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【摘要】高溫氣冷堆核電站是世界首座具有第四代核電特征的核電站，具有安全性好、堆芯不會熔毀等突出技術優勢。其使用性質穩定的氦氣作為反應堆一回路冷卻劑和載熱劑。氦氣的合格穩定供應是保證高溫堆順利調試、穩定運行的先決條件。本文通過調研氦氣市場、氦氣進口供應鏈，分析了氦氣采購過程中的質量保證環節，相關分析和建議可以為同類型的高溫氣冷堆大宗氦氣采購工作提供重要參考。
【關鍵詞】高溫氣冷堆；HTR-PM；大宗氦氣；采購
1引言
在全球電力需求不斷增長的背景下，美國能源部積極推動，各國開始規劃發展“第四代先進核能系統”。相對于現行核電站技術，第四代反應堆主要特征是安全性好、廢物產量小、并能防止核擴散。根據安全性、經濟性、防核擴散和可持續發展等目標，第四代核能系統國際論壇GIF選定了超臨界水冷堆（SCWR）、鈉冷快堆（SFR）、鉛冷快堆（LFR）、氣冷快堆（GFR）、超高溫氣冷堆（V/HTR）、熔鹽堆（MSR）等六種堆型作為第四代核能系統的重點發展方向。其中，高溫/超高溫氣冷堆（V/HTR）被認為是有望率先實現商業應用的堆型之一。[1]
2我國高溫氣冷堆發展歷程
我國清華大學自行設計建造的10MW高溫氣冷實驗堆（HTR-10）在1995年正式開工建設，2000年HTR-10建成臨界。2003年，實現了滿功率運行并網發電。2006年，200MW高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM）被列入國家科技重大專項。HTR-PM由清華大學設計，由華能山東石島灣核電有限公司建造。目前，HTR-PM工程設計、設備制造、現場施工、調試按既定計劃順利進行。高溫氣冷堆是我國具有完全自主知識產權的第四代先進核電技術，具有固有安全性，模塊化的特征。燃料元件在不高于1620℃的溫度條件下都能保持完整性。能夠確保反應堆在任何事故下，不借助能動安全系統，燃料元件溫度不超過設計限值，不會發生堆芯熔化和放射性大量釋放的嚴重后果。
3高溫氣冷堆中的氦氣
HTR－PM用氦氣作為反應堆冷卻劑和載熱劑，與其他工質相比，氦氣具有很多特殊的性質：導熱性能好、分子量小、氣體常數大、比熱大、氣體密度小等。氦氣是一種惰性氣體，與二回路的水介質和環境空氣也不發生任何化學反應，與反應堆的結構材料相容性好，避免了以水作冷卻劑與慢化劑的反應堆中的各種腐蝕問題，使冷卻劑的出口溫度可達750℃甚至更高，這就顯著提高了高溫氣冷堆核電站的效率，并為高溫堆核工藝熱的應用開辟了廣闊的領域。氦氣的中子吸收截面小，難于活化，在正常運行時，氦氣的放射性水平很低，工作人員承受的放射性輻照劑量也低。由于堆內初裝氦氣的不純，堆內構件材料特別是石墨中吸附的氣體，貯氣罐和氣路系統的污染混入，以及各種蒸發器、水冷卻器、換熱器中的水向反應堆冷卻劑中的滲漏，使反應堆冷卻劑氦氣中含有一定量的化學雜質，主要有H2O、O2、CO、CO2、H2、N2、和CH4等，這些化學雜質在一定條件下會與燃料元件的碳包覆層、石墨及其他結構材料起化學反應，主要反應有：H2O＋C→H2＋COH2O＋CO→CO2＋H2CO2＋C→CO這些反應是可逆的，在堆芯高溫條件下，反應向右方進行，而在溫度較低的區域，反應就向左進行，總的效果是使碳從高溫的堆芯向溫度較低的部位轉移，例如轉移到蒸汽發生器金屬表面，并沉積在那里或成為碳顆粒而懸浮在氦中。為減少對燃料元件、石墨和其他結構材料的腐蝕，對反應堆冷卻劑氦提出一定的純度要求。這主要是為了防止堆內結構材料（特別是石墨構件）的腐蝕、控制堆內氣態裂變產物的濃度、降低一回路冷卻劑氦氣中的放射性水平，需要對一回路冷卻劑氦氣中雜質的含量加以控制。[2]高溫堆設置有氦凈化及氦輔助系統，對氦氣中雜志進行凈化，確保正常運行條件下HTR-PM氦氣雜質含量低于限值。當一回路氦冷卻劑中一種或多種雜質含量超過了穩態限值，應在規定時間內使該雜質含量恢復到穩態限值以內，否則將反應堆置于冷停堆狀態。HTR-PM氦回路氦氣中的雜質來源有：①初裝氦氣中的其它氣體；②回路充氦前，容器和管道內壁、結構材料（特別是內保溫層材料）吸附的氣體；③各種水冷器、熱交換器和蒸汽發生器水側往氦氣側的滲漏等。其中需要在重要環節氦氣采購環節確保氦氣品質，優先選用高純氦，減少初裝氦氣中的其它雜質氣體。同時由于氦氣分子量小的特性，使得氦氣難以被密封在容器內，一回路的氦氣會持續從一回路壓力容器內通過各連接法蘭泄露到一回路艙室，然后經過負壓排風系統最終排放到大氣中。所以高溫堆一回路需要持續的補充氦氣，滿足堆芯冷卻的需要。實際上，HTR-10運行時氦氣泄漏率實際測量為0.8%左右。
4氦氣采購管理
正是高溫堆項目及氦氣的以上特性，要求氦氣采購工作必須確保高純氦氣長期穩定供應。按照《核電廠物項和服務采購中的質量保證》（HAD003/03）要求物項和服務的采購必須有計劃地付諸實施。為使氦氣品質滿足技術規格書要求，供貨進度與工程調試、生產需求匹配，我們在綜合分析氦氣作為稀有氣體、消耗品的獨特性后，制定了調研、采購文件編制、招評標、簽訂合同、驗證活動等各環節計劃?？紤]到氦氣的獨特性，我們對氦氣市場進行了專項調研：氦氣是用途廣泛的稀缺資源，是發展國防軍工和發展高科技不可或缺的稀有戰略性物資之一。氦在空氣中含量極少，主要存在于天然氣中，氦的生產幾乎全部來自天然氣。我國氦氣資源相當貧乏，含量很低，提取難度大，因此國內氦氣主要依賴進口。世界氦氣生產情況主要集中在美國、阿爾及利亞、卡塔爾等地。截止2006年12月31日，世界氦資源量估計為519億m3，其在世界上的分布很不均勻。美國是世界上氦資源最豐富的國家，雖然已大規模開采60多年，但氦氣儲藏量仍占世界總儲量近40%，其他國家儲量依次為卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯、加拿大、中國、波蘭等。氦資源量并不意味著氦產量多，截至2010年12月31日，全球A級氦氣產能估計為2.47億m3/a，其中美國產能1.77億m3/a，其余地區估計產能0.7億m3/a。近年世界氦氣生產情況，美國是氦的最大生產國，其次為阿爾及利亞、卡塔爾和俄羅斯。世界氦氣生產情況主要集中在美國、阿爾及利亞、卡塔爾等地。氦氣供應流程如圖1。氦氣供應流程可以簡要概括為：國外氣田開采氦———提純液化后用液氦儲罐（ISOcontainer）運到國內子公司———由子公司氣化分裝———以長管拖車（tubetrailer）（大容量）、氣瓶組、氣瓶（小容量）等形式運往用戶。液氦儲罐進口時具有相應的質量證明文件，國內供方公司氣化分裝過程具有在線檢測裝置，能提供氦氣氣化充裝過程的雜質在線檢測記錄，對于完成充裝出廠的長管車、氣瓶組，均按照國標檢驗，擁有合格證。按照HAD003/03要求，在整個過程中的要建立相應管理體系，為物項達到所要求的質量提供信得過的基礎。具體細化為圖1中各記錄或證明文件都必須有據可依，有據可查，確保編制了相應的規章制度并實施。此外，對于供應高溫堆的長管拖車還應增加了抽檢復驗環節，確保氦氣品質滿足要求。
5高溫堆氦氣采購建議與展望
氦氣對高溫堆起著極為重要、不可替代的作用。國內目前氦氣市場主要依賴于進口，當外國氦氣出口政策調整、源頭天然氣油田意外檢修或氦氣供應鏈上游發生其他突發事件時，液氦進口會受到影響，國內供方將無法保證大宗氦氣的穩定供應，會導致氦氣市場價格大幅波動，甚至會導致供貨間隔加長甚至斷供。事實上，美國氦氣出口政策調整、卡塔爾天然氣田意外檢修近年已經發生，對國內氦氣市場造成了一定的沖擊。目前高溫堆機組在建容量為200MW，氦氣用量有限，預計按采購管理要求定量招標采購。如高溫堆型裝機容量擴大，氦氣用量將大幅度增加，仍使用此種采購模式易受上述供應鏈體系風險影響，將無法滿足機組長期穩定運行要求。為應對供應鏈體系風險，可統籌考慮與某一家或某幾家氣體集團簽訂氦供應框架協議，從氦氣供應鏈上游預購一定量液氦儲罐，在各方接受的價格波動范圍內確保高溫堆氦氣穩定持續供應，從而確保其穩定高效運行。
參考文獻
[1]高立本，沈健.高溫氣冷堆的發展與前景[J].中國核工業，2016，（10）：24~26+55.
[2]姚梅生，吳莘馨，翁錫镅，博金海，劉志勇，李軍，何學東.氦氣試驗回路中的氦凈化[J].核動力工程，1995（05）：470~475.
作者:肖文 安娜 單位:華能山東石島灣核電有限公司