中国高温气冷堆技术发展与应用

中国高温气冷堆技术发展与应用CONTENTS目录01高温气冷堆技术概述02中国高温气冷堆发展历程03核心技术创新与突破04石岛湾示范工程实践CONTENTS目录05多场景应用前景06产业链与产业协同07未来发展规划与展望01高温气冷堆技术概述第四代核电技术的核心特征

01固有安全性：从设计上杜绝熔堆风险采用全陶瓷包覆颗粒燃料元件（如高温气冷堆的TRISO燃料），可耐受1600℃以上高温，即使丧失所有冷却，堆芯也能依靠自然散热安全停堆，无需场外应急。

02高温高效：提升能源转化与多场景应用反应堆出口温度可达700~1000℃，发电效率超40%（传统核电约33%），可直接提供高温工艺热，用于石化、制氢等工业领域，拓展核能非电应用。

03模块化设计：灵活适配不同能源需求采用小型模块化反应堆（SMR），单模块功率200~600MWt，可多模块组合扩展容量，适应电网调峰、区域供热、海岛供电等多样化场景，缩短建设周期。

04可持续性：优化燃料利用与废物管理支持钍铀增殖燃料循环，燃料利用率提升至90%以上，产生的长寿命核废料量大幅减少，部分堆型具备核废料嬗变能力，降低环境负担。高温气冷堆的定义与工作原理高温气冷堆的定义

高温气冷堆是一种先进的第四代核电堆型技术，以氦气为冷却剂，石墨为慢化剂，采用全陶瓷包覆颗粒球形燃料元件，具有固有安全、模块化设计与建造和多用途等特性，反应堆出口温度可达700~1000℃。核心工作原理概述

高温气冷堆通过核燃料在反应堆堆芯发生裂变反应释放热量，氦气作为冷却剂将热量带出堆芯，进入蒸汽发生器加热水产生蒸汽，推动汽轮发电机组发电，冷却后的氦气返回堆芯循环使用，实现核能-热能-机械能-电能的转化。球形燃料元件结构

以二氧化铀为核心，外面包覆热解碳和碳化硅层形成0.92mm直径的包覆颗粒燃料，约12000个包覆颗粒与石墨一起被填充在1个直径60mm的燃料球中，能耐受1600℃以上高温，有效阻止放射性物质外泄。模块式反应堆结构

一个反应堆模块由反应堆和一台蒸汽发生器构成，采用“肩并肩”布置。中国石岛湾示范工程（HTR-PM）设计有2个模块，每个模块热功率250MWt，共同向1台汽轮发电机供应蒸汽，发电功率210MWe，可根据需求灵活组合多个模块。与传统核电技术的对比优势

固有安全性实现革命性突破采用全陶瓷包覆颗粒球形燃料元件，可耐受1600℃以上高温，结合氦气惰性冷却剂和非能动余热排出系统，从原理上杜绝堆芯熔毁风险，无需场外应急措施。

发电效率与能源利用率显著提升反应堆出口氦气温度达750℃，采用高参数蒸汽循环发电效率超40%，较传统压水堆（约33%）提升约20%；高温特性使综合能源利用效率可达70%以上。

多用途应用场景拓展核能价值除发电外，可提供541℃高品质工业蒸汽，满足石化、稠油热采等需求；950℃高温热源支持大规模绿氢生产，为钢铁、交通等行业脱碳提供关键支撑。

模块化设计增强建设运营灵活性单模块热功率250MWt，可灵活组合满足不同规模能源需求；核岛系统设备数量仅为传统压水堆的55-65%，简化建设流程并降低运维成本。

燃料利用与废物处理更具可持续性燃料元件平均卸料燃耗达90GWd/tU，远超传统压水堆，提高铀资源利用率；采用不停堆连续换料，提升机组负荷因子，核废物产生量显著减少。02中国高温气冷堆发展历程技术探索阶段（1980s-2000）01技术研发启动与方向确立上世纪80年代，在中国科学院院士王大中带领下，清华大学开始先进核能技术研发，聚焦以固有安全为主要特征的高温气冷堆技术，将其作为极具潜力的新一代核电技术方向。02国家“863计划”支持与关键技术突破在国家“863计划”支持下，团队攻克了球形燃料元件、球床流动特性等多项关键技术，为高温气冷堆的发展奠定了重要的技术基础。0310兆瓦高温气冷实验堆建成2000年，清华大学建成10兆瓦高温气冷实验堆（HTR-10），这是世界上首个实现“模块式”肩并肩布置的球床高温气冷堆实验堆，标志着我国在该领域迈出了从理论研究到实验验证的关键一步。实验堆建设与突破（2000-2003）

10兆瓦高温气冷实验堆建成2000年，我国自主研发建造的10兆瓦球床模块式高温气冷实验堆（HTR-10）在清华大学建成，是世界上首个实现“模块式”肩并肩布置的球床高温气冷堆实验堆。

关键技术突破在国家“863计划”支持下，团队突破了球形燃料元件、球床流动特性等多项关键技术，为后续发展奠定基础。

实现满功率运行2003年1月29日，10兆瓦高温气冷实验堆成功实现72小时连续满功率运行，验证了技术可行性，标志着我国在高温气冷堆技术领域迈出关键一步。

开启成果转化之路2003年，中国核工业集团有限公司与清华大学共同组建中核能源科技有限公司，正式开启高温气冷堆科技成果转化之路。示范工程推进历程（2006-2023）单击此处添加正文

国家战略布局与方案获批（2006-2008）2006年，高温气冷堆被列入国家科技重大专项，标志着技术产业化正式启动。2008年2月，国务院批准高温气冷堆科技重大专项总体实施方案，明确由中核能源作为工程实施主体，承担示范工程设计总体院及EPC总承包职责。工程建设全面启动（2012-2018）2012年12月，石岛湾高温气冷堆核电站示范工程浇筑第一罐混凝土，正式开工建设。2015年完成现场土建工程及厂房封顶，2016年两台反应堆压力容器安装就位，2018年底主设备研制与生产基本完成，期间攻克了模块化建造、大型设备吊装等多项工程难题。系统调试与安全验证（2020-2023）2020年10月，首堆一回路冷态功能试验一次成功，采用压缩空气介质分台阶加压至8.9MPa验证强度性能。2021年9月工程实现首次临界，2023年12月完成168小时连续运行考核，期间开展700余项调试试验，全面验证固有安全性及运行稳定性，最终正式投入商业运行。关键技术突破与装备自主化示范工程建设期间，累计承担89项重大专项课题，突破球形燃料元件规模化制造、氦气密封与冷却等核心技术，研制世界首创型设备超660台，首台套设备达2200台套，设备国产化率达93.4%，形成完全自主知识产权的技术体系。商业运行与技术引领（2023-至今）全球首堆商业运行里程碑2023年12月6日，山东石岛湾高温气冷堆核电站示范工程投入商业运行，成为全球首座投入商业运行的第四代核电站，标志着我国在第四代核电技术研发和应用领域达到国际领先水平。商业运行初期成效显著截至目前，石岛湾高温气冷堆已累计安全稳定运行近万小时，累计发电量达6.5亿度，各项性能指标均达到或超过设计预期，每年可减少二氧化碳排放90万吨。技术引领与国际影响力石岛湾示范工程的成功，使我国全面掌握高温气冷堆技术，设备国产化率达93.4%，形成2200余台套首台套设备，其中世界首创型设备超660台，为全球核能安全利用提供了中国方案。产业化推广与未来展望在示范工程基础上，60万千瓦高温气冷堆技术方案已形成并转入施工图设计阶段，同时高温气冷堆在核能制氢、工业供热等领域的应用研发持续推进，2030年国内装机容量目标突破1500万千瓦。03核心技术创新与突破固有安全设计：燃料元件与冷却系统全陶瓷包覆颗粒球形燃料元件高温气冷堆采用直径约6厘米的球形燃料元件，内含约1.2万个四层陶瓷包覆（疏松热解碳、内致密热解碳、碳化硅、外致密热解碳）的燃料颗粒，可承受1620℃高温，有效阻止放射性物质泄漏。氦气冷却剂的特性与优势以惰性气体氦气作为冷却剂，化学性质稳定，不燃烧、不爆炸，传热效率高，反应堆出口温度可达700~1000℃，为高效发电和多用途应用奠定基础。非能动余热排出机制通过热传导、热辐射和自然对流等自然机制，在失去强迫冷却时将堆芯余热安全散发，无需依赖外部动力或人为干预，确保堆芯温度不超过安全限值，从根本上避免堆芯熔毁。模块化反应堆设计与优势

模块化设计核心内涵采用单区圆柱状堆芯的两模块方案，每个反应堆模块热功率为250MWt，可通过标准化模块组合建设更大规模电站，如石岛湾示范工程采用2个模块带1台汽轮发电机，发电功率210MWe。

安全性能提升每个小模块热功率约为大型压水堆的1/10，停堆后余热水平低，结合非能动余热排出系统，仅依靠热传导、辐射和自然对流即可安全散热，从设计上降低堆芯熔化风险。

建设与运维灵活性模块可独立制造、运输和安装，适应不同电力需求场景；支持不停堆连续换料，通过燃料球自堆芯顶部装入、底部卸出并检测燃耗，未达设计值的燃料球可重新利用，提升设备利用率。

经济性与市场适配性单模块功率规模适中，可根据区域需求灵活配置容量，降低初始投资压力；标准化模块生产有利于缩短建造周期，后续60万千瓦级高温气冷堆技术方案已完成初步设计，推动产业化应用。关键设备国产化成就（93.4%国产化率）

国产化率与首台套设备规模高温气冷堆核岛1.5万多台套设备中，2200台套为首台套，世界首创型设备超过660台，设备国产化率达到93.4%。

核心设备突破：核电之肺蒸汽发生器蒸汽发生器采用五层螺旋盘管结构，单台含19个换热单元，每根管子展开长度60米。由清华核研院、中核能源等10多家单位联合攻关，建成国际首个核级螺旋盘管和换热单元生产线。

核心设备突破：主氦风机与反应堆压力容器成功研制电磁轴承主氦风机、世界最大最重的反应堆压力容器，创新双机翻转吊装工艺，并攻克陶瓷堆内构件精确安装、燃料装卸系统复杂管路安装等技术难题。

燃料元件与其他关键系统建成全球规模最大的碳化硅包覆颗粒核燃料元件工厂，年产能达30万个球形燃料元件；完成控制棒和吸收球系统、氦净化系统等多个首台套设备研制，形成自主知识产权近300项。高温工艺热应用技术突破

01高参数蒸汽供应能力高温气冷堆一回路冷却剂氦气出口温度高达750摄氏度，能够产生541摄氏度的过热蒸汽，可满足石化行业主要的蒸汽需求，为石油精炼和煤化工等领域提供高品质蒸汽。

02核能制氢技术探索高温气冷堆具备提供950℃高温热源的潜力，可用于大规模、工业化制取绿氢。其高温电解水制氢效率比传统方法高30%，为未来氢能产业发展提供了清洁高效的能源解决方案。

03多场景工艺热利用拓展高温气冷堆产生的高温工艺热不仅可用于发电，还能广泛应用于稠油热采、海水淡化等领域。例如，为连云港万亿级石化产业基地大规模供应高品质低碳工业蒸汽，推动能源、化工等行业绿色低碳转型。04石岛湾示范工程实践工程概况与技术参数示范工程基本信息华能山东石岛湾高温气冷堆核电站示范工程是全球首座投入商业运行的第四代核电站，2012年12月开工建设，2023年12月投入商业运行，位于山东省威海市荣成石岛湾。反应堆模块设计采用模块式设计，包含两个热功率为250MWt的反应堆模块，共同向1台汽轮发电机组供应蒸汽，发电功率为210MWe。反应堆堆芯直径3m，高11m，装有约4.2×10⁵个燃料球。核心技术参数反应堆出口氦气温度750℃，可产生541℃的过热蒸汽；采用球形燃料元件，每个燃料球直径60mm，内含约1.2万个包覆颗粒燃料；设备国产化率达到93.4%，核岛1.5万多台套设备中有2200台套为首台套，世界首创型设备超过660台。运行与经济指标年发电量可达14亿千瓦时，每年可减少二氧化碳排放90万吨；采用不停堆连续换料方式，平均卸料燃耗设计值为90GMWd/tU，热效率可达40%以上。建设历程与重大节点

技术探索与实验堆奠基（20世纪80年代-2003年）上世纪80年代，在中国科学院院士王大中带领下，清华大学开始先进核能技术研发。在国家“863计划”支持下，突破球形燃料元件、球床流动特性等关键技术，于2000年建成10兆瓦高温气冷实验堆，并于2003年1月29日成功实现72小时连续满功率运行，正式开启科技成果转化之路。

示范工程启动与建设推进（2006年-2021年）2006年，高温气冷堆被列入国家科技重大专项。2008年，总体实施方案获国务院批准。2012年12月9日，石岛湾高温气冷堆核电站示范工程浇筑第一罐混凝土，正式开工。2015年现场土建工程全部完成，厂房封顶；2016年两台反应堆压力容器安装就位；2020年10月首堆一回路冷态功能试验一次成功；2021年9月工程建成并实现首次临界。

商运投产与全球领先（2023年至今）2023年12月6日，石岛湾高温气冷堆核电站示范工程完成168小时持续运行考核，投入商业运行。这是全球首座投入商业运行的第四代核电站，标志着我国在第四代核电技术研发和应用领域达到国际领先水平。截至目前，已累计安全稳定运行近万小时，各项性能指标达到或超过设计预期。运行性能与安全验证成果调试运行与性能指标2020年7月进入调试阶段，30个月内完成700余项调试试验，验证了设计参数准确性与运行经验积累。2023年12月投入商运，截至目前累计发电6.5亿度，各项性能指标均达到或超过设计预期。固有安全性极限验证模拟全厂断电、冷却剂丧失等多种极限事故工况，反应堆依靠自身物理特性实现自然冷却，堆芯温度可控，未出现熔毁风险，充分证明其固有安全性。燃料球在1620℃高温下仍能有效阻挡放射性泄漏。关键技术突破与自主能力掌握大体积双模块化反应堆回路强度密封及升温技术、低功率密度固有安全性能验证等六大关键核心技术，形成自主设计、制造、建造和运行能力，设备国产化率达93.4%。全球首堆的示范意义

01树立全球第四代核电技术标杆石岛湾高温气冷堆示范工程作为全球首座投入商业运行的第四代核电站，标志着我国在第四代核电技术研发和应用领域达到国际领先水平，为全球核能发展提供了“中国方案”。

02验证固有安全性与技术可靠性通过模拟全厂断电等极端事故工况，充分验证了高温气冷堆的固有安全性，即不依靠人为干预和外部动力，堆芯不会熔化，放射性物质不会大量泄漏，为后续技术推广奠定安全基石。

03构建自主可控的核电产业链示范工程建设过程中，攻克了2200余台套首台套设备、660余台套世界首创型设备的研制难题，设备国产化率达93.4%，形成了从核燃料到核心设备、工程建设、运维服务的完整产业链。

04探索核能综合利用新路径高温气冷堆不仅能高效发电（热效率可达40%以上），还可提供750℃以上高温工艺热，满足石化、煤化工、稠油热采等领域需求，并为大规模绿氢制备提供清洁热源，拓展了核能应用场景。

05积累重大科技专项攻坚经验通过“产学研用”深度融合，形成了“党建引领+四链协同”的一体化攻关模式，为国家重大科技专项的组织实施提供了可复制、可推广的管理经验，培养了一支高素质专业人才队伍。05多场景应用前景高效发电与热电联产发电效率优势显著高温气冷堆采用传统蒸汽循环方式发电效率可达40%以上，若采用氦气透平联合循环，效率能达到50%以上，远高于传统压水堆约33%的发电效率。高温工艺热满足工业需求高温气冷堆一回路冷却剂氦气出口温度高达750摄氏度，能够产生541摄氏度的过热蒸汽，可满足石化行业、石油精炼、煤化工、稠油热采等领域对高品质蒸汽的需求。热电联产实现能源梯级利用通过汽轮机抽汽等方式，高温气冷堆可实现热电联产，用于100~400℃不同参数的工业和民用供热市场，提高能源综合利用效率，降低单位能源消耗的碳排放。工业供热与石化耦合应用

高温工艺热替代化石能源高温气冷堆可提供750℃以上高温工艺热，直接满足石油精炼、煤化工、稠油热采等领域对高品质蒸汽的需求，有效替代传统化石能源供热，助力工业领域深度减排。

江苏徐圩核能供热示范工程全球首个高温气冷堆与压水堆耦合的核能供热工程，创新采用“核反应堆-汽轮发电机组-供热系统”协同运行模式，为连云港万亿级石化产业基地大规模供应低碳工业蒸汽。

HTR-PM600S供热堆技术方案针对石化园区绿色低碳高参数蒸汽需求研发，在保证固有安全性前提下，提升经济性与市场适应性，具备大规模蒸汽生产供应或热电联供能力，技术成熟度高。核能制氢技术路径与潜力

高温气冷堆制氢技术优势高温气冷堆出口氦气温度可达750-950℃，可直接提供高温工艺热用于高效热化学制氢（如硫碘循环），效率比传统电解水制氢高30%以上，且零碳排放。

主要技术路径与特点高温气冷堆制氢主要路径包括：高温电解水制氢（利用高温蒸汽提高电解效率）、热化学循环制氢（如硫碘循环、铜氯循环，直接利用核热分解水），以及甲烷重整制氢（结合高温气冷堆热源降低化石能源消耗）。

应用潜力与市场前景高温气冷堆制氢可满足钢铁、化工、交通等领域大规模绿氢需求。据测算，单座20万千瓦级高温气冷堆年可制氢约1万吨，若推广应用，将显著助力“双碳”目标实现，预计2030年相关市场规模可达千亿级。

示范工程与未来规划华能石岛湾高温气冷堆已具备制氢技术基础，后续60万千瓦级项目将重点推进核能制氢示范。中核能源等单位正联合研发HTR-PM600S供热堆方案，进一步提升制氢经济性，为产业化推广奠定基础。小型模块化堆与分布式能源

小型模块化堆（SMR）的技术特性小型模块化堆具有功率规模灵活（通常电功率数十万千瓦级）、模块化设计、建造周期短、部署灵活等特点，适合分布式能源需求。如我国“玲龙一号”及高温气冷堆模块，可根据区域需求组合布置。

分布式能源场景下的应用优势小型模块化堆可就近为工业园区、偏远地区、海岛等提供电力、热力，降低输电损耗。例如高温气冷堆可实现热电联产，满足石化园区对高参数蒸汽的需求，同时适应电网调峰。

高温气冷堆在分布式能源中的独特价值高温气冷堆凭借固有安全性，可贴近用户建设；模块式设计支持多模块组合，适应不同规模能源需求；高温特性还可拓展至制氢、工业供热等分布式应用，提升能源综合利用效率。

国内外小型模块化堆发展趋势全球多国加速SMR研发，中国在高温气冷堆、“玲龙一号”等领域已实现突破。国际能源署预测，未来全球新增核电装机的三分之一可能来自SMR，中国正积极推动技术产业化及“一带一路”沿线市场推广。06产业链与产业协同产学研一体化创新模式

校企协同的创新主体中核集团与清华大学共同组建中核能源科技有限公司，作为高温气冷堆科技成果转化平台，清华核研院聚焦原始创新，中核能源负责工程设计与EPC总包，形成“研发-转化-工程”协同链条。跨单位联合攻关机制成立联合设计机构及设计采购一体化攻关组，针对蒸汽发生器等关键设备，组织清华核研院、中核能源等10余家单位协同研发，通过“背对背”计算分析、“一比一”工程实验验证技术可行性。人才培养与实践融合联合举办核工程硕士班，将工程任务转化为毕业设计课题，培养上百名工程技术人员，许多已成长为高温气冷堆领域中坚力量，实现理论知识与工程实践深度结合。全产业链协同生态整合国内500余家高校院所、国企及民企，覆盖核燃料、设备制造、工程建设等全链条，通过“党建促专项”等机制构建创新联合体，攻克2200余台套首台套设备，设备国产化率达93.4%。核心设备制造产业链布局首台套设备研制成果高温气冷堆核岛1.5万多台套设备中，有2200台套为首台套，世界首创型设备超过660台，设备国产化率达到93.4%。关键设备攻关案例蒸汽发生器被称为“核电之肺”，其换热单元采用五层螺旋盘管，1台蒸汽发生器里有19个。清华核研院、中核能源等10多家单位参与，建成国际首个核级螺旋盘管和换热单元生产线。产业链协同创新模式国内多家高校院所、国有企业、民营企业共同参与，研发、生产、参数调优、工艺迭代几乎同步进行，形成了从设计到制造的完整产业链协同机制。燃料元件制造突破解决大批量生产碳化硅包覆颗粒球形核燃料元件难题，年产能达30万个球形燃料元件、36亿个包覆颗粒，在内蒙古包头建成全球规模最大的碳化硅包覆颗粒核燃料元件工厂。高温气冷堆产业链联盟建设

联盟成立背景与目标高温气冷堆产业链联盟由中核集团、华能集团、清华大学牵头，52家单位加盟，覆盖核燃料、核心设备、材料、设计建造、运维服务、下游应用等全产业链环节，旨在实现核心设备100%国产化、度电成本降至0.3元/度以下，并拓展国内外市场。

联盟组织架构与运作机制联盟构建“国家队+龙头企业+顶尖高校”的产学研用一体化体系，通过联合攻关、集中采购、技术共享等方式整合资源，例如在主氦风机、蒸汽发生器等关键设备研制方面实现协同创新，推动设备成本降低30%。

联盟的核心任务与成果方向联盟重点攻关“卡脖子”技术，推动高温气冷堆在发电、供热、制氢等多领域应用，目标到2030年国内装机容量突破1500万千瓦，出口500万千瓦，带动全产业链规模超5000亿元，助力我国在第四代核电技术领域保持全球领先地位。07未来发展规划与展望技术迭代：60万千瓦级方案进展

方案形成与设计阶段在充分吸收石岛湾示范工程经验基础上，60万千瓦高温气冷堆技术方案已经形成，并已完成核岛初步设计，全面转入施工图设计阶段。

核心技术传承与优化继承了示范工程的主工艺、主设备、固有安全设计及工程验证实践等方面经验，旨在进一步提升经济性、技术先进性和市场适应性。

产业化推广的关键一步60万千瓦级方案的推进，是高温气冷