煤炭消费大户是发电，以煤为主的能源结构遇到了空前地挑战。不仅如此，目前有些污染治理措施，还需要更多地依靠电力，譬如，北方冬季采暖能否“煤改电”，汽车能否增加“电驱动”，作为现代工业基础的电力工业，向清洁能源转变应该是科技攻关任务的重中之重。
在现有降低煤炭消费措施中又存在许多瓶颈，限制了发展速度。例如，采用燃气蒸汽联合循环是目前世界电力工业发展的一个趋势，它能高效率的利用燃料，是一种清洁能源，有利于保护环境。不过我国天然气资源有限，虽然可以进口，但燃料价格和发电成本很高，限制了它的大规模发展。核能是减少温室气体排放和治理环境污染的清洁能源，但由于发生事故的后果严重，新一代高安全性的反应堆研制进展缓慢，也不能有力地支持电力工业的发展。风电作为一种可再生能源，装机容量发展很快，由于受到电网调峰能力的限制，有时还要“弃风”，不能充分发挥作用。
本文针对这些能源技术上的优势以及存在的限制因素，在现有成熟技术基础上，提出一种对清洁能源扬长避短的组合利用技术方案，即采用核能与天然气组合的高效清洁“核-气双源大型发电厂”。
一、 燃气蒸汽联合循环
大容量高效率的燃气轮机及其联合循环是世界电力工业发展的一个趋势，它既能节省日趋紧张的能源资源，又有利于保护环境。燃气轮机的优点是效率高、排污指标低、建设周期短、占地和用水量少、启动灵活、自动化程度高等。目前简单循环燃气轮机的功率已超过280 MW，净效率达到40%；联合循环的单机功率超过390 MW，净效率达到60%，而较先进的超超临界燃煤机组的热效率仅仅为45%左右。因此，随着天然气资源的广泛开发和应用，燃气轮机及其联合循环机组已成为世界上电力工业的主力机型。
我国主要因为天然气资源条件和燃料价格偏高的限制，发展受到制约。过去一直把燃气轮机定位为备用电源或调峰机组。近来随着国家西气东输、东海油气和进口液化天然气等项目的进展，已经准备快速提升天然气工业的开发速度。但是，面对数量庞大的燃煤机组的替换任务，燃气蒸汽联合循环发电的高成本也是难于逾越的障碍。
二、 追求高温气冷堆核能技术的创新发展
我国大型核电厂建设已经取得重大进展，目前投运机组17台，在建机组28台。由于日本福岛核事故的影响，我国核电转入稳步有序和慎重推进，而且提高了准入门槛，要求新建机组必须采用三代机组，符合最高安全标准。
核电还是一项较新的工程技术，目前压水堆向大型化高投资方向的发展空间已经受到限制，因此近来向小型化固有安全的方向提出了很多研究设计方案。国家规划也要求，要用最先进的成熟技术，持续开展在役在建核电机组安全改造，不断提升我国核电机组的安全性能。因此，如果我们能够在自主研发和技术创新方面，获得技术先进性和成熟性的实质性进展，我们就可能在核能利用上打开新局面。
（1）、 高温气冷堆面临的挑战
高温气冷堆是一种核电先进技术，其先进性表现在可以输出800到1000℃的高温热能，模块化设计获得了第四代核电才具有的固有安全性，使它可以避免发生严重的堆芯熔化事故。但近来的研究又发现一些其它方面影响安全运行的问题，这些问题必需排除，才能达到设计成熟水平。
高温气冷堆在几十年研究中，一直存在两种堆型，即柱状燃料堆和球形燃料堆，两种堆型各自存在本身特有的问题。简单地说，柱状燃料堆由于燃料块体积大，加工制造和辐照考验困难，在堆内的辐照变形出现间隙和振动问题也难以解决，目前还处于建造大型实验堆的前期。不过它的模块化设计性能，如单堆功率、输出温度和热电转换效率都好于球形燃料堆。
球形燃料堆近来的研究，发现了一些不容忽视的影响安全运行的问题。例如，在过去德国球床实验堆AVR上，曾发现吸附裂变产物的石墨粉尘达50～60kg之多。如果当时发生氦气泄漏事故，很可能造成放射性外泄，甚至发生高温石墨粉遇到空气爆燃或火灾等事故。大量石墨粉不仅使反应堆退役遇到困难，而且现有安全壳设计也不能满足安全要求。主要原因是运行过程中，所有燃料球都在不停的旋转和移动，因此产生大量石墨粉。另外，高温下燃料球移动规律不可能在常温实验条件下获得，高温移动特性不十分清楚，很可能在某些边角处有结晶化倾向，造成移动速度过慢，引发超燃耗限值，并产生不应有的放射性释放。燃料球移动又导致轴向功率分布严重不均，使平均功率降低一倍以上。南非在大量资金支持下，在德国技术基础上完成了球床高温气冷堆（PBMR）电功率165 MW的工程设计，并与美国、法国等公司合作准备投入建造，可是在上述问题面前，被迫于2年前停止了该项工程。
总之，吸取过去实验堆教训，不用燃料球不停滚动的设计，像大多数其它各类反应堆那样定期换料，将不会出现球床堆的这些严重问题。
（2）、高温气冷堆的创新改进——规则床高温气冷堆
但是，在挑战面前存在机遇。上述球形燃料堆存在的问题在柱状燃料堆上，并不存在。而柱状堆的问题，在球床堆上也不存在。利用两种实验堆经验，去劣存优，就发展出一种新型高温气冷堆成熟技术，这就是我们设计的规则床模块式高温气冷堆。
规则床采用球床高温气冷堆同样的燃料球，故能适用于同样的强放射性环境。燃料球的装卸和运输。如图1所示，就是正四棱锥规则堆积。只要在堆芯的底面上，加工很多半球形凹陷，使落入的燃料球成正方形排列，每4个球的中心又形成新的凹陷，它又成为次一层球的位置，以此层层累积就自动形成了正四棱锥规则堆积。堆积到堆芯就自动形成“结晶式”的固定结构，同柱状堆一样成为规则的堆芯外形，实现定期换料。运行中燃料球没有移动，就排除了球床堆的上述所有问题，同样也没有柱状堆的上述问题。关于这种规则床高温堆的详细技术情况，可参见文末所列的文献，还可以点击相关网址，观看一个由塑料球演示的规则堆积视频。
图1 规则床堆积原理示意图
规则床高温气冷堆的设计性能，如单堆功率、输出温度和热电转换效率都接近和高于柱状燃料堆，设计后的断面图形很像柱状堆（见图2）。
图2 规则床模块式高温气冷堆结构示意图
如图2所示，如果采用高温气冷堆较小的压力壳，以及配套的风机等设备，堆芯直径3 m，堆芯高8m，在现有安全限值下，热功率就可以达到400 MW。
规则床模块式高温气冷堆是在柱状实验堆和球床实验堆多年实验运行的基础上，排除各自在实验中发现的问题而设计出的新堆型，是设计成熟的高温堆，可以通过原型堆示范建造来验证它的性能。
三、 两种先进技术的结合
我们提议将规则床高温气冷堆与天然气燃气轮机组合成核-气双源发电厂，目前的能量转换方式采用规则床高温气冷堆与燃气蒸汽联合循环机组配合，技术成熟而且具有一系列优异性能。天然气燃气蒸汽联合循环是国际上商用成熟技术，已经具有一定规模的使用经验。这两项技术的结合，在工程上是可以实现的。核-其双源电厂的工艺流程如图3所示，空气被压缩以后首先由核能加热，即通过氦气与压缩空气热交换，被加热至800℃（以后可能提高至950℃）后，再进入天然气燃烧室及燃气蒸汽联合循环系统。高温气冷堆与联合循环之间由气气换热器连接，该换热器选用微流道板式换热器，可能是一种较好的选择。联合循环的流量和压比等设计参数需要考虑与核能联合的新特点，其中压缩机最好有中间冷却，获得压比高和温度低的参数，将更有利于核能的应用。
图3 核能燃气蒸汽联合循环系统
四、 核-气双源发电厂的优越特性
现在可以在初步预测的参数下，分析新联合系统的技术性能和应用特点。假如空气压缩后，温度为220℃，氦气回路在换热器的入出口温度为850和250℃，高温气冷堆的热功率为400 MW，压缩空气被加热到800℃，假如加入天然气的燃烧功率为400 MW，燃气轮机初温可以达到1380℃，燃气蒸汽联合循环的热电效率能够达到60％。联合系统的结构示意图见图5，这种核能燃气蒸汽联合循环可以有三种运行和应用方式。
（1） 核能小堆基本负荷运行
核能燃气蒸汽联合循环的基础是高温气冷堆配合空气布雷顿循环，是一个典型的小堆设计，不加入其它燃料时只消耗核燃料，适合供应基本负荷。燃气轮机的初温为800℃（或以后可能提高到950℃），配备专用的低参数燃气蒸汽联合循环机组，以热电效率40％发电。核能小型堆机组的热功率400 MW，电功率160 MW。与小型压水堆相比，它的特点是具有固有安全性，在断电事故时，即使控制棒不动作，也能停堆和排出余热，不会出现堆芯熔化事故。它的包覆颗粒燃料，虽然燃料 U－235富集度较高，但燃耗深度可能达到120000 MWD/tU以上，具有较高的燃料利用率，因此是一种安全性、经济性有竞争力的小型动力堆。由图2可见，堆芯规则堆积的外围还可以安置钍球增殖层，产生U-233后，可以转移到堆芯直接利用，能够以最简单的方式实现钍燃料利用。堆芯外围也可以堆积石墨球，降低石墨块的辐照剂量，使石墨块寿命更长，减少和避免更换问题。在堆芯的中心部位放置石墨球，可以扩大反应堆功率，能够较容易地将热功率提升到600 MW，电功率达到240 MW。这样的4座堆就可以组成大型核电站，与其它大型核电站相比，具有优越的安全性和经济性。
燃气蒸汽联合循环的许多优点也都能显现出来，特别是它需要的冷却水量少，厂址选择更容易，能够在不靠近海洋和大河流的内陆地区建设。
图5 核能燃气蒸汽联合循环结构示意图
（2）、 核-气双源发电厂满功率运行
在具有天然气源的地区，以上述小堆为基础，在燃烧室加入天然气，以核-气双源方式运行。假定燃烧功率也是400 MW，燃气轮机初温可达到1380℃，联合循环将以60％效率产生电力。一套装置的电功率就能达到480 MW。如果以两座小堆联合几台燃气轮机和蒸汽轮机，则成为960 MW的大型发电站。
这种核-气双源运行的大型发电站，与1000 MW级的核电站相比，大大提高了安全性，已成为第4代小型核电的安全水平。大大降低投资，具有1000 MW发电能力，其中核电仅为320 MW（两座小堆），估计其总投资仅为大型核电的50％。在核电成本中，投资影响占60～70％的主要成分，总投资的降低对成本影响较大。在燃料费中，按现在的假定条件是核燃料和天然气各占一半，两种燃料均以60％的效率发电，估计天然气价格在2元/m3以下时，有可能核-气双源发电总成本不高于大型核电成本。再考虑到在这种系统中，核电安全系统简化、施工要求降低和建造工期缩短等因素，与大型核电相比，具有突出的优越性。
从天然气利用的角度来看，也具有突出的优越性，虽然投资增加，但天然气燃料成本降低近50％。如果同样数量的天然气，用于单纯天然气联合循环发电，它以60％的效率获取电力。如用于核能联合循环系统，加入400 MW天然气燃料后，电功率就从160 MW升到480 MW，这相当于天然气以80％的效率获得电力。总之，这种核-气双源系统是利用了高投资低燃料费的核能与低投资高燃料费和高效率的燃气蒸汽联合循环相结合，产生的新型发电系统具有明显的经济竞争力。
当采用较大型600 MW热功率高温气冷堆时，按这种组合方式，两座堆及燃气蒸汽联合循环系统，电功率可以达到1440 MW。
（3）、核-气双源发电厂调峰运行
由于系统内压缩空气被核热源加热到800℃以上，加入的天然气可以是任何比例，能在极短时间内将功率提升到所需要的水平，这种特性正是电网调峰所需要的。因此，核能燃气蒸汽联合循环以核能供应基本负荷，以天然气供应尖峰负荷，成为既能带基荷又能调峰的机组，电网对此有广泛需求。
特别是，将核能、天然气配合风能，以组合形式建设。以核能和风能满足基本电力需要，当风力不足时，由少量天然气补充，这样可以避免“弃风”，更有效地发挥风力可再生能源效益，获得清洁能源综合性的良好的环境效益和经济效益。
核-气双源新型发电站适合国情，可以充分发挥清洁能源的优势，有利于解决燃煤电站效率低、污染大的问题，转变电力能源结构，支持国民经济可持续发展。
参考文献
[1]田嘉夫，先进的规则床模块式高温气冷堆概念. 核科学与工程，2008, 28(2):147-157.
[2]田嘉夫，高温气冷堆技术开发需要改进和创新（上）. 中国能源报，2010年8月2日.
[3]田嘉夫，高温气冷堆技术开发需要改进和创新（下）. 中国能源报，2010年8月9日.
