摘要

本报告旨在全面、深入地探讨在高温气冷堆（High-Temperature Gas-Cooled Reactors, HTGRs）中使用二氧化碳（CO₂）作为冷却剂的可行性。报告将从历史背景与技术演进、具体实现方式与核心技术挑战、与主流冷却剂氦气（He）的全面比较分析、主要利益相关方的立场与监管视角，以及未来的发展方向与商业化前景等多个维度展开论述。

研究发现，CO₂作为核反应堆冷却剂拥有悠久的历史，特别是在英国的镁诺克斯堆（Magnox）和先进气冷堆（AGR）中积累了丰富的运行经验，证明了其在特定温度窗口内（最高约650°C）的技术成熟度和经济可行性 。其主要优势在于成本低廉、来源广泛且泄漏问题相对氦气较小 。然而，CO₂在更高温度下（尤其是超过700°C）对堆芯石墨及结构材料的化学腐蚀性，是限制其在追求更高热效率和更广泛工业应用的现代高温气冷堆（通常目标出口温度为750°C-950°C）中应用的核心障碍 。

当前，全球主流的HTGR研发路径普遍采用化学性质更为惰性的氦气作为冷却剂，以实现更高的运行温度和固有安全性 。尽管如此，氦气的昂贵成本和供应不确定性使其经济性备受挑战 。因此，关于CO₂冷却剂的讨论并未完全终结。未来的研究方向主要集中在两个层面：一是开发能够在更高温度下抵抗CO₂腐蚀的新型材料与涂层技术，以期突破其应用温度上限 ；二是在中等温度（~650°C）应用场景下，重新评估并优化基于CO₂冷却的HTGR设计，以发挥其经济性优势 。

从监管和产业界的立场来看，尽管国际原子能机构（IAEA）等组织关注并讨论包括CO₂冷却在内的各类气冷堆技术 但美国核能管理委员会（NRC）等主要监管机构目前并未将CO₂冷却的HTGR作为优先发展的技术路线，其监管指南和行业实践更侧重于氦冷HTGR 。

综上所述，CO₂作为HTGR冷却剂在当前及可预见的未来，其角色更可能是一种具有成本优势的“利基市场”选择，或是在材料科学取得革命性突破后的“潜力股”，而难以在短期内挑战氦气在超高温应用领域的主导地位。

第一部分：历史背景与技术演进

气体冷却反应堆是核能发展史上最早的堆型之一，而二氧化碳在其早期发展中扮演了至关重要的角色。理解CO₂冷却剂的历史地位和技术演变，是评估其未来潜力的基础。

1.1 早期气冷堆的先驱：CO₂的广泛应用

核能时代的黎明时期，工程师们探索了多种冷却介质，气体因其单相、高温潜力等特性而受到关注。在众多候选气体中，二氧化碳凭借其相对良好的热物理性质、化学稳定性（在当时的技术条件下）、低中子吸收截面、无放射性活化以及最重要的——极低的成本和易于获取的特点，成为了第一代商业气冷堆（Gas-Cooled Reactors, GCRs）的首选冷却剂 。

20世纪50年代，英国和法国率先开发并建造了以石墨为慢化剂、CO₂为冷却剂的核电站 。其中，英国的镁诺克斯（Magnox）反应堆是典型代表。这些反应堆最初的设计目标之一是生产军用钚，同时也用于民用发电 。Magnox堆的运行温度相对较低，出口温度通常在400°C左右，在这个温度区间，CO₂与石墨和镁合金包壳的相互作用是可控的 。这一阶段的成功，为CO₂作为反应堆冷却剂积累了宝贵的初始运行数据和经验，并证实了其大规模工业应用的可行性。

1.2 技术的巅峰：英国先进气冷堆（AGR）的经验

在Magnox堆的基础上，为了追求更高的热效率，英国于20世纪60年代开始研发并建造了第二代气冷堆——先进气冷堆（Advanced Gas-Cooled Reactor, AGR）。AGR在技术上实现了重大跨越，它采用了不锈钢包壳的二氧化铀燃料，并显著提高了冷却剂的温度和压力 。AGR机组的CO₂冷却剂出口温度可达640°C至650°C 。

AGR的长期成功运行（超过数十个反应堆年）是CO₂冷却技术成熟度的最有力证明 。在长达数十年的运行周期中，英国核工业界在控制CO₂与石墨和结构材料的相互作用方面积累了丰富的经验。例如，通过在CO₂冷却剂中加入少量甲烷（CH₄）和一氧化碳（CO）作为腐蚀抑制剂，可以有效减缓石墨的辐射分解氧化 。AGR的经验表明，在高达650°C的温度下，通过精细的材料选择和冷却剂化学控制，CO₂腐蚀问题是可以被有效管理的 。AGR至今仍是CO₂作为核反应堆冷却剂所达到的技术顶峰，也是所有后续讨论CO₂可行性的重要基石。

1.3 技术路线的分野：高温气冷堆（HTGR）与氦气的崛起

尽管AGR取得了巨大成功，但核能界对更高温度的追求并未停止。更高的反应堆出口温度意味着更高的发电效率，并且能够拓展核能的应用领域，例如为化工、冶金等提供高温工艺热，以及高效制氢 。这就催生了高温气冷堆（HTGR）和超高温气冷堆（Very High-Temperature Reactor, VHTR）的概念，其目标出口温度设定在750°C至950°C甚至更高。

在这一温度区间，CO₂的化学活性急剧增加，成为了不可逾越的障碍。研究表明，当温度超过约700°C时，CO₂对石墨的氧化腐蚀速率会显著加快，即使添加抑制剂也难以控制 。CO₂的热分解效应也会变得显著，这不仅影响传热性能，还会产生腐蚀性更强的组分 。面对这一根本性的材料科学挑战，HTGR的开发者们不得不寻找替代冷却剂。

此时，氦气（Helium）的优越性凸显出来。氦气作为一种惰性气体，几乎不与任何材料发生化学反应，即使在1000°C以上的高温下也能保持极高的化学稳定性 。此外，氦气具有优异的中子学特性（极低的中子吸收截面），对中子经济性极为有利 。因此，从20世纪60年代末开始，以美国、德国等为代表的HTGR研发路线，明确地从CO₂转向了氦气 。无论是德国的球床堆（AVR, THTR），还是美国的棱柱块燃料堆（Fort St. Vrain），都采用了氦气作为冷却剂 。

这一技术路线的选择，标志着气冷堆发展史上的一个重要“分野”。以AGR为代表的、以发电为主要目的、运行在“中高温”区间的CO₂冷却技术路线，和以现代HTGR/VHTR为代表的、追求超高温多用途应用的氦气冷却技术路线，并行发展，并逐渐拉开了距离。时至今日，所有正在开发和建造的第四代HTGR示范项目，如中国的HTR-PM、美国的X-energy公司的Xe-100等，无一例外都采用了氦气作为冷却剂 ，这进一步巩固了氦气在现代HTGR领域的主流地位。

第二部分：二氧化碳作为冷却剂的具体实现方式与核心技术挑战

尽管氦气成为了现代HTGR的主流选择，但CO₂作为冷却剂的技术方案并未被完全放弃。本部分将详细阐述CO₂冷却系统的具体实现方式，并深入剖析其面临的核心技术挑战，尤其是决定其可行性上限的腐蚀问题。

2.1 具体实现方式与工作原理

在一个采用CO₂作为冷却剂的HTGR中，其基本工作流程与其他气冷堆相似。

•一回路循环系统： 高压（通常为几十个大气压）的CO₂气体由主循环风机（或称鼓风机）驱动，进入反应堆压力容器 。气体向下流经堆芯外围，对石墨反射层和核心约束结构进行冷却，然后向上穿过由燃料元件（无论是棱柱块还是燃料球）组成的活性区。在穿越堆芯的过程中，CO₂吸收核燃料裂变产生的巨大热量，其自身温度急剧升高，达到设计出口温度（例如AGR中的650°C） 。

•热量导出与能量转换： 携带高温的CO₂气体从堆芯顶部或底部导出，进入蒸汽发生器（Steam Generator）。在蒸汽发生器中，高温CO₂通过热交换管束将热量传递给二回路的水，使其沸腾并产生高温高压的过热蒸汽 。冷却后的CO₂气体再由主循环风机重新压入反应堆，完成一回路的闭合循环。二回路产生的高温高压蒸汽则驱动汽轮发电机组发电，实现热能到电能的转换。

•超临界CO₂布雷顿循环（S-CO₂ Brayton Cycle）： 除了传统的蒸汽朗肯循环，CO₂冷却剂还存在一种更先进、更高效的能量转换方案，即直接或间接耦合超临界CO₂布雷顿循环 。当CO₂的温度和压力超过其临界点（30.98°C, 7.38 MPa）时，它会进入超临界状态，兼具液体的密度和气体的低粘度，传热和输运性质极佳。一个直接S-CO₂循环的HTGR将不再需要蒸汽发生器和庞大的水-蒸汽系统，而是直接用一回路的高温S-CO₂驱动S-CO₂透平做功，系统结构大大简化，理论热效率更高，设备尺寸更紧凑 。然而，S-CO₂循环对材料的要求更为苛刻，尤其是在高温高压下的腐蚀和相容性问题，是其实现的主要挑战。

2.2 核心技术挑战：腐蚀与材料兼容性

CO₂冷却剂最大的“阿喀琉斯之踵”在于其在高温和强辐射环境下的化学腐F蚀性。这一问题是限制其在现代HTGR中应用的最主要技术瓶颈。

•对石墨慢化剂的腐蚀：
在反应堆的强辐射场中，CO₂分子会发生辐射分解，产生具有强氧化性的活性粒子。这些活性粒子会与堆芯内的石墨慢化剂和反射层发生氧化反应 ：
C (石墨) + [O] (活性氧) → CO
同时，在高温下，CO₂本身也会与石墨发生热化学反应：
C (石墨) + CO₂ ⇌ 2CO
这些反应会导致石墨质量损失，改变其孔隙结构，降低其机械强度和导热性能，最终影响堆芯的结构完整性和安全性能，并缩短反应堆的寿命。研究明确指出，当温度超过675°C时，石墨的氧化反应会急剧加速 。虽然在AGR中通过向CO₂中添加CO、H₂、CH₄等抑制剂来控制石墨腐蚀取得了成功 但这种方法的有效性在更高温度（>700°C）下会大打折扣。这是因为高温下抑制剂本身也会发生复杂的化学变化，甚至可能产生积碳问题，堵塞燃料通道或影响传热。

•对金属结构材料的腐蚀：
高温CO₂对燃料包壳（如不锈钢、镍基合金）和一回路系统中的其他金属构件（如管道、热交换器、循环风机叶片等）同样具有腐'蚀性 。腐蚀形式主要包括：

a.氧化： 金属表面形成氧化层。在某些情况下，致密的氧化层可以起到保护作用，但如果氧化层疏松、易剥落，或者发生选择性氧化，则会加速材料的损耗。

b.渗碳： 由CO₂分解或与石墨反应产生的CO，在高温下可能在金属材料表面和晶界发生渗碳反应，导致材料脆化，降低其韧性和蠕变抗力。

c.脱碳： 在特定条件下，材料中的碳元素也可能被氧化而流失，导致材料软化，强度下降。
这些腐蚀行为不仅会削弱结构部件的机械性能，威胁反应堆的安全运行，而且腐蚀产物脱落后会随着冷却剂循环，可能在一回路的低温区沉积，污染系统或影响流动传热。
大量的研究工作致力于寻找或开发能够在高温CO₂环境中长期稳定服役的合金材料 。虽然AGR的经验表明，通过选择合适的材料（如9Cr-1Mo钢和特定的奥氏体不锈钢）并严格控制冷却剂中的杂质（如水分 H₂O）含量，可以在650°C以下将腐蚀控制在可接受的范围内，但对于更高温度的应用，现有材料的性能数据库尚不完善，特别是缺乏长期、在真实反应堆工况下的数据 。

2.3 其他技术挑战

•泵送功率与系统复杂性：
与氦气相比，CO₂的分子量（约44）远大于氦气（约4）。在相同的传热能力要求下，这意味着输送CO₂需要克服更大的流动阻力，导致主循环风机需要消耗更多的泵送功率 。这部分内部耗电会直接降低核电站的净输出功率和整体经济性。此外，气体冷却剂的密度较低，需要大流量和大型的循环风机来保证足够的热量导出能力，这使得整个一回路系统体积庞大，结构复杂 。

•温度上限的根本性制约：
如前所述，腐蚀问题为CO₂冷却剂设定了一个难以逾越的“温度天花板” 。这个上限（普遍认为在650°C-700°C之间）直接决定了采用CO₂冷却的HTGR无法实现VHTR级别的超高温输出。因此，其应用场景被限制在以高效发电为主，或提供中温工艺热的领域，而无法满足未来对高温制氢等更前沿应用的需求。这从根本上限制了CO₂冷却技术路线的未来发展空间。

第三部分：核心争议：二氧化碳 vs. 氦气

选择CO₂还是Helium，是HTGR技术路线上的一个核心决策点。这场“冷却剂之争”的背后，是性能、安全、经济和资源等多重因素的复杂权衡。

3.1 热工水力性能（Thermo-hydraulic Performance）

•导热与传热： 氦气的热导率是CO₂的近10倍，这使其具有天然的传热优势。在相同的几何和流动条件下，氦气能更有效地将热量从燃料表面带走。然而，CO₂在超临界状态下具有极高的密度和良好的传热系数，在特定工况下其综合传热能力（体积传热能力）可能优于气态氦 。

•比热容： 氦气的质量比热容（~5.2 kJ/kg·K）远高于CO₂（~0.84 kJ/kg·K），这意味着在输运相同热量的情况下，氦气所需的质量流量更小 。

•泵送功率： 这是两者性能差异最显著的方面之一。由于氦气的分子量极低，其泵送功率需求显著低于CO₂ 。据估计，CO₂冷却系统的泵送功率可能是氦气系统的数倍，这对电站的净效率构成了直接的负面影响 。虽然有研究提出使用He-CO₂混合气体来平衡性能和泵送功耗 ，但这会增加系统和化学控制的复杂性。

小结： 从纯粹的热工性能来看，氦气因其高导热、高比热和极低的泵送功耗而整体占优。CO₂的优势主要体现在超临界状态下的高密度传热能力。

3.2 材料兼容性与化学稳定性

•化学惰性： 氦气是元素周期表中最不活泼的元素，在任何可预见的反应堆工况下都完全是化学惰性的。它不与石墨、金属或陶瓷材料发生任何反应。这是氦气作为VHTR冷却剂的决定性优势。

•腐蚀风险： CO₂如前文详述，在高温高辐射下具有氧化性，对石墨和金属材料构成腐蚀威胁 。这要求反应堆的设计和运行必须实施严格的材料选择和冷却剂化学管理策略。

•杂质影响： 值得注意的是，即使是氦气冷却系统，也并非完全没有腐蚀问题。氦气中的微量杂质（如H₂O, CO, H₂, CH₄，可能来自石墨脱气、微小泄漏等）在高温下同样会对金属材料造成氧化、渗碳或脱碳，影响其长期性能 。因此，氦气冷却系统也需要高效的净化系统来将杂质控制在极低的水平（ppm级）。相比之下，CO₂冷却系统本身就允许一定浓度的CO、CH₄等作为腐蚀抑制剂，其对杂质的容忍度相对较高。

小结： 在材料兼容性方面，氦气的化学惰性提供了无与伦比的根本优势，使其成为超高温应用的不二之选。CO₂则存在固有的腐蚀风险，需要通过工程手段加以缓解，并因此存在一个实际的应用温度上限。

3.3 中子学特性（Neutronic Properties）

•中子吸收： 氦气的中子吸收截面几乎为零，是一种近乎“透明”的中子介质。这对于提高中子经济性、实现高燃耗和灵活的燃料循环管理至关重要 。

•CO₂的中子吸收： CO₂中的氧和碳原子都有一定的中子吸收截面，虽然不大，但明显高于氦气 。这会对反应堆的反应性带来轻微的负面影响，在堆芯设计时需要加以考虑。

小结： 在中子学性能上，氦气具有明显的优势，更有利于优化堆芯设计和燃料利用。

3.4 经济性与资源可得性

•成本： 这是CO₂最突出的优势。CO₂是一种工业副产品，来源广泛，价格极其低廉 。相比之下，氦气是一种稀有气体，主要从天然气中提取，产量有限，价格昂贵且波动剧烈 。一个大型HTGR的首次氦气填充和后续的补充，可能构成一笔巨大的开支。

•泄漏问题： 氦原子是除氢之外最小的原子，具有极强的穿透能力，使得反应堆一回路系统的密封成为一项巨大的技术挑战。即使采用最先进的密封技术，氦气泄漏也是不可避免的，这不仅带来持续的经济损失，也对氦气资源的稳定供应提出了更高要求。CO₂的分子较大，其泄漏率远低于氦气，对系统密封性的要求相对宽松 。

小结： 在经济性和资源可得性方面，CO₂具有压倒性的优势。氦气的昂贵成本和泄漏问题是其商业化推广的主要障碍之一。

3.5 安全性与运行考量

•相变： 氦气在所有运行工况下都保持为单相气体，不会发生相变，这大大简化了事故分析，并从根本上排除了类似沸腾危机这样的传热恶化现象。CO₂在一定压力和温度下可能发生相变（固态干冰或液态），尽管在正常运行工况下不会出现，但在某些特定的事故序列或启停过程中需要仔细分析，以避免两相流问题或干冰堵塞管道。

•失压事故（LOCA）： 对于所有气冷堆，失压事故都是重要的设计基准事故。气体冷却剂的热惯性差，一旦失去压力和强制循环，堆芯余热的导出就成为关键。由于氦气的分子量小，其喷出速度更快，系统失压速率可能高于CO₂。有研究认为，在失压事故的自然循环阶段，密度较大的CO₂可能比氦气更有效地通过自然对流带走热量 。

•化学反应： 氦气的惰性意味着在任何事故工况下（包括空气或水侵入），它都不会与燃料、石墨或水发生化学反应。而CO₂在高温下可能与侵入的水蒸气发生水煤气反应，产生可燃的H₂和CO，增加了事故的复杂性。

综合对比结论：

点击图片可查看完整电子表格

最终的选择是一个典型的工程权衡：氦气是追求极致高温性能和固有安全性的“技术最优解” ，但必须承受高昂的经济成本。CO₂则是兼顾了成熟技术和优异经济性的“实用主义选择” ，但其应用被限制在中等温度区间。

第四部分：各方立场与监管视角

一项核能技术的应用前景，不仅取决于其技术优劣，更受到监管机构、产业界和国际组织的政策导向与立场的深刻影响。

4.1 国际原子能机构（IAEA）

IAEA作为全球核技术与核安全领域最重要的国际组织，其角色主要是技术交流的促进者、知识管理的协调者和安全标准的倡导者，而非具体技术路线的决策者。

•技术中立与信息平台： IAEA通过其技术工作组（如气体冷却堆技术工作组 TWG-GCR）和协调研究项目（CRP），为成员国提供一个交流各种气冷堆技术（包括CO₂冷却和氦气冷却）的平台 。其出版的技术文件和会议记录中，会客观地讨论CO₂冷却技术的历史、现状、优缺点及相关研究 。例如，有IAEA的工作组就明确关注“二氧化碳冷却热中子反应堆”（carbon dioxide-cooled thermal reactors） 。

•安全标准与指南： IAEA发布的安全标准和指南（如GSR, SSR, NS-G系列）通常是技术中立和性能导向的，它们为所有类型的反应堆（包括非水冷堆）设定了高级别的安全目标和要求，但不会为特定堆型指定特定的冷却剂 。因此，IAEA没有、也不太可能发布专门“批准”或“禁止”在HTGR中使用CO₂的政策文件或安全标准。任何采用CO₂的HTGR设计，都必须证明其满足IAEA通用的安全原则和要求。搜索结果中并未找到IAEA发布的专门针对HTGR使用CO₂冷却剂的安全评估指南或技术报告 。

立场总结： IAEA对CO₂冷却技术持开放和关注的态度，将其作为气冷堆技术谱系的一部分进行讨论和知识管理，但保持技术中立，不进行政策性背书。

4.2 美国核能管理委员会（NRC）

NRC作为全球核安全监管的标杆之一，其立场对先进反应堆技术的发展具有重要的风向标意义。

•事实上的非优先选项： 搜索结果提供了关键信息：NRC发布的《非轻水堆材料兼容性临时工作人员指导》中明确提到，“高温气冷堆可以使用氦气或二氧化碳（CO₂）作为冷却剂”，但紧接着指出，“使用CO₂作为冷却剂的反应堆（如英国的先进气冷堆）目前在美国不计划部署” 。该文件进一步说明，其指导内容仅针对“氦气冷却的高温气冷堆”的额外考虑，因为美国业界正在推进的设计均为氦冷堆 。

•监管资源聚焦于主流技术： 这段表述清晰地反映了NRC的立场。虽然NRC在理论上承认CO₂作为冷却剂的可能性，但在实际的监管实践和资源分配上，其工作重点完全集中在美国本土正在开发的氦冷HTGR和气冷快堆（GFR）上。NRC需要根据产业界的实际发展方向来制定具体的审评指南和进行知识储备，既然没有申请者提出CO₂冷却的设计，NRC自然不会投入大量资源去为其预先建立一套完整的监管框架。

立场总结： NRC对CO₂冷却的HTGR持一种“理论上可行，实践中不考虑”的立场。这是一种由产业界发展方向决定的、务实的监管态度。在美国，任何希望开发CO₂冷却HTGR的厂商，都将面临一个需要从零开始与NRC进行大量沟通，并可能需要推动NRC制定全新审评依据的漫长过程。

4.3 核工业界

产业界的立场最为直接，它由历史经验、技术路线和商业利益共同决定。

•英国——CO₂的传统阵营： 拥有世界上最丰富的CO₂冷却堆（Magnox和AGR）设计、建造和运行经验的英国，是CO₂技术的天然“拥护者”。其核工业界和研究机构对CO₂冷却系统的理解最为深刻 。未来如果英国考虑新建气冷堆，基于其成熟的供应链和技术积累，选择一种现代化的CO₂冷却中温堆（~650°C），在逻辑上是可能的。

•美、中、日等国——氦冷的现实选择： 与英国不同，美国、中国、日本等当前HTGR研发的领先国家，其技术路线从一开始就瞄准了超高温应用（如制氢），因此坚定地选择了氦气冷却。中国的HTR-PM示范堆已并网发电，美国的X-energy和通用原子（General Atomics）等公司、日本的JAEA等机构，都在积极推进各自的氦冷HTGR商业化项目 。对他们而言，转向CO₂意味着放弃数十年的研发投入和技术积累，可能性微乎其微。

•新兴市场与潜在开发者： 对于波兰等希望引进HTGR技术以实现能源转型和脱碳的国家 他们的选择更可能是在现有成熟的氦冷HTGR设计和具有经济潜力的CO₂中温堆设计之间进行权衡。CO₂方案的低成本优势可能对一些资金有限、且主要需求为发电的国家具有吸引力。

立场总结： 核工业界在此问题上存在明显的分野。英国拥有强大的CO₂技术基因，而美、中、日等新一代HTGR开发者则牢牢占据氦气技术路线。CO₂的未来市场机会可能存在于那些寻求低成本、成熟发电技术的新兴核电国家。

第五部分：未来发展方向、研究前沿与商业化前景

尽管氦冷HTGR是当前的主流，但CO₂冷却技术路线并未完全走进历史。面对氦气的高昂成本，探索CO₂的潜力仍然具有现实意义。本部分将展望CO₂冷却技术未来的发展路径、关键研究领域及商业化可能性。

5.1 未来发展路径：两条并行的探索

CO₂冷却技术在HTGR领域的未来发展，呈现出两条截然不同的路径：

•路径一：基于成熟技术的“中温利基市场”应用
这条路径的核心思想是“扬长避短”，不再强求与氦气在超高温领域竞争，而是充分利用AGR积累的成熟经验，开发运行在650°C左右的现代化中温HTGR 。

￮目标市场： 主要面向以高效发电为核心需求，对成本高度敏感，且无需超高温工艺热的用户。

￮优势：

i.技术成熟度高： 可直接继承AGR在材料、冷却剂化学、系统运行与维护方面的大量数据和经验，研发风险低。

ii.经济性突出： 极低的冷却剂成本和相对宽松的密封要求，可以显著降低电站的建设和运维成本。

iii.安全性： 同样具备HTGR的固有安全特性，如TRISO燃料、负反应性温度系数等。

￮挑战： 需要有力的商业实体来推动这种“非主流”设计，并完成现代安全标准下的许可流程。其热效率虽高于压水堆，但低于氦冷VHTR，可能在某些市场缺乏吸引力。

•路径二：以材料科学突破为目标的“超高温潜力股”
这条路径则旨在正面挑战CO₂的“温度天花板”，通过革命性的材料技术，使其能够在800°C甚至更高的温度下可靠运行。

￮核心任务： 研发能够在高温高压CO₂（包括超临界CO₂）环境中长期抵抗氧化、渗碳等腐蚀的新型材料 。

￮研究前沿：

i.先进合金开发： 如氧化物弥散强化（ODS）合金、高熵合金、具有优异抗氧化和抗渗碳性能的新型镍基或铁基合金。

ii.防护涂层技术： 在现有成熟合金表面制备致密、稳定、抗腐蚀的陶瓷涂层（如SiC, TiN, Al₂O₃等）或金属间化合物涂层。

iii.腐蚀机理研究： 利用先进的表征技术和计算模拟，深入理解高温CO₂环境下材料的腐蚀动力学和微观机制，为材料设计提供理论指导 。

4.超临界CO₂（S-CO₂）环境下的材料行为： S-CO₂作为一种高密度流体，其腐蚀行为可能与气态CO₂不同，需要专门的研究和数据积累 。

￮前景： 这是一项高风险、高回报的长期研究。一旦成功，CO₂将凭借其经济性优势，对氦气在VHTR领域的地位构成强有力的挑战，甚至可能推动采用直接S-CO₂布雷顿循环的超高效HTGR的实现。

5.2 当前研究项目与国际合作

尽管关于HTGR的国际合作非常活跃（涉及美、中、日、韩、英、波兰及IAEA等） 但绝大多数资助项目和合作都集中在氦冷技术上。

•CO₂相关研究的现状：

￮专门针对“CO₂冷却剂在HTGR中实施”的大型、公开资助的研究项目或国际合作计划在搜索结果中并不突出 。

￮研究更多是以基础科学的形式存在，例如大学和国家实验室中关于特定材料在高温CO₂中腐蚀行为的学术研究 。

￮IAEA等国际平台的工作组会提及并讨论CO₂冷却技术，表明其仍在国际核能界的视野之内，但尚未形成大规模的协同研发攻势 。

￮存在一些关于CO₂冷却反应堆的概念设计和物理设计研究，但大多处于早期阶段或技术演示层面 。

5.3 商业化前景分析

•短期（至2035年）： CO₂冷却HTGR的商业化前景渺茫。当前全球正在建设或计划近期建设的HTGR示范堆和商业堆均为氦冷设计。市场和监管的惯性将使氦冷技术在短期内占据绝对主导。

•中期（2035-2050年）：

￮“中温利基市场”路径的商业化成为可能。前提是：1）氦气的价格持续居高不下或供应出现问题，显著推高了氦冷HTGR的度电成本；2) 有一个或多个国家（很可能是英国或有类似需求的国家）的政府或大型企业，从国家能源战略或商业角度出发，决定投资并推动一个基于成熟AGR经验的现代化CO₂中温堆设计，并成功获得许可。

￮“超高温潜力股”路径在此期间取得商业化的可能性极低，但可能会在材料科学上取得关键的实验室突破，完成原理验证（TRL 3-4）。

•长期（2050年以后）：

￮如果材料科学取得革命性突破，使得CO₂能够在900°C以上长期可靠运行，那么CO₂冷却的HTGR/VHTR将迎来广阔的商业化前景。它将成为氦冷VHTR的强劲竞争者，特别是在大规模制氢等需要大量部署反应堆的场景下，其经济性优势将极具吸引力。届时，核能市场可能会出现氦冷与CO₂冷却两种VHTR技术并存的局面。

结论

综合本报告的全面分析，关于高温气冷堆采用二氧化碳作为冷却剂的可行性，可以得出以下结论：

1.历史证明，现实制约： CO₂作为气冷堆冷却剂拥有辉煌的历史和成熟的运行经验，尤其是在英国AGR上证明了其在650°C温度下的技术可行性与经济性。然而，其在更高温度下的化学腐蚀性，是限制其应用于现代HTGR/VHTR的根本性技术瓶颈。

2.技术路线的权衡： CO₂与氦气的选择，是“经济性”与“极限性能”之间的经典权衡。CO₂的优势在于成本和供应，而氦气的优势在于化学惰性和超高温性能。当前，为了追求更高的热效率和拓展多用途应用，全球HTGR研发的主流选择了性能更优越但成本高昂的氦气。

3.监管与产业现状： 主流核能监管机构（如美国NRC）和产业界（如美、中、日的新一代HTGR开发者）的当前实践和未来规划都聚焦于氦冷技术。这为CO₂冷却技术路线的商业化设置了较高的市场和政策壁垒。

4.未来的双重路径： CO₂冷却技术的未来并非一片黑暗，而是存在两条可能的路径。一是面向中温发电市场的“利基应用”，发挥其成本优势和技术成熟度；二是依靠材料科学的长期艰苦攻关，突破温度瓶颈，成为超高温应用的有力竞争者。

5.最终展望： 在可预见的未来，氦气仍将是高性能HTGR的首选冷却剂。二氧化碳的角色更像是一个“永恒的挑战者”，它的命运与两个关键变量紧密相连：一是氦气市场的价格与供应稳定性，二是材料科学能否带来革命性的突破。只要氦气的经济性问题持续存在，对更廉价替代方案的探索就不会停止，而CO₂，凭借其坚实的历史基础，将永远是那个排在首位的候选者。

核技术论坛

阅读 赞 分享 言