950C高温气冷堆瞄准工业供热新市场

一家休斯顿创业公司旨在将日本的高温反应堆技术带到德克萨斯州，押注950C的高温气冷堆能为工业供热、氢能生产和先进核能部署开辟新市场。

一家总部位于休斯顿的核技术初创公司正在推进一种高温气冷堆设计，目标是达到950C（1,742华氏度）的出口温度——这远超美国正在开发的大多数先进反应堆概念的范围。

ZettaJoule的ZJ0反应堆——一种源自日本高温工程试验堆计划的高温气冷堆——针对需要高温出口的工业过程，包括精炼、合成燃料生产、制氢、钢铁制造、化学制造、海水淡化和数据中心，ZettaJoule联合创始人、总裁兼首席执行官Mitsuo Shimofuji在3月接受POWER采访时表示。

该方案依赖于采用Hastelloy XR制造的高温中间热交换器，这是一种由日本原子能机构为HTTR计划开发的镍基合金。"问题不在于反应堆能产生多少热量，"Shimofuji说。"而在于如何提取这些热量。关键在于热交换器的合金材料。"

[图片：日本原子能机构位于茨城县大洗的高温工程试验堆。这个30兆瓦热功率的氦冷反应堆在2004年达到950C出口温度，随后在2010年连续50天保持高温运行。图片来源：JAEA]

自2026年2月26日与德克萨斯州农工大学工程实验站签署谅解备忘录以来，该公司取得了快速进展。该备忘录允许TEES探索在学院站校区建设ZJ0反应堆的可能性，该地点毗邻已拥有两台研究堆的TEES核工程与科学中心。双方目前正在协商一份具有约束力的协议，将明确设计里程碑、监管节点和融资条款。

Shimofuji表示，TEES将拥有反应堆并获得美国核管会的许可证，而ZettaJoule将负责设计、工程、采购和施工管理，并协助筹集资金。德克萨斯州农工大学预计，ZJ0项目在未来十年内可能吸引高达100亿美元的下游研究合作、产业伙伴关系和联邦资金。

Shimofuji表示，公司的商业主张基于三个要素：经过验证的反应堆架构、具有已验证高温运行记录的热交换器材料，以及来自建造和运行原始HTTR的机构的创始团队。"我们的设计并非从零开始，"他说。

据Shimofuji介绍，ZJ技术瞄准了一个长期存在的空白领域：尽管许多工业过程需要700C以上的温度，但这些热量目前仍主要由天然气燃烧提供。"正如您可能理解的那样，无论何种技术，核反应堆的重点主要都在发电上，"他说。

长期以来，核技术一直被视为填补这一空白的潜在解决方案。第四代国际论坛将这一设计空间归类为超高温反应堆——一种石墨慢化、氦冷却的架构，核心出口温度可达700C至950C，未来配置甚至可能超过1,000C。VHTR是GIF优先发展的六种第四代系统之一，部分原因在于其热输出范围与制氢、石油化工加工、冶金和化学合成等领域相匹配。

GIF自身的技术评估指出，当前大多数VHTR开发都集中在较低温度范围——700C至850C——以降低材料挑战和部署风险。目前唯一运行中的商业规模高温气冷堆是中国石岛湾的HTR-PM，于2023年12月投入商业运行，其反应堆出口温度为750C。ZettaJoule的目标是VHTR温度范围的上限：反应堆出口950C——比HTR-PM高200C，与日本的HTTR在2004年4月全功率运行时达到的最高温度相同，该反应堆在2010年3月连续运行50天期间保持了这一温度。

ZettaJoule的950C高温气冷堆瞄准工业过程热、氢能生产和数据中心

ZJ是一种棱柱块状高温气冷堆。含有三层结构各向同性涂层颗粒的燃料块——铀核直径约为350至500微米，每个核都被包裹在热解碳和碳化硅的连续层中——被装入形成反应堆堆芯的六边形石墨燃料块中。正如美国能源部所指出的，TRISO颗粒能够在高达1,800C的温度下保持裂变产物，远高于反应堆在正常运行或设计基准事故下可能达到的温度。

高压氦气在石墨块的冷却剂通道中循环，从燃料块中吸收热量，并以高达950C的温度离开反应堆容器。然后，这股主氦气流经过中间热交换器，在那里其热能转移到二次回路，用于输送到工业过程或能量转换系统。

[图片：ZettaJoule的30兆瓦热功率高温气冷堆概念设计出口温度高达950C，采用石墨基体中的三层结构各向同性颗粒燃料和氦冷却剂——这种架构与为高热效率和过程热应用优化的超高温反应堆系统相一致。图片来源：ZettaJoule]

反应堆的石墨慢化剂、陶瓷燃料和低功率密度——初始部署为30兆瓦热功率，可扩展至600兆瓦热功率——实现了非能动安全行为，正如HTTR在一系列越来越严格的测试中所展示的那样。2010年，日本原子能机构完成了30%功率下的失强迫冷却试验。2022年1月，在完成福岛后安全增强措施并重启HTTR后，该机构重复了100%功率——30兆瓦热功率——的试验。2024年3月27日至28日，日本原子能机构完成了其描述的世界上首次在100%功率下限制控制棒插入条件下的棱柱状高温气冷堆失强迫冷却示范：所有氦循环泵停止运行，控制棒插入被阻断，反应堆功率自然下降并稳定，无需操作员干预或造成堆芯损伤。"这足以证明这种技术是可行的，"Shimofuji说。

ZettaJoule的核心技术重点在于其中间热交换器——这个组件从主氦回路中提取热量并将其转移到工业过程中。从主氦流中提取950C的热量需要一种在持续高温、高压氦环境中保持机械完整性的结构材料——在这种化学活性环境中，石墨堆芯材料产生的冷却剂杂质会腐蚀金属并在蠕变应力下促进表面裂纹。