【摘要】高温气冷堆核电站是世界首座具有第四代核电特征的核电站，具有安全性好、堆芯不会熔毁等突出技术优势。其使用性质稳定的氦气作为反应堆一回路冷却剂和载热剂。氦气的合格稳定供应是保证高温堆顺利调试、稳定运行的先决条件。本文通过调研氦气市场、氦气进口供应链，分析了氦气采购过程中的质量保证环节，相关分析和建议可以为同类型的高温气冷堆大宗氦气采购工作提供重要参考。
【关键词】高温气冷堆；HTR-PM；大宗氦气；采购
1引言
在全球电力需求不断增长的背景下，美国能源部积极推动，各国开始规划发展“第四代先进核能系统”。相对于现行核电站技术，第四代反应堆主要特征是安全性好、废物产量小、并能防止核扩散。根据安全性、经济性、防核扩散和可持续发展等目标，第四代核能系统国际论坛GIF选定了超临界水冷堆（SCWR）、钠冷快堆（SFR）、铅冷快堆（LFR）、气冷快堆（GFR）、超高温气冷堆（V/HTR）、熔盐堆（MSR）等六种堆型作为第四代核能系统的重点发展方向。其中，高温/超高温气冷堆（V/HTR）被认为是有望率先实现商业应用的堆型之一。[1]
2我国高温气冷堆发展历程
我国清华大学自行设计建造的10MW高温气冷实验堆（HTR-10）在1995年正式开工建设，2000年HTR-10建成临界。2003年，实现了满功率运行并网发电。2006年，200MW高温气冷堆核电站示范工程（HTR-PM）被列入国家科技重大专项。HTR-PM由清华大学设计，由华能山东石岛湾核电有限公司建造。目前，HTR-PM工程设计、设备制造、现场施工、调试按既定计划顺利进行。高温气冷堆是我国具有完全自主知识产权的第四代先进核电技术，具有固有安全性，模块化的特征。燃料元件在不高于1620℃的温度条件下都能保持完整性。能够确保反应堆在任何事故下，不借助能动安全系统，燃料元件温度不超过设计限值，不会发生堆芯熔化和放射性大量释放的严重后果。
3高温气冷堆中的氦气
HTR－PM用氦气作为反应堆冷却剂和载热剂，与其他工质相比，氦气具有很多特殊的性质：导热性能好、分子量小、气体常数大、比热大、气体密度小等。氦气是一种惰性气体，与二回路的水介质和环境空气也不发生任何化学反应，与反应堆的结构材料相容性好，避免了以水作冷却剂与慢化剂的反应堆中的各种腐蚀问题，使冷却剂的出口温度可达750℃甚至更高，这就显著提高了高温气冷堆核电站的效率，并为高温堆核工艺热的应用开辟了广阔的领域。氦气的中子吸收截面小，难于活化，在正常运行时，氦气的放射性水平很低，工作人员承受的放射性辐照剂量也低。由于堆内初装氦气的不纯，堆内构件材料特别是石墨中吸附的气体，贮气罐和气路系统的污染混入，以及各种蒸发器、水冷却器、换热器中的水向反应堆冷却剂中的渗漏，使反应堆冷却剂氦气中含有一定量的化学杂质，主要有H2O、O2、CO、CO2、H2、N2、和CH4等，这些化学杂质在一定条件下会与燃料元件的碳包覆层、石墨及其他结构材料起化学反应，主要反应有：H2O＋C→H2＋COH2O＋CO→CO2＋H2CO2＋C→CO这些反应是可逆的，在堆芯高温条件下，反应向右方进行，而在温度较低的区域，反应就向左进行，总的效果是使碳从高温的堆芯向温度较低的部位转移，例如转移到蒸汽发生器金属表面，并沉积在那里或成为碳颗粒而悬浮在氦中。为减少对燃料元件、石墨和其他结构材料的腐蚀，对反应堆冷却剂氦提出一定的纯度要求。这主要是为了防止堆内结构材料（特别是石墨构件）的腐蚀、控制堆内气态裂变产物的浓度、降低一回路冷却剂氦气中的放射性水平，需要对一回路冷却剂氦气中杂质的含量加以控制。[2]高温堆设置有氦净化及氦辅助系统，对氦气中杂志进行净化，确保正常运行条件下HTR-PM氦气杂质含量低于限值。当一回路氦冷却剂中一种或多种杂质含量超过了稳态限值，应在规定时间内使该杂质含量恢复到稳态限值以内，否则将反应堆置于冷停堆状态。HTR-PM氦回路氦气中的杂质来源有：①初装氦气中的其它气体；②回路充氦前，容器和管道内壁、结构材料（特别是内保温层材料）吸附的气体；③各种水冷器、热交换器和蒸汽发生器水侧往氦气侧的渗漏等。其中需要在重要环节氦气采购环节确保氦气品质，优先选用高纯氦，减少初装氦气中的其它杂质气体。同时由于氦气分子量小的特性，使得氦气难以被密封在容器内，一回路的氦气会持续从一回路压力容器内通过各连接法兰泄露到一回路舱室，然后经过负压排风系统最终排放到大气中。所以高温堆一回路需要持续的补充氦气，满足堆芯冷却的需要。实际上，HTR-10运行时氦气泄漏率实际测量为0.8%左右。
4氦气采购管理
正是高温堆项目及氦气的以上特性，要求氦气采购工作必须确保高纯氦气长期稳定供应。按照《核电厂物项和服务采购中的质量保证》（HAD003/03）要求物项和服务的采购必须有计划地付诸实施。为使氦气品质满足技术规格书要求，供货进度与工程调试、生产需求匹配，我们在综合分析氦气作为稀有气体、消耗品的独特性后，制定了调研、采购文件编制、招评标、签订合同、验证活动等各环节计划。考虑到氦气的独特性，我们对氦气市场进行了专项调研：氦气是用途广泛的稀缺资源，是发展国防军工和发展高科技不可或缺的稀有战略性物资之一。氦在空气中含量极少，主要存在于天然气中，氦的生产几乎全部来自天然气。我国氦气资源相当贫乏，含量很低，提取难度大，因此国内氦气主要依赖进口。世界氦气生产情况主要集中在美国、阿尔及利亚、卡塔尔等地。截止2006年12月31日，世界氦资源量估计为519亿m3，其在世界上的分布很不均匀。美国是世界上氦资源最丰富的国家，虽然已大规模开采60多年，但氦气储藏量仍占世界总储量近40%，其他国家储量依次为卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯、加拿大、中国、波兰等。氦资源量并不意味着氦产量多，截至2010年12月31日，全球A级氦气产能估计为2.47亿m3/a，其中美国产能1.77亿m3/a，其余地区估计产能0.7亿m3/a。近年世界氦气生产情况，美国是氦的最大生产国，其次为阿尔及利亚、卡塔尔和俄罗斯。世界氦气生产情况主要集中在美国、阿尔及利亚、卡塔尔等地。氦气供应流程如图1。氦气供应流程可以简要概括为：国外气田开采氦———提纯液化后用液氦储罐（ISOcontainer）运到国内子公司———由子公司气化分装———以长管拖车（tubetrailer）（大容量）、气瓶组、气瓶（小容量）等形式运往用户。液氦储罐进口时具有相应的质量证明文件，国内供方公司气化分装过程具有在线检测装置，能提供氦气气化充装过程的杂质在线检测记录，对于完成充装出厂的长管车、气瓶组，均按照国标检验，拥有合格证。按照HAD003/03要求，在整个过程中的要建立相应管理体系，为物项达到所要求的质量提供信得过的基础。具体细化为图1中各记录或证明文件都必须有据可依，有据可查，确保编制了相应的规章制度并实施。此外，对于供应高温堆的长管拖车还应增加了抽检复验环节，确保氦气品质满足要求。
5高温堆氦气采购建议与展望
氦气对高温堆起着极为重要、不可替代的作用。国内目前氦气市场主要依赖于进口，当外国氦气出口政策调整、源头天然气油田意外检修或氦气供应链上游发生其他突发事件时，液氦进口会受到影响，国内供方将无法保证大宗氦气的稳定供应，会导致氦气市场价格大幅波动，甚至会导致供货间隔加长甚至断供。事实上，美国氦气出口政策调整、卡塔尔天然气田意外检修近年已经发生，对国内氦气市场造成了一定的冲击。目前高温堆机组在建容量为200MW，氦气用量有限，预计按采购管理要求定量招标采购。如高温堆型装机容量扩大，氦气用量将大幅度增加，仍使用此种采购模式易受上述供应链体系风险影响，将无法满足机组长期稳定运行要求。为应对供应链体系风险，可统筹考虑与某一家或某几家气体集团签订氦供应框架协议，从氦气供应链上游预购一定量液氦储罐，在各方接受的价格波动范围内确保高温堆氦气稳定持续供应，从而确保其稳定高效运行。
参考文献
[1]高立本，沈健.高温气冷堆的发展与前景[J].中国核工业，2016，（10）：24~26+55.
[2]姚梅生，吴莘馨，翁锡镅，博金海，刘志勇，李军，何学东.氦气试验回路中的氦净化[J].核动力工程，1995（05）：470~475.
作者:肖文 安娜 单位:华能山东石岛湾核电有限公司