郝文涛, 张亚军, 杨星团, 郭文利
清华大学 核能与新能源技术研究院, 北京 100084
收稿日期：2021-02-20
基金项目：国家国防科技工业局核能开发科研项目
作者简介：郝文涛(1981-), 男, 副研究员。E-mail: haowt@tsinghua.edu.cn

摘要：在减少温室气体排放、缓解空气污染的需求背景下，减少化石能源消耗、增加核能在一次能源消耗中的占比，已成为科技界和产业界的共识。清华大学聚焦居民供热、工业蒸汽、海水淡化等需求，同时兼顾偏远地区发电需要，自主研发了能够产生1.6 MPa饱和蒸汽的小型模块化压水堆NHR200-Ⅱ。该堆采用一体化布置、全功率自然循环、自稳压、非能动安全的设计理念，设有中间隔离回路，可实际消除大规模放射性释放、技术上无需采取场外应急措施，可贴近城市周边和最终用户建设；同时，系统设计简化、运行操纵简单、放射性废物量少，保障了该技术具有经济竞争力。经过试验堆建设和30余年的持续攻关，该技术已具备示范应用条件。
关键词：核供热堆小型模块化堆NHR200-Ⅱ一体化全功率自然循环非能动安全
Characteristics and heating market applications of NHR200-Ⅱ, a small, modular integrated full-power natural circulation reactor
HAO Wentao, ZHANG Yajun, YANG Xingtuan, GUO Wenli
Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Abstract: The world desires to reduce greenhouse gas emissions and air pollution. Many researchers believe that one key method is greater use of nuclear energy to reduce fossil fuel consumption. NHR200-Ⅱ, a small, modular pressurized water reactor that produces 1.6 MPa saturated steam, can be used for district heating, industrial steam, seawater desalination, and remote power generation. NHR200-Ⅱ has integrated system components, full-power natural circulation, self-pressurization, passive safety systems, and an intermediate isolation loop. The design essentially eliminates the possibility of large radioactivity releases, so off-site emergency measures are probably unnecessary so NHR200-Ⅱ can be constructed near large cities and end-users, which is essential for district heating systems. At the same time, the simplified system design, convenient operation, and minimal radioactive waste make NHR200-Ⅱ very economically competitive. Experience with a test reactor and more than three decades of research has shown that this technology is mature and ready for demonstration projects.
Key words: nuclear heating reactorsmall modular reactor (SMR)NHR200-Ⅱintegrated arrangementfull power natural circulationpassive safety
近年来，为减少碳排放，缓解温室气体排放导致的全球变暖问题，世界各国均致力于发展包括核能在内的低碳清洁能源技术的开发和应用。进入21世纪以来，以美国、俄罗斯为代表的核能强国均开展了具有革新性技术特点的小型模块化堆(small modular reactors, SMR)的研发。与大型核电压水堆相比，这类小型模块化堆具有固有安全性高、用途多样、部署灵活、总投资低、建造周期短等特点。据国际原子能机构(International Atomic Energy Agency，IAEA)不完全统计，目前全球处于不同研发阶段的各类小型模块化堆已超过50种^[1]。其中，采用一体化或紧凑式布置的水冷堆具有较高的技术成熟度，阿根廷的试验堆CAREM正处于建造阶段，美国Nuscale Power公司一体化反应堆Nuscale已于2020年8月通过美国核管会的设计审查。
早在20世纪80年代，清华大学面向居民供热需求，设计并建造了热功率为5 MW的一体化全功率自然循环低温供热试验堆NHR5。此后，面向居民供热、海水淡化、工业蒸汽等市场需求，持续开展关键技术攻关，完成NHR200-Ⅱ的技术研发和初步设计，从而具备示范应用条件。
1 技术研发过程^[2]1.1 面向居民供热应用的堆型研究早在1981年12月我国第一次小型供电、供热反应堆会议上，清华大学核能与新能源技术研究院(简称核研院)的前身核能技术研究所就提出了在中国发展低温核供热堆的倡议，并于1983年冬至1984年春，在池式屏蔽试验堆上成功地进行了我国首次核供热试验。在该供热试验获得成功的基础上，国家科学技术委员会组织专家进行了为期近一年的调研和论证，根据我国北方广大城市适宜修建参数较高的大中型热网的需要，确定以壳式供热堆作为我国供热堆技术的主力堆型。
受供热距离的限制，供热堆需建设在大中型城市的周围，对其安全性提出了更高的要求。为此，清华大学核研院提出了与商用压水堆不同的全新设计理念，用时近两年时间，完成了热功率为5 MW的低温核供热堆NHR5的方案设计，该堆采用了一体化布置、全功率自然循环、内置式水力驱动控制棒等技术方案，于1986年被列入国家“七五”重点攻关项目。
1.2 NHR5建设和运行试验低温供热试验堆于1986年3月开始动工兴建，1989年11月首次临界，1989年12月16日达到满功率并连续满功率运行100 h一次成功。
在5 MW堆连续3个冬季供暖运行中，其供热可运行率高达99%，负荷跟随性能优异，功率调节方便，节能效果明显，堆的运行可利用率达到国际先进水平^[3]。
1.3 面向供热市场的技术开发和推广在NHR5建成和连续安全运行的基础上，清华大学核研院对城市居民供热需求进行了充分分析论证，提出热功率为200 MW的Ⅰ型供热堆(NHR200-Ⅰ型)方案，于“八五”“九五”期间完成了该堆的研发和相关工程验证试验，包括安全系统试验、关键设备性能试验等。
为了解决我国广大北方城市集中供热带来的能源需求及环保问题，国家决定“九五”期间在大庆建造一座热功率为200 MW的低温核供热示范站，作为重要工业性实验项目，取得建造和运行经验，并在此基础上推广应用。采用NHR200-Ⅰ的大庆200 MW低温核供热示范站于1993年6月经国家计划委员会批准立项，并于1996年12月获得国家核安全局颁发的建造许可证。
此后，清华大学核研院持续开展了NHR200-Ⅰ的技术推广与应用，沈阳2×200 MW核供热工程、山东核能海水淡化工程分别于2001年4月和2003年3月获得国家批准立项。但受制于核能供热相对燃煤经济竞争力不强等因素影响，上述项目未能开工建设。
1.4 面向核能综合利用的改进提高在总结前期设计和市场推广经验的基础上，清华大学核研院充分认识到，在保持安全性的基础上，应进一步提高该技术的经济性，使其具有更好的市场竞争力。2006年，清华大学核研院根据市场反馈信息和蒸汽透平混合法海水淡化工艺的要求，开发出NHR200-Ⅱ低温供热堆，具备提供1.6 MPa、201℃饱和蒸汽的能力。
1.5 应对环境污染和气候变化的新机遇为缓解中国北方地区冬季空气污染问题，国家发展改革委等10部委于2017年印发《北方地区冬季清洁取暖规划(2017—2021年)》，明确提出采用清洁取暖方式替代小型燃煤锅炉和散煤，核能供暖再次被提上议事日程。为建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系，国家发展改革委、国家能源局于2016年4月印发《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》，提出推进先进模块化小堆示范工程建设。
作为国际上为数不多的具有试验堆建造和运行经验的一体化全功率自然循环反应堆，NHR200-Ⅰ、NHR200-Ⅱ以其技术成熟、固有安全性高的技术特点，再次获得核能行业的关注。清华大学核研院根据日本福岛核泄漏事故后最新的法规要求，进一步开展了针对NHR200-Ⅱ的关键系统和设备验证试验研究，完成一回路自然循环热工水力学研究、控制棒水力驱动系统工程验证等试验，并在此基础上完成初步设计，具备示范项目建设条件。
2 NHR200-Ⅱ总体技术方案NHR200-Ⅱ采用与NHR5类似的总体技术方案，主要包括一体化反应堆、主输热系统、专设安全系统和为数不多的辅助系统，其总体技术参数如表 1所示。
表 1 NHR200-Ⅱ总体技术参数

参数名称	数值
热功率/MW	200
反应堆设计寿期/a	60
反应堆冷却剂工作压力(额定工况)/MPa	8.0
堆芯入口/出口温度(额定工况)/℃	232/280
中间回路工作压力(额定工况)/MPa	8.8
蒸汽发生器出口蒸汽压力(额定工况)/MPa	1.6
蒸汽发生器出口蒸汽温度(额定工况)/℃	201.4
燃料组件数量/盒	208
换料周期/a	2

表选项






2.1 一体化反应堆如图 1所示，NHR200-Ⅱ反应堆压力容器内布置有堆芯、主换热器、堆内构件、内置式控制棒驱动机构。燃料组件位于压力容器下部，主换热器布置在压力容器上部筒体与堆内构件吊篮围筒之间的环形空间内。压力容器上部液面以上有一定气空间，由水蒸汽分压及氮气分压构成反应堆冷却剂系统的运行压力。

图 1 NHR200-Ⅱ一体化反应堆示意图

图选项

压力容器是反应堆作为反应堆冷却剂的压力边界，是防止放射性物质向外泄漏的第二道安全屏障。NHR200-Ⅱ的压力容器主要由筒体和顶盖两大部件组成，其设计综合考虑了安全性、经济性、工艺可行性等因素，材料选用压水堆核电站常用的低合金钢。考虑到居民供热、工业蒸汽等应用场景对NHR200-Ⅱ提出的高安全性要求，采用了双层筒体的设计，当内层筒体在极端情况下出现破口时，外层筒体仍可承受住全部内压，阻止一次冷却剂外泄，确保堆芯不会裸露。
主换热器分为2组，布置在反应堆压力容器和堆芯围筒上部水力提升段(烟囱)之间的环缝中。主换热器采用套管管束式结构，反应堆冷却剂在外套管的管间和内套管的管内流动，中间回路水在内外套管之间的环缝中流动，从而实现反应堆冷却剂与中间回路水的换热。该方案具有结构紧凑和一次侧流动阻力小的优点，有利于实现主换热器在堆内的布置并提升一回路自然循环的能力。
堆内构件安装在压力容器内，形成反应堆的一回路流道，支承并约束燃料组件、控制棒和控制棒驱动机构及主换热器等。
燃料组件带有Zr-4合金的组件盒，盒内按正方形方阵式排列燃料元件棒。每个燃料组件内装有一定数量的燃料棒和水棒。为了补偿堆芯的初始过剩反应性，部分燃料棒中加入了天然的Gd₂O₃作为可燃毒物。钆棒的结构和普通的燃料棒相同，芯块由Gd₂O₃与UO₂混合烧结而成。燃料组件盒之间布置有十字形的控制棒，采用烧结天然B₄C作为吸收材料。
NHR200-Ⅱ控制棒驱动机构在NHR5的基础上进行了改进设计，继承了内置式控制棒驱动机构不贯穿压力壳、传动线短、避免了弹棒事故等优点，同时结合抓式驱动机构的优点，解决了因工况变化而引起的动压驱动特性复杂的缺点^[4]。该机构采用压力容器内的冷却剂水作为介质，具有失效安全的特点，在发生断电、断流、设备故障等事故下，控制棒在重力作用下可自动落棒，使反应堆停堆。
2.2 主输热系统NHR200-Ⅱ输热系统由三重回路组成，主系统原理如图 2所示。反应堆冷却剂自下而上流经堆芯，被堆芯燃料组件加热向上流入上腔室后，侧向流入布置在外侧环形空间中的主换热器。在主换热器中，反应堆冷却剂将热量传递给主换热器二次侧的中间回路水，冷却后的反应堆冷却剂向下流过压力容器与堆芯围筒之间的环形空间，到达堆芯下部的入口联箱，完成反应堆冷却剂的自然循环。

图 2 NHR200-Ⅱ主系统原理图

图选项

中间回路为强迫循环回路，设置了两套独立的、功率各为50%的环路，每个环路和反应堆内的一组主换热器相连。中间回路介质通过循环泵加压后进入主换热器，在主换热器内将反应堆冷却剂系统热量带出，然后通过蒸汽发生器产生蒸汽，从而向二回路系统输热。
二回路系统可根据不同的用户要求进行设计，以满足居民供暖、工业蒸汽、海水淡化、热电联供等多样化需求。
2.3 专设安全系统NHR200-Ⅱ专设安全系统主要包括余热排出系统和注硼系统，均采用非能动设计理念(见图 3)。

图 3 非能动专设安全系统原理图

图选项

1) 非能动余热排出系统。
NHR200-Ⅱ的非能动余热排出系统包括两套相互独立的回路，每一回路均有足够的载热能力，在正常停堆和事故工况下将余热载出，从而使反应堆安全地达到冷停堆状态。
该系统采用非能动设计，余热排出过程通过三重自然循环完成，其最终热阱为大气：一是靠反应堆冷却剂的自然循环将堆芯余热输送到压力容器内的主换热器，通过主换热器将热量交换至二次侧水；二是受热的二次侧水靠自然循环上升到空气冷却器管内，被管外的空气冷却以后再回流到壳内主换热器二次侧；三是冷空气由空冷塔下部的进气口进入空冷塔，在通过空气冷却器管束时被加热而上升，热空气通过空冷塔上方窗口散到大气中，与空冷塔外的冷空气形成自然对流。
2) 注硼系统。
注硼系统为第二停堆系统，采用非能动重力注硼方案。注硼罐内装有含硼溶液，通过下部的注硼管和顶部的压力平衡管与压力容器相连。一般情况下，包括反应堆处于停堆、正常功率运行、瞬变过程、设计基准事故等工况下，注硼系统借助隔离阀与压力容器隔离。极端事故下需要注硼时，打开压力平衡管和注硼管上的隔离阀，注硼罐内含硼溶液在重力的作用下沿注硼管注入反应堆，执行停堆功能，关闭反应堆。
2.4 辅助系统NHR200-Ⅱ采用无硼堆芯设计，其辅助系统较大型压水堆核电站有较大简化，主要包括控制棒水力驱动系统、反应堆冷却剂净化和容积控制系统、安全泄放系统、设备冷却水系统、中间回路水处理系统等。
3 主要安全特性NHR5的设计、建造，以及后续大量试验和分析结果表明，NHR200-Ⅱ技术成熟，非能动安全特性高，表 2所示为NHR200-Ⅱ与国际上采用一体化全功率自然循环的其他主要堆型的技术特性对比^[5]。
表 2 NHR200-Ⅱ与其他一体化自然循环反应堆对比

堆型	NHR200-Ⅱ	CAREM	NuScale	IMR
开发国家	中国	阿根廷	美国	日本
热功率/MW	200	100	160	1 000
电功率/MW	/	31	50	350
控制棒驱动机构	内置	内置	外置	内置
堆芯损伤概率/堆年	< 10-8	~10-7	< 10-8	3×10-7
非能动余热排出	2列	2列	2列	2列
非能动安注	不需要	2列	2列	不需要
非能动安全壳冷却	不需要	有	有	不需要
设计阶段	经过试验堆验证，完成初步设计	在建	完成初步设计	概念设计
事故后不需要人工干预时间/h	168	36	72	无限制

表选项






3.1 确保堆芯可靠冷却NHR200-Ⅱ的以下设计特点，有利于在各种事故下保持堆芯被水淹没：
1) 压力容器上没有大的引出管，且小口径工艺管嘴均位于压力容器筒体上部或顶盖上；
2) 压力容器的筒体采用双层设计，当内层筒体极端情况下出现破口时，外层筒体仍可承受全部内压，阻止反应堆冷却剂外泄；
3) 反应堆冷却剂系统装水量大、功率密度低。
事故分析结果表明，在预计运行事件、设计基准事故和扩展工况下，堆芯可始终被水淹没并得到可靠冷却，7 d内不需要采取人工干预措施。
3.2 非能动安全设计NHR200-Ⅱ非能动余热排出系统采用了失效安全的设计方案，管路上的电磁阀失电自动打开，无需其他信号触发。系统在运行过程中，不需外界驱动力的输入，仅需要水、空气等介质的自然流动即可将余热导出，可达到国际原子能机构所规定的B级非能动标准^[6]。
3.3 中间隔离回路防止放射性进入二回路在传统压水堆多重放射性隔离手段的基础上，NHR200-Ⅱ在反应堆冷却剂回路和二回路之间设置有中间回路系统。中间回路除传热的基本功能外，其本身作为一个闭合回路，从物理空间上实现了放射性反应堆冷却剂回路与二回路之间的隔离。同时，中间回路的运行压力高于反应堆冷却剂回路的运行压力，在主换热器传热管破裂事故工况下，中间回路的非放射性介质将向反应堆冷却剂回路泄漏，从而保证放射性介质不会进入中间回路系统，更不会进入蒸汽系统或用户热网。
3.4 技术上不需要采取场外应急措施对NHR200-Ⅱ的事故分析结果表明：反应堆能依靠非能动系统实现安全停堆以及余热载出；在任何设计基准事故和设计扩展工况下，堆芯活性区始终能被水淹没，从而实质上消除了堆芯熔化和大规模放射性释放^[7]。NHR200-Ⅱ的这一设计特点，使其满足我国最新核安全法规对小型模块化堆的要求，“在技术上对外部干预措施的需求是可免除的”^[8]。
4 热力市场应用分析进入21世纪以来，应对气候变化对全球能源供应提出了清洁化和低碳化的要求，特别是2020年以来，欧盟和部分其他国家相继提出碳中和的目标。我国也提出了二氧化碳排放量力争于2030年前达峰值、努力争取2060年前实现碳中和的目标，并提出2030年非化石能源占一次能源消费比重达到25%左右。据统计，2019年，我国一次能源消费中，非化石能源占比仅为15.3%，与25%的目标还有较大差距^[9]。而在热力市场，化石能源消耗占比更高，在2017年达到了约98%的水平^[10]。由于其他清洁能源受时间和空间的限制较大，对于在地理位置上总体分散、局部区域相对集中的工业供热、居民供暖等热力市场，核能将是替代化石能源、减少碳排放的重要技术方案。
4.1 工业供热1) 工业用户热力集中供应低碳化替代需求。
表 3所示为2010至2017年我国工业用户热力消费量，2016年起已超过1亿t标准煤。2011至2017年间，我国工业用户热力消费年均增长5.98%，按此增速估算，到2030年，工业用户热力消费量将达到2.32亿t标准煤，按非化石能源占比达25%的目标，将产生0.58亿t标准煤(即1.7×10⁹ GJ)的非化石能源工业热力市场，相当于317台热功率200 MW的小型反应堆供热能力(机组负荷因子按0.85估算)。
表 3 工业用户热力消费数据^[10-17]

年份	热力消费量/万t标准煤	同比增速/%
2010	7 269.74	/
2011	7 799.22	7.28
2012	8 299.64	6.42
2013	8 920.85	7.48
2014	9 121.57	2.25
2015	9 568.87	4.90
2016	10 294.40	7.58
2017	10 905.89	5.94

表选项






2) 工业用户自备燃煤锅炉低碳化替代。
在工业用户所消费的能源中，超过80%的能源为企业自备锅炉使用，这其中相当一部分为小型燃煤锅炉。在我国煤炭消费结构中，燃煤工业锅炉行业每年煤炭消费占比为全国的1/3。长期以来，我国燃煤工业锅炉是仅次于燃煤发电的第二大燃煤型污染源，也是PM2.5、PM10的主要来源之一。据有关部门统计，我国工业生产燃煤消耗量仅次于电力领域，达到了总消耗量的约32%^[18]。截至2017年，全国工业锅炉约有40.1万台，总容量合计约206万蒸吨。由于能源结构的特殊性，燃煤工业锅炉约32万台，占总量的80%^[19]。相比大型发电锅炉，工业燃煤锅炉由于热效率低、污染大，面临着更大的淘汰压力，未来一段时间内，寻找稳定可靠的替代供热能源将成为部分工业企业的重要任务。根据统计数据，2017年我国工业用户所消费燃煤量约为4.41亿t标准煤(不含用作原料、材料用量)^[10]。鉴于取消各自备锅炉、采用集中热力供应解决企业工艺热的需求将是未来的发展趋势，保守考虑自备锅炉用热需求不再增加，仅将4.41亿t标准煤的25%替代为非化石能源，也将产生1.1亿t标准煤的替代能源市场，相当于603台热功率200 MW的小型反应堆供热能力(机组负荷因子按0.85估算)。
经济性分析结果表明，NHR200-Ⅱ的供热成本低于天然气。其产生1.6 MPa的饱和蒸汽，能够满足大部分纺织、造纸、制药、海水淡化等工业用户的需求；通过燃气联合循环等多能互补方式，则可拓展至更大的应用范围^[20]。
4.2 居民供热在我国居民供热市场，热力供应以传统燃煤锅炉和燃煤热电联产为主。随着环境政策引导，北方地区冬季供暖燃煤消耗受限，产生了大量清洁供热需求。大力发展清洁燃煤供暖的同时，天然气、电制热、地热、生物质能、太阳能等多种能源形式都得到大力发展。然而，受供热成本、天然气对外依存度高、其他新能源形式能量密度短时间内难以满足城市大规模供暖需求等因素影响^[21]，固有安全性高、可靠近城市周边部署的核能供热技术再次成为城市居民大规模清洁供暖的重要技术方案。根据统计数据，我国城镇居民2017年热力消费为3 625.85万t标准煤，基本全部采用化石能源^[10]。如表 4所示，自2011年至2017年，年均热力消费增长率为6.75%，即使不考虑我国近年来出现的城镇化和集中清洁供暖加速发展，到2030年也将达到8 476万t标准煤的市场规模，若将其中的25%替代为非化石能源，将产生2 119万t标准煤的替代能源市场。考虑到我国北方地区居民供暖均集中在冬季，其市场规模需求将达到240台热功率200 MW的小型反应堆供热能力(按供暖季5个月、供暖可利用率按0.99估算)。根据测算，核能供热成本尽管高于燃煤，但低于燃气锅炉、蓄热式电锅炉风电等供热，在居民清洁供暖市场仍具有较强的经济竞争力^[22]。
表 4 居民集中供热消费数据^[10-17]

年份	热力消费量/万t标准煤	同比增速/%
2010	2 298.69	/
2011	2 388.50	3.91
2012	2 646.42	10.80
2013	2 778.19	4.98
2014	2 949.05	6.15
2015	3 199.98	8.51
2016	3 363.03	5.10
2017	3 625.85	7.81

表选项






5 结论为应对气候变化、缓解空气污染，提高低碳、清洁的非化石能源在一次能源消费中的比重，已在中国和全球的能源界形成共识。对于总体分散、局部区域相对集中的工业供热和居民供暖等热力市场，由于化石能源消耗占比更高，提高非化石能源比重的需求更为迫切。清华大学自主研发的小型模块化压水堆NHR200-Ⅱ，采用一体化布置、全功率自然循环、自稳压、非能动安全的设计理念，设有中间隔离回路，可实际消除大规模放射性释放、技术上无需采取场外应急措施，可贴近城市周边和最终用户建设，且具有较强的经济竞争力，对于热力市场需求具有良好的匹配性，有望取得广泛应用。

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