近日，山東石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程實現并網發電。這座我國具有完全自主知識產權、世界首座具有第四代先進核能系統特征的球床模塊式高溫氣冷堆不斷取得突破性進展。高溫氣冷堆技術在中國成為安全性最高、最接近商業化的第四代核電技術已成事實。而在“雙碳”目標以及核能和平利用新一輪變革下，高溫氣冷堆的產業市場版圖正在徐徐打開。作為高溫氣冷堆技術的唯一推廣方，中核能源科技有限公司黨委書記、董事長張國華告訴記者：“在‘雙碳’機遇下，瞄準核能熱供應市場，高溫氣冷堆技術將開啟千億級產業。”

本領“過硬”

11月3日，我國高溫氣冷堆技術的開創者王大中院士獲得2020年度國家最高科學技術獎，標志著國家對該項技術的高度認可。與此同時，在10月份召開的中國核學會年會上，首個以堆型命名的分會——高溫堆分會也正式掛牌成立，高溫氣冷堆技術掀起的熱浪可見一斑。當然，高溫氣冷堆如此吸睛，主要得益于它“過硬”的本領，即固有安全性高、高溫多用途、模塊化。

固有安全性高。高溫氣冷堆被稱為“不會熔毀的反應堆”。它的核燃料元件是耐高溫全陶瓷包覆顆粒球形核燃料元件，也可以叫做燃料球。在石島灣高溫氣冷堆示范電站，燃料球直徑6厘米，最外層是石墨層，里面是彌散在基體石墨粉中的大約12000個四層全陶瓷材料包覆的、直徑約0.9毫米的核燃料顆粒。實驗表明，這種燃料球在1620℃高溫條件下，仍能夠保持完好并有效地阻擋放射性的泄漏。而且，由于良好的溫度負反饋性，即便遇到極限事故，反應堆的堆內溫度也不可能達到1620℃的高溫限值。

除了燃料球的保障，在設計理念上，高溫氣冷堆采用模塊式設計。相比于大型壓水堆，高溫氣冷堆每一個小模塊都可以采用很低的功率密度(約為大型壓水堆核電站的1/30)。因此，反應堆停堆后產生的余熱處于較低水平，意味著發生任何意外時，即使不進行人為干預，反應堆也能自動停堆并將余熱安全地散發出去，避免堆芯熔化。

高溫多用途。相較于壓水堆主蒸汽溫度284℃、壓力6.8MPa，高溫氣冷堆主蒸汽品質更高，其溫度為571℃，壓力為14.1MPa。經過蒸汽轉換設備可以提供該溫度壓力以下各種參數的工藝蒸汽，因此除了常規發電外，高溫氣冷堆還可應用于石油精煉、稠油熱采、頁巖油提煉、合成氨及化肥生產、乙烯和甲醇合成、海水淡化、煤化工以及制氫等諸多領域中，市場前景廣闊。

模塊化。高溫氣冷堆采用模塊化設計，示范工程采用兩堆帶一機，發電功率20萬千瓦。在后續推廣中，通過多模塊靈活組合的方式，可建設20萬、40萬、60萬、80萬、100萬等系列裝機容量的核電機組以適應不同地區用戶的需求。

“雙碳”機遇

2020年，中國向世界莊嚴宣示了 “2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和”的國家目標。歐、美國家從碳達峰到碳中和經歷了50～70年過渡期，中國只有30年。中國年減排率平均將達8%～10%，遠超發達國家減排的速度和力度。

作為碳排放的關鍵領域，能源產業將在“雙碳”目標中發揮重要作用。我國已經在大力發展非化石能源、穩步減少化石能源方面出臺了相關政策。

構建以新能源為主體的新型電力體系無疑是未來發展方向。高溫氣冷堆具有良好的固有安全性、高溫多用途等特點，在核能綜合利用方面具有顯著優勢。隨著石島灣高溫氣冷堆示范工程建成并網發電，加之完備的產業鏈體系和能力，高溫氣冷堆具備了業化推廣條件。

在“雙碳”目標下，高溫堆在發電、供熱領域將大有可為。一方面，核能可以提供綠色基荷能源，緩解能源生產與轉換行業的減排壓力。另一方面，高溫氣冷堆的多用途屬性可為化工、鋼鐵、建材等高碳排放企業提供脫碳技術方案，并實現供熱、供暖、制氫、制冷、海水淡化等方面的綜合利用。

撬動新市場

以成功建成高溫氣冷堆示范工程為起點，立足“雙碳”目標，中核能源正在制定詳實的高溫堆綜合利用解決方案。從發電到供熱，高溫氣冷堆正以其獨特的優勢撬動千億級新市場。

與石化耦合。石化產業作為我國國民經濟的支柱性產業，進入了大型化、一體化、園區化的新時代。“雙碳”背景下，石化產業作為煤炭消耗和二氧化碳排放大戶，后續的發展正面臨嚴峻的挑戰。高溫氣冷堆一回路冷卻劑氦氣出口溫度高達750℃，可用于提供300℃～700℃的工業蒸汽。且其規劃限制區半徑僅為1000米，可貼近廠區建設，從而減小蒸汽輸送過程中的熱損失。此外，基于高溫氣冷堆的高溫多用途，可同時滿足工業園區對電力、海水淡化、綠氫的需求，成為石化園區的綜合動力島。舉例來說，一個大型石化基地建設1～5臺60萬千瓦的高溫氣冷堆供汽機組能夠滿足石化基地大部分現狀和規劃的大型項目蒸汽需求，以及部分電力需求，具有比較好的市場競爭力。

稠油熱采。稠油也被稱之為高粘度原油。我國油氣資源當中，稠油資源是重要組成部分，國內有著豐富的稠油儲量，但開采面臨著很大的困難，尋找經濟高效的綜合開采方式是稠油資源利用的關鍵問題。

目前，稠油的開發主要通過熱力采油法，其中蒸汽吞吐和蒸汽驅是使用范圍最廣、采出油量最多的方式。這兩種方式均需采用高溫高壓蒸汽。高溫堆的主蒸汽可滿足稠油熱采蒸汽不同壓力和溫度蒸汽需求，并且可根據用戶需要進行參數調節。在碳減排背景下，高溫氣冷堆可以逐步改變原來以石化燃料供熱為主的狀態。隨著原油供應日漸短缺和國際油價的上漲，連續穩定開采稠油將日趨緊迫，這將為高溫氣冷堆助力稠油熱采提供廣闊市場機遇。

火電原址復用。面對國家能源政策調整以及電力行業淘汰落后產能的現狀，高溫氣冷堆在替代火電方面具有突出優勢。高溫堆的蒸汽參數與常規火電超高壓機組參數基本相當，其汽輪發電機組的規格和系列與火電廠非常接近，可以很好地利用現有火電廠汽輪機組。據初步估算，按年利用7000小時計算，2臺60萬千瓦高溫氣冷堆機組替代超潔凈排放煤電機組，每年可減少燃煤使用(標煤)約280萬噸，減少煙塵約132噸，二氧化硫約960噸，氮氧化物約1320噸，可明顯改善環境質量，促進節能環保，實現可持續發展。

核能制氫。氫氣作為清潔能源在當下受到的關注毋庸置疑。高溫氣冷堆技術可實現大規模、工業化制取綠氫。高溫氣冷堆具有堆芯出口溫度高的優勢，其高溫高壓的特點與適合大規模制氫的熱化學循環分解水制氫工藝十分匹配。目前高溫氣冷堆制氫分為兩步走方案：高溫氣冷堆耦合生物質制氫、熱化學循環分解水制氫。熱化學循環分解水制氫是高溫氣冷堆制氫的最終解決方案，其以高溫氣冷堆為熱源，以水為原料，可完全消除制氫過程的碳排放。

2021年9月，中核集團、清華大學、寶武集團等多家單位共同發起成立高溫氣冷堆碳中和制氫技術產業聯盟。多方攜手，聚焦關鍵核心技術問題展開協同攻關，推動高溫氣冷堆制氫技術和產業發展。未來，以高溫氣冷堆技術為基礎，可開發氫冶煉、氫化工等應用技術，助力“雙碳”目標，成果可期。