优势。

固有安全性高

高温气冷堆使用独立的球形燃料元件，采用全陶瓷屏蔽材料包覆颗粒燃料元件核心，燃料包壳熔点高，即使在最高达1620℃的运行温度下仍能保持完整性，燃料球破损率在10-6以下。高温气冷堆的堆芯结构材料由石墨和碳块组成，石墨和碳块的熔点都在3000℃以上，使得即使在最严重事故条件下，也不会发生堆芯熔毁事故。

良好的核能综合利用前景

高温气冷堆一个突出的优势是堆芯出口温度高，目前高温气冷堆核电站示范工程出口温度为750℃，后续商用核电机组出口温度可以达到900℃甚至上千摄氏度。高温气冷堆的高温特性使其能够满足绝大部分热源需求，在制氢、石化产业园、稠油热采、乙醇提纯、海水淡化、区域供热等温度梯级利用方面具有先天优势。在“双碳”战略目标实施环境下，高温气冷堆可以在高耗能、高排放产业当中发挥重要作用。

发电效率高

反应堆冷却剂的出口温度对核电机组的发电效率有着决定性影响。传统压水堆的冷却剂热端平均温度约为320℃，发电效率约33%。高温气冷堆氦气出口平均温度可达到750℃，并具备提高至950℃以上的潜力，发电效率可以达到40%-47%。

我国已经具备开工建设商用高温气冷堆的基础

我国高温堆发展具有良好的政策优势

我国高温气冷堆有良好的发展政策环境。党中央、国家政府和高校企业自上而下都高度重视高温气冷堆发展。习近平总书记非常关心高温气冷堆的发展，多次在重要会议上提到高温气冷堆，对高温气冷堆发展也多次做出重要指示批示。

我国将高温气冷堆核电站示范工程作为国家科技重大专项予以重点推动。在国家“十四五”规划、能源发展“十四五”规划、《2030年前碳达峰行动方案》等政策规划文件中也对推动高温气冷堆工程建设作出了重要部署。

国家“十四五”规划提出，“建成华龙一号、国和一号、高温气冷堆示范工程，积极有序推动沿海三代核电建设。推动模块式小型堆、60万千瓦级商用高温气冷堆、海上浮动式核动力平台等先进堆型示范。”《“十四五”现代能源体系规划》指出，“开展核能综合利用示范，积极推动高温气冷堆、快堆、模块化小型堆、海上浮动堆等先进堆型示范工程，推动核能在清洁供暖、工业供热、海水淡化等领域的综合利用”“建成山东石岛湾高温气冷堆、‘国和一号’示范项目”“推动三代核电关键技术优化升级示范应用，模块式小型堆、(超)高温气冷堆、低温供热堆、快堆、熔盐堆、海上浮动式核动力平台等技术攻关及示范应用。”国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》要求“积极推动高温气冷堆、快堆、模块化小型堆、海上浮动堆等先进堆型示范工程，开展核能综合利用示范。”

我国清华大学、中核集团、华能集团等校企也在积极推动高温气冷堆的建设，推动高温气冷堆示范工程并网发电、推进商用高温气冷堆落地，以及在石化产业园、核能制氢、温度阶梯利用等方面开展耦合研究。

我国高温气冷堆技术处于世界领先位置

我国高温气冷堆核电站示范工程已经实现并网发电，正在开展提升功率的各项试验。高温气冷堆核电站示范工程是世界上首台球床模块化高温气冷堆核电站，也是目前世界上唯一实际运行的高温气冷堆，引领着全球高温气冷堆技术的发展方向。

在建成高温气冷堆核电站示范工程之前，我国建成了高温气冷试验堆HTR-10，开展了多项高温气冷堆核能综合利用专项研究工作，建造了多个试验台架，形成了完善的试验验证技术，有力支撑我国高温堆技术的自主研发。

我国60万千瓦的商用高温气冷堆技术已经完成初步设计，正在推动项目落地，并创造性地提出了高温堆+压水堆组合发展模式，以推动核能发电和供热综合利用，实现对石化等工业产业园的低碳、零碳能源替代。

我国具备规模化推广高温气冷堆发展的产业链优势

我国自主建造了高温气冷试验堆HTR-10，为高温气冷堆核电站示范工程的设计、建造和运行奠定了良好技术攻关、设备研制、工程建设基础。

通过建成高温气冷堆核电站示范工程国家重大科技专项，进一步加强了我国高温气冷堆设备制造、软件开发、材料开发、燃料研制等产业链供应能力，使得高温气冷堆设备国产化率达到了93.4%以上，有效促进了我国高温堆产业链的发展，对我国主导第四代先进核电技术、占领世界核电技术制高点具有重大意义。

经过试验堆和示范工程的几十年的发展历程，我国核电设备产业链具备了支撑高温堆发展的可靠保障能力。从2004年筹备到2021年并网的建设历程中，我国高温气冷堆作为国家重大科技专项，攻克了核燃料元件、压力容器、主氦风机等多项关键技术，成功研制出2200多套世界首台设备。我国设备制造商、材料供应商、施工方也合力为高温气冷堆产业发展探索出了一条行之有效、有力保障的产业供应链。在后续建设商用高温气冷堆时，我国核电产业链足以保障工程项目的顺利完成。

高温气冷堆核电站示范工程的建成对我国高温堆产业发展起到了承上启下的作用

高温气冷堆核电站示范工程是我国乃至世界核能发展的里程碑工程，是高温气冷堆产业的重要技术积累和有效验证，有效推动了高温气冷堆在技术、产业、设备的发展，也提高了人们对第四代核电高温气冷堆的认知和信心。

中核集团、华能集团和清华大学的联合团队共同保障高温气冷堆核电站示范工程的安全稳定运行，进一步研究示范工程为当地的工业区进行供电和供热，后续还将进行核能制氢相关技术试验，推动我国高温气冷堆综合供能的优势作用。

我国具有规模化建造高温气冷堆核电站的建造能力

我国核电产业经过近40年的发展，以高温气冷堆、华龙一号为代表的核电机型已实现“四个自主”，即自主设计、自主建设、自主运营、自主管理。尤其是我国工程建造能力举世瞩目，具备复杂大型的核电项目工程建设能力是其重要标志之一。

我国核电建造能力经历了从无到有、由弱到强的发展历程，目前核电建造能力已经排名全球首位，具备了10万、20万、30万、60万、百万千瓦级、超大堆等系列化项目的建设能力，在示范工程到商用项目，从二代堆、三代堆到四代堆，从压水堆、重水堆、钠冷堆到高温堆，从引进消化吸收到自主研发再创新，从传统施工技术到数字化信息化施工技术等多个维度，都取得了世界一流的建造成果，具备了世界一流的建造能力。

我国核电工程的卓越建造能力、丰富的建造经验、强大的供应链保障体系、大力协同的合作意识、迎难而上的无畏精神、统一领导的集体主义精神和社会主义集中力量办大事的制度优势，都是后续高温堆项目的建造优势和保障。

高温气冷堆建造成本还有一定的下降空间

我国高温气冷堆自2012年开工建设，到目前已经整整10年。按照通常的核电建设计划，核电首堆示范项目一般在6年内完成，相对成熟的压水堆而言，高温气冷堆示范工程拖期严重，造成了工程成本上升。另外，示范工程在厂房和部分设备设计时留有较大的裕度，具备进一步压缩建造成本的可能。

目前来看，高温气冷堆的固定资产单位投资大约在2万元/千瓦上下，建设周期5年。当高温气冷堆单纯用于发电时，发电成本约0.355元/千瓦时，当高温气冷堆只用于供汽时，供汽成本约143.72元/吨，作为示范工程项目经济性可接受。虽然当前高温气冷堆单位投资成本相对较高，但是随着不断设计优化、批量化建设和热电联供的实现，其经济性还有一定提升空间。

高温气冷堆为助力双碳战略目标实现发挥了重要作用

包括高温气冷堆在内的核电对碳达峰、碳中和目标的实现发挥不可或缺的作用

我国党中央高瞻远瞩提出了“双碳”战略目标，实现碳达峰碳中和的过程就是贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的具体行动落实。在实现“双碳”战略目标过程中包括高温气冷堆在内核电产业迎来了重要发展机遇期。

与其它能源品类相比较，核能是全寿期碳排放量最小的能源形式，也是发电和供能最稳定的、可为电网和当地提供大量电源的能源形式，应该在电力系统中起到基荷作用。根据我国能源发展规划、新型电力系统建设计划、可再生能源和储能发展计划，为保障我国能源安全和稳定供应，需积极有序推进核电发展。

为实现双碳目标，煤电在电力结构中的比重逐步下降，亟需另一种稳定的低碳能源进行补充，这也为核电发展提供了一定的空间。特别是高温气冷堆的固有安全特性，可以利用现有退役的火力锅炉厂址资源，为用户提供热电联供。因此，国内外双碳目标下的能源转型和安全保供，离不开包括高温气冷堆在内的核电技术的发展。

欧洲能源危机和全球能源价格上涨需要我国推动核能发展

国际上，受可再生能源出力不稳定、间歇性运行的影响，电力系统中新能源电力占比较大的国家时常面临电力危机，如英国和其他欧洲国家都出现过大面积断电和市场电价飙升等情况。受俄乌冲突等影响，全球能源也出现供应短缺和价格上涨的现象，对全球经济产生了较大影响。新冠肺炎疫情全球大流行也对全球能源供应产生一定的影响。

我国是能源进口大国，有必要从战略层面加强顶层设计，将能源安全的饭碗牢牢掌握在自己的手里，实现能源安全和自由。因此，有必要加快核电发展，尽快推动商用高温气冷堆核电机组落地开工建设，研究论证高温气冷地+华龙一号匹配发展模式，加快推动燕龙低温供热堆、破冰船、浮动堆等示范项目落地。

高温气冷堆在制氢领域将大有可为

氢能具备来源广泛、清洁低碳等特性，正逐步成为全球低碳发展的重要能源载体之一。世界主要大国都发布了氢能产业发展规划，并投入巨额资金积极推动先进氢能技术研发和产业化，抢占国际氢能产业的技术制高点。一旦清洁能源制氢的技术发展成熟，氢能在全球能源市场的占比将达到15%。目前，全球氢能市场规模约为1250亿美元，预计到2050年，氢能市场的总规模将超过1万亿美元。

今年，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》，明确了氢能生产、储存、应用关键技术研发、示范和规模化应用的方向和路径。随着商用高温气冷堆的落地建设，承受高温材料和设备的研制，以及制氢催化反应工艺的发展，高温气冷堆高温制氢将会是高效、稳定、经济、低碳的制氢方式。因此，核能制氢将会发展成为高温气冷堆产业的重要产品之一。

高温气冷堆在国际市场具有广泛的发展优势，尤其是在中东和非洲等石油丰富的地区

据国际原子能机构发布的2021年版全球核电发展规模预测，在高值情景中，全球核电装机容量将从2020年3.93亿千瓦增至2030年4.7亿千瓦、2040年6.29亿千瓦和2050年7.92亿千瓦。在低值情景中，全球核电装机容量2030年将降至3.66亿千瓦，然后在2040年和2050年分别回升至3.78亿千瓦和3.94亿千瓦。总体而言，核电中远期的发展趋势是上升的。高温气冷堆在固有安全性和高温热阶梯利用方面具有独特优势，并且具有炼油化工等产业需要的高品质蒸汽，因此高温气冷堆在中东、非洲等石油丰富的国家具有较大的市场空间。