2025年11月14日，西安交通大学工学博士、教授、博士生导师吴攀在深圳核博会先进核能论坛发表《气冷快堆研究进展》主旨报告。
演讲介绍了气冷快堆的基本特征、国际研究进展以及西安交通大学团队在热工水力、安全分析和数字化建模方面的工作。报告认为气冷快堆结合了快堆和高温气冷堆的优势，适合小型堆、微型堆及特殊应用场景，但仍需重点解决余热排出、反应性控制、传热恶化和系统建模等安全关键问题。
关键点
1. 演讲嘉宾与主题（00:00）
吴潘教授被介绍为西安交通大学教授、博士生导师，并从事气冷快堆领域研究。本次演讲主题为“气冷快堆研究进展”。
2. 报告结构与研究背景（00:51）
报告围绕气冷快堆的基本特征、国内外研究进展、团队在热工水力方面的研究以及总结展开。演讲者指出，气冷快堆在国内目前缺少重大专项或专有项目支持，因此研究更偏向前沿探索。
3. 第四代核能系统中的气冷快堆定位（02:00）
第四代核能系统包括六个堆型，中国在多种四代堆方向上已有较领先进展。气冷快堆是其中的重要快中子堆型，结合了液态金属冷却快堆和高温气冷堆的优势，具有高出口温度和闭式燃料循环等特点。
4. 气冷快堆的主要技术特征（04:20）
气冷快堆通常以氦气作为冷却剂，利用其化学惰性和无相变特性实现较高堆芯出口温度，主流设计约为850摄氏度。其功率密度较高，常采用直接布雷顿循环，热效率可达约45%，并可采用耐高温陶瓷燃料、棒状或板状燃料形式。
5. 优势与劣势（06:39）
气冷快堆的优势包括出口温度高、循环效率高，并可用于制氢等非发电应用；其经济性也受益于高温、直接布雷顿循环以及减少中间换热器等设计。主要劣势包括气体热惯性小、失流工况下堆芯升温快、系统需要加压，以及高流速可能导致燃料棒振动。
6. 国际参与与项目现状（07:41）
中国在第四代堆型中除气冷快堆外均签署了相应计划。气冷快堆在国际第四代核能系统框架下主要由法国、瑞士、日本和欧盟等参与，目前世界上没有正在运行或建造的气冷快堆，最接近建造的是欧盟实验堆项目。
7. 典型气冷快堆概念（09:01）
报告回顾了多个国际概念，包括美国EM2、另一个美国小型设计、日本二氧化碳冷却快谱设计以及欧盟实验快堆。不同方案在功率规模、冷却剂、燃料形式、出口温度和余热排出方式上各有特点。
8. 欧盟实验快堆强调安全研究（12:41）
欧盟实验快堆自2000年前后已获得持续支持，2024年至2028年仍有经费用于进一步研发。其项目模块中多项都聚焦安全相关研究，包括堆芯安全、非能动余热排出实验验证和提升气冷快堆固有安全性。
9. 氦气冷却的局限与氦氙混合气方案（13:59）
纯氦作为冷却工质存在摩尔质量小、比体积大、体积流量大、管道和换热器尺寸大，以及压缩困难等问题。向氦气中加入氙等大摩尔质量惰性气体可提高气体密度，减小设备尺寸，降低压缩机和透平级数，并增强换热能力。
10. 超临界二氧化碳冷却与布雷顿循环优势（16:32）
超临界二氧化碳具有临界压力和温度适中、临界点附近物性突变明显等特点，可降低压缩功耗并保持较高密度。作为布雷顿循环工质时，在超过约450摄氏度后循环效率可高于蒸汽朗肯循环和氦气布雷顿循环，并能显著缩小换热器和气轮机体积。
11. 超临界二氧化碳冷却反应堆概念（19:23）
将超临界二氧化碳布雷顿循环与反应堆堆芯直接加热相结合，可形成紧凑型反应堆概念。美国、韩国以及西安交通大学均开展了相关概念研究，包括MIT的2400兆瓦概念、韩国30兆瓦电车载方案，以及西安交通大学300兆瓦热堆芯设计。
12. 气体传热恶化是关键热工水力问题（20:19）
事故后冷却剂可能从高温高压高流速转入低压低流速状态，而气冷快堆功率密度较高，容易在自然循环等工况下出现气体传热恶化。其主要原因包括强热流密度下的浮升力效应和加速效应，导致换热能力低于传统湍流传热预测。
13. 传热恶化实验与预测模型改进（21:48）
团队搭建实验台架，研究高热流、低流量条件下圆管内二氧化碳传热特性。实验显示传热恶化位置可能出现在实验段中部或出口，团队据此改进传统湍流换热关联式，纳入浮升力和加速效应后提高了预测与实验数据的一致性。
14. 印刷板式换热器与微通道研究（23:28）
印刷板式换热器是布雷顿循环中保持系统紧凑性的重要部件。团队搭建超临界二氧化碳循环平台，研究约2毫米微通道中超临界二氧化碳的流动传热特性，并结合实验和CFD获得局部流体状态与壁温分布。
15. 瞬态分析软件开发（26:25）
团队开发用于气冷快堆的瞬态分析工具，采用均相流模型，并将压缩机、透平、转动轴等气动机械模型纳入整体守恒方程。该工具可自由组合简单布雷顿、再压缩布雷顿或间接循环等多种布雷顿循环形式，并考虑失气后燃料棒间辐射换热。
16. 事故分析与安全系统设计（28:59）
由于气冷快堆闭式循环中回热器强烈耦合反应堆进出口温度，事故分析必须采用全循环建模，将气动机械、回热器和堆芯同时纳入。团队研究了无安全保护下失流和气轮机停机工况，并据此设计非能动安全系统以在事故中排出衰变热。
17. 动态特性与变负荷运行（30:23）
团队研究了布雷顿循环反应堆的启动、停堆和工质抽注过程，以及通过转动轴转速变化、二氧化碳抽出和注入等方式实现负荷变化。结果表明气冷快堆负荷变化速率较快，可能适用于专用或特殊用途场景。
18. 基于模型的系统工程与数字化平台（32:07）
团队正在探索将基于模型的系统工程用于核能研发，利用SysML、Modelica和OpenModelica开展闭式布雷顿循环模型开发。与RELAP对比显示，Modelica在部分瞬态计算中可显著缩短计算时间，并已实现与智能算法、SysML、Fortran和C++代码的耦合。
19. 总结与未来重点（35:57）
演讲者认为气冷快堆的前景主要在小型堆和微型堆研发，尤其是氦氙布雷顿循环和超临界二氧化碳布雷顿循环，其优势在于紧凑、高效和与布雷顿循环直接耦合。未来需要进一步开展可靠非能动余热排出、反应性负反馈增强以及数字化平台研发。
时间线
00:00 - 主持人介绍吴潘教授的学术背景、研究领域和演讲主题。
00:51 - 演讲开场说明气冷快堆在国内的研究背景，并给出报告的四部分结构。
02:00 - 从第四代核能系统整体格局切入，说明气冷快堆与其他堆型的关系及其基本定位。
04:20 - 集中讲解气冷快堆的技术特征、优势、劣势以及中国在国际计划中的参与情况。
08:18 - 回顾国际主要气冷快堆项目和典型概念，包括美国、日本和欧盟方案。
13:59 - 讨论冷却工质选择，从纯氦扩展到氦氙混合气和超临界二氧化碳，并说明其紧凑化与效率优势。
20:19 - 转入团队研究工作，首先围绕气体传热恶化、实验平台和换热预测模型展开。
23:28 - 介绍印刷板式换热器、微通道超临界二氧化碳流动传热实验以及数值模拟研究。
26:25 - 说明团队开发的瞬态分析软件、循环建模方法、辐射换热模型及相关验证。
28:59 - 进一步介绍事故分析、全循环建模、安全系统设计、启动停堆和变负荷运行研究。
32:07 - 介绍基于模型的系统工程、Modelica建模平台及其与传统程序和多种数字化工具的耦合。
35:57 - 最后总结气冷快堆在小型堆和微型堆方向的潜力，并提出非能动余热排出、反应性控制和数字化研发平台等未来重点。
AI 延伸阅读(下文由AI生成，其内容可能存在偏差，请注意甄别)：
气冷快堆研究持续推进，紧凑高效第四代核能系统前景受关注
西安交通大学工学博士、教授、博士生导师吴攀长期从事气冷快堆相关研究，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划、国防预研课题等项目，在该领域发表近五十篇SCI论文。围绕“气冷快堆研究进展”这一主题，他系统介绍了气冷快堆的基本特征、国际国内研究现状，以及团队在热工水力、安全分析、瞬态仿真和数字化研发平台方面取得的进展。
气冷快堆是第四代核能系统六类候选堆型之一，与钠冷快堆、铅冷快堆、高温气冷堆、熔盐堆和超临界水堆并列。我国近年来在钠冷快堆、高温气冷堆、熔盐堆等方向取得较快进展，例如中国实验快堆和一体化快堆持续推进，石岛湾高温气冷堆示范工程已投产运行。相比之下，气冷快堆在国内仍更多处于前沿探索阶段，尚缺少重大专项支撑，但其融合快中子堆、高温气冷堆和闭式燃料循环优势的特征，使其在未来先进核能系统中具有重要研究价值。
气冷快堆通常采用氦气作为冷却剂。氦气化学惰性强、无相变，适合高温运行，主流设计堆芯出口温度可达到约850℃。由于其功率密度可达约100兆瓦每立方米，明显高于高温气冷堆，气冷快堆能够在相对紧凑的堆芯中实现较高能量输出。若与氦气直接布雷顿循环耦合，可减少中间换热环节，系统热效率有望达到约45%，并可进一步拓展至制氢、高温工业供热等非电应用场景。
在安全性方面，气冷快堆具有负温度反馈系数，高温工况下具备一定反应性自调节能力，同时可采用耐高温陶瓷燃料以及碳化物、碳化硅等耐高温材料，提高燃料和包壳在极端环境下的承受能力。其闭式燃料循环潜力也有助于减少核废料、提高铀资源利用率。不过，气体冷却剂密度小、热惯性低，自然循环能力弱，在失流事故下堆芯升温速度较快，非能动余热排出难度较高，这些因素构成了气冷快堆走向工程应用必须解决的核心问题。
从工程角度看，气冷快堆往往需要在高压条件下运行，典型压力约7兆帕或更高。由于气体密度小，为满足冷却需求，系统中冷却剂流速较高，可能带来燃料棒振动、管道布置、换热器设计和压缩机械设计等一系列挑战。高出口温度、紧凑循环和高效率是其优势，但气体传热能力有限、事故工况下温度响应快，也是其安全分析和工程设计中不可回避的难题。
国际上，气冷快堆研究主要在法国、瑞士、日本和欧盟等参与方推动下开展。当前世界范围内尚无正在运行或建造的气冷快堆，多数项目仍处于概念设计、实验验证和关键技术研发阶段。其中，欧盟实验气冷快堆项目最接近工程化推进。欧盟自2000年前后持续支持相关研究，并在2024年至2028年继续投入经费，重点开展堆芯安全、非能动余热排出、反应性控制和固有安全特性等方面研究。
美国提出的EM2气冷快堆设计是典型概念之一，热功率约500兆瓦、电功率约265兆瓦，氦气运行压力约13.3兆帕，堆芯出口温度约850℃，采用碳化铀燃料和碳化硅包壳，并配置一体化布雷顿循环能量转换系统及非能动余热排出系统。美国还提出过小型气冷快堆方案，热功率约100兆瓦，电功率约42兆瓦，出口温度约800℃，采用六边形棒状燃料组件，换料周期可达约16年。日本则探索二氧化碳冷却快堆，采用板式燃料元件，运行压力约3兆帕，出口温度约440℃，并通过燃料板间水冷套管在自然循环工况下带走衰变热。
欧盟实验气冷快堆设计热功率约75兆瓦，氦气运行压力约7兆帕，第一阶段出口温度目标约530℃，采用MOX燃料，后续阶段计划将出口温度提升至约800℃。这一分阶段策略体现了气冷快堆技术从低风险实验验证逐步迈向高温工程应用的路径，也显示出非能动余热排出、堆芯材料可靠性和安全控制策略在技术成熟过程中的关键作用。
针对氦气冷却剂在小型化设计中的局限，国内外研究者开始关注氦氙混合气体。氦气摩尔质量小、比体积大，导致管道和换热器尺寸较大，压缩机和透平级数较多，不利于小型堆和微型堆设计。在氦气中加入氙等大摩尔质量惰性气体后，可提高冷却剂密度，减小管道和换热器尺寸，降低压缩机械级数，并增强换热能力。这一技术路线也被认为适合空间堆应用，例如面向月球或火星前哨基地长期任务的氦氙冷却空间堆，堆芯出口温度可达约1200K，即约950℃，并可采用带有大量冷却剂通道的固态堆芯结构，通过吸收鼓调节反应性。
除氦气和氦氙混合气外，超临界二氧化碳也是气冷快堆研究中的重要方向。二氧化碳临界压力约7.3兆帕、临界温度约31℃，较容易达到超临界状态。其在临界点附近密度接近液体，压缩机功耗显著降低；远离临界点后又具有气体特性，密度高于氦气，有利于紧凑化系统设计。当循环温度超过约450℃时，超临界二氧化碳布雷顿循环效率可高于蒸汽朗肯循环，也可优于氦气布雷顿循环，使反应堆在中等出口温度下实现较高发电效率。
国际上，美国麻省理工学院曾提出约2400兆瓦级超临界二氧化碳冷却反应堆概念，韩国也提出约30兆瓦电功率的车载超临界二氧化碳冷却反应堆。西安交通大学团队则提出约300兆瓦热功率堆芯概念，采用TID形式燃料组件，并将超临界二氧化碳布雷顿循环与反应堆直接耦合，为紧凑型高效核能系统提供了新的设计思路。
在气冷快堆热工水力研究中，事故工况下气体传热恶化是关键问题之一。事故后，冷却剂可能从高温、高压、高流速状态转变为低压、低流速状态，而气冷快堆功率密度较高，自然循环条件下更容易出现换热能力下降。强热流密度下浮升力效应增强，加速效应改变流动与换热结构，混合对流工况下实际换热能力可能明显低于传统湍流传热预测结果。针对这一问题，西安交通大学团队搭建热工水力实验台架，研究高热流、低流量条件下圆管内二氧化碳传热特性，发现某些工况下传热性能显著低于传统模型预测，且传热恶化位置可能出现在实验段中部或出口，不同恶化机制会导致最高包壳温度位置发生变化。团队在传统湍流换热模型中引入浮升力效应和加速效应，获得了与实验数据更一致的换热预测结果。
印刷板式换热器是紧凑布雷顿循环中的关键部件，对降低系统体积、保持循环紧凑性具有重要作用。团队围绕超临界二氧化碳微通道流动与传热搭建循环实验平台，研究约2毫米直径微通道中的换热行为，测量冷热侧换热量，分析压力和流量变化对回热器载热能力的影响，并开展瞬态工况研究。由于印刷板式换热器内部局部参数难以直接测量，团队通过CFD数值计算复现换热器进出口换热量，进一步获取局部流体状态和壁温分布。研究表明，超临界流体在近临界区域会出现传热强化，强迫流动与径向自然对流共同影响传热过程，相关结果可用于开发微通道超临界流体传热关联式。
在系统安全分析方面，气冷快堆与传统水冷堆存在显著差异。气冷快堆闭式布雷顿循环中，反应堆进出口温度与回热器、压缩机、透平等部件强耦合，不能只孤立建模堆芯，而需要同时模拟反应堆、气动机械、换热器和循环系统。西安交通大学团队研发了面向气冷快堆的瞬态分析软件，采用单相均相流模型，建立压缩机动量方程、透平模型和转动轴动量方程，同时考虑正转矩与负转矩作用。该软件可组合简单布雷顿循环、再压缩布雷顿循环、间接循环布雷顿系统等多种结构，并可根据气冷快堆系统方案灵活建模。
针对失气事故中冷却剂丧失后燃料棒之间辐射换热增强的特点，团队还开发二维导热模型，将辐射换热效应纳入事故分析。软件通过与加拿大相关程序进行对比，对压缩机、透平、换热器等部件模型及闭式布雷顿循环瞬态过程进行验证，结果表明程序能够有效求解气冷快堆系统动态响应。该工具还可与SIMULINK耦合，用于控制策略研究，为复杂系统动态控制分析提供支撑。
气冷快堆事故分析不仅要关注堆芯温度和功率变化，还要研究气动机械响应及循环系统耦合作用。团队围绕无安全保护下的固有响应，分析失流工况、透平停机工况等典型事故过程，并研究非能动余热排出系统设计，以保证事故工况下衰变热能够被可靠带出。由于气体冷却剂自然循环能力有限，如何提升非能动安全系统有效性，是气冷快堆安全设计的重点方向。
在运行控制方面，气冷快堆具有较快的负荷响应能力，适合专用场景或特殊用途。团队研究了初始压力约8.5兆帕、温度约40℃条件下二氧化碳系统启动过程，也分析了停堆过程中需要抽出的二氧化碳量，并评估起停过程中堆芯与循环系统状态变化。在变负荷运行中，可通过调节转动轴转速、抽出或注入二氧化碳工质等方式实现功率调节，不同方案对堆芯温度、流量和循环效率会产生不同影响。这类研究也可用于模拟核电厂甩负荷等瞬态过程中堆芯状态的变化。
数字化研发平台正在成为先进反应堆概念设计和安全分析的重要支撑。传统核能研发仍以文档传递为主，而基于模型的系统工程方法可通过模型实现数据传递、设计验证和迭代优化。团队围绕SysML和Modelica开展建模研究，其中Modelica作为面向对象、非因果建模语言，可用于闭式布雷顿循环系统开发。与RELAP5等传统事故分析软件对比，Modelica在稳态和瞬态分析结果上具有较好一致性，同时计算效率显著提高。在气体流速较大的系统中，RELAP5常受库朗特准则限制，需要采用极小时间步长，而Modelica可使用更高效的隐式计算方法，在相同瞬态计算中可将计算时间从数小时缩短至十几秒量级。
目前，团队已实现Modelica与智能算法、数据同化、遗传算法的耦合，打通Modelica与SysML的数据通信，并实现其与Fortran、C++代码的连接。这类数字化平台能够显著提升概念设计效率，支持多学科协同优化，加快气冷快堆安全分析和控制策略研究。面向未来，小型堆和微型堆被认为是气冷快堆更具潜力的应用方向，氦氙布雷顿循环和超临界二氧化碳布雷顿循环的紧凑化优势将进一步凸显，而可靠非能动余热排出、事故工况下气体传热恶化机理、反应堆控制策略以及负温度反馈能力提升，仍将是气冷快堆研究持续攻关的核心课题。
