高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)推廣及應(yīng)用前景

雷鳴澤

(中國核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100037)

1　高溫氣冷堆概要

1.1　高溫氣冷堆技術(shù)特點(diǎn)

球床模塊式高溫氣冷堆 (簡稱 “高溫氣冷堆”)是我國具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第四代先進(jìn)核能技術(shù),具有固有安全性、模塊化設(shè)計(jì)及建造、發(fā)電效率高、用途廣泛等特點(diǎn)。

高溫氣冷堆以化學(xué)惰性的氦氣作冷卻劑,以石墨為中子慢化劑,采用陶瓷包覆顆粒球形燃料元件。氦氣在反應(yīng)堆堆芯加熱至750℃后,通過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高溫蒸汽,高溫蒸汽進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器和主氦風(fēng)機(jī)構(gòu)成高溫氣冷堆的主系統(tǒng) (見圖1)。

通過充分利用高性能的燃料元件、較大的負(fù)反應(yīng)溫度系數(shù)以及較低的功率密度,高溫氣冷堆實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)堆的固有安全特性,符合國際上最高核安全標(biāo)準(zhǔn),不會(huì)發(fā)生類似蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站、日本福島核電站那樣的堆芯熔化或放射性大量釋放而造成嚴(yán)重后果的核事故,不會(huì)對人類的健康和環(huán)境造成影響,不會(huì)制約電廠周邊區(qū)域的城市規(guī)劃及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)符合核安全文化理念,也滿足了福島核事故后核安全標(biāo)準(zhǔn)普遍提升的核能發(fā)展趨勢。

圖1　高溫氣冷堆工作原理示意圖Fig.1　Wor king principle of HTR

1.2　高溫氣冷堆發(fā)展歷程

在國家863計(jì)劃支持下,10 MW高溫氣冷堆試驗(yàn)堆于1995年在清華大學(xué)正式開工建設(shè)并于2003年實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行;2006年,高溫氣冷堆被列為國家16個(gè)重大科技專項(xiàng)之一;2012年12月9日,中國核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)有限公司 (簡稱“中國核建”)參與投資建設(shè)的世界首座20萬k W級(jí)高溫氣冷堆示范電站在山東榮成開工建設(shè)。目前工程已經(jīng)進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試階段,各項(xiàng)工作進(jìn)展順利。

歷經(jīng)基礎(chǔ)研究、實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)、示范堆建設(shè),我國系統(tǒng)掌握了高溫氣冷堆的全部技術(shù),以自主研發(fā)引領(lǐng)自主設(shè)計(jì)、自主制造、自主建造、自主運(yùn)營,實(shí)現(xiàn)了自主創(chuàng)新和跨越,在國際上處于領(lǐng)先地位。

2　高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

近年來,中國核建與清華大學(xué)緊密配合,共同實(shí)施高溫氣冷堆重大專項(xiàng)科研課題和試驗(yàn)驗(yàn)證,并主導(dǎo)工程化研究工作;在高溫氣冷堆示范工程建設(shè)領(lǐng)域,作為重要參股方參與投資建設(shè),并承擔(dān)工程總承包和建造施工任務(wù);在高溫氣冷堆商用推廣領(lǐng)域,打造了核能產(chǎn)業(yè)化投融資平臺(tái)并主導(dǎo)60萬k W級(jí)高溫氣冷堆核電站的商用推廣;在國際合作領(lǐng)域,積極開展高溫氣冷堆技術(shù)國際推廣工作并取得顯著進(jìn)展。

2.1　產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制不斷加強(qiáng)

從2003年起,中國核建與清華大學(xué)共同合作推進(jìn)具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高溫氣冷堆、低溫核供熱堆先進(jìn)核能技術(shù)。歷經(jīng)十余年的合作,中國核建與清華大學(xué)建立了良好的產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制,共同開展了大量基礎(chǔ)性工作。

一是合作開展高溫氣冷堆標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型設(shè)計(jì)、法規(guī)體系適用性評價(jià)、廠址條件研究等科研攻關(guān);二是圍繞核能產(chǎn)業(yè)化工作合作成立了EPC工程總承包平臺(tái),負(fù)責(zé)核能技術(shù)科研攻關(guān)、工程化研究以及核能項(xiàng)目總承包,建立了采購管理體系和管理平臺(tái),完善了設(shè)備監(jiān)造管理體系等。

2.2　產(chǎn)業(yè)化能力建設(shè)明顯提升

為進(jìn)一步加強(qiáng)核能產(chǎn)業(yè)化工作,2012年中國核建成立了核能產(chǎn)業(yè)化專業(yè)投資與運(yùn)營平臺(tái)。經(jīng)過多年發(fā)展,現(xiàn)已形成了較強(qiáng)的市場開發(fā)能力,具備了一定的資本運(yùn)作能力,并有效整合了與核能產(chǎn)業(yè)化相關(guān)的資源,為60萬k W級(jí)高溫氣冷堆的商用推廣打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.3　國內(nèi)推廣工作取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展

目前,中國核建已在浙江、廣東、福建、江西等多個(gè)省市開展了60萬k W級(jí)高溫氣冷堆項(xiàng)目前期工作,項(xiàng)目可行性研究報(bào)告均通過電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院審查,推進(jìn)順利。未來,隨著20萬k W級(jí)高溫氣冷堆示范工程的運(yùn)行發(fā)電,必將為高溫氣冷堆技術(shù)的下一步推廣提供助力;浙江三門項(xiàng)目作為首個(gè)高溫氣冷堆替代火電示范項(xiàng)目,其順利建設(shè)將對拓展高溫氣冷堆的商業(yè)應(yīng)用市場、拓寬高溫氣冷堆未來應(yīng)用前景起到重要的示范作用。

2.4　積極落實(shí)核電 “走出去”戰(zhàn)略

鑒于突出的技術(shù)優(yōu)勢,高溫氣冷堆被列為實(shí)施核電 “走出去”戰(zhàn)略的優(yōu)選堆型之一。中國核建已與沙特、印尼、東盟能源中心、贊比亞、迪拜等國家和地區(qū)簽訂了高溫氣冷堆相關(guān)合作協(xié)議,開展高溫氣冷堆國際推廣工作。特別是沙特項(xiàng)目,2016年1月和2017年3月,在國家主席習(xí)近平與沙特國王薩勒曼的見證下,中國核建與沙特能源城先后簽署了高溫氣冷堆項(xiàng)目合作諒解備忘錄和可研工作協(xié)議;2017年8月,在中共中央政治局常委、國務(wù)院副總理張高麗與沙特王儲(chǔ)穆罕默德共同見證下,中國核建與沙特科技城簽署了關(guān)于高溫氣冷堆海水淡化合作的諒解備忘錄。這些工作的開展,將盡快實(shí)現(xiàn)中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電技術(shù)真正走出去,并將為后續(xù)我們在擁有中小負(fù)荷電網(wǎng)的國家推廣高溫氣冷堆技術(shù)帶來示范效應(yīng)。

2.5　大力開發(fā)核關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)

在核關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)開發(fā)方面,依托高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐,中國核建與中國核工業(yè)集團(tuán)公司、清華大學(xué)、第一重型機(jī)械集團(tuán)公司、中國中鋼集團(tuán)公司等單位組成產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體,通過高溫氣冷堆電站項(xiàng)目把國內(nèi)多家核電設(shè)備制造商、建造商和運(yùn)營商進(jìn)行整合,打造完整的高溫氣冷堆核電產(chǎn)業(yè)鏈。未來將帶動(dòng)包括燃料元件研發(fā)生產(chǎn)、高端裝備制造和核電建設(shè)在內(nèi)的全產(chǎn)業(yè)鏈走出國門,為“一帶一路”倡議服務(wù)。

3　高溫氣冷堆未來應(yīng)用前景

在核安全要求普遍提升的背景下,高溫氣冷堆技術(shù)優(yōu)勢逐步顯現(xiàn),發(fā)展?jié)摿χ饾u釋放。高溫氣冷堆憑借自身特點(diǎn)不僅具備替代火電廠的可行性,而且還具有多功能綜合利用的發(fā)展前景。

3.1　替代中小火電

在低碳能源發(fā)展以及環(huán)境污染治理力度不斷加大的背景下,我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整將是煤炭和清潔能源發(fā)展此消彼長的過程。近年來,霧霾已成為困擾中國的環(huán)境污染難題,每年近40億噸的煤炭消耗則是造成空氣污染的首要原因。作為世界最大的能源消費(fèi)國,截至2016年年底全國發(fā)電裝機(jī)容量約16.45億k W,火電裝機(jī)達(dá)10.54億k W,其中燃煤機(jī)組9.43億k W。2016年全國有一半以上的省份存在火電產(chǎn)能過剩問題,全國火電發(fā)電量已嚴(yán)重過剩,火電設(shè)備平均利用小時(shí)數(shù)逐年降低。為此,我國 《能源發(fā)展 “十三五”規(guī)劃》中提出,計(jì)劃 “十三五”期間淘汰2000萬k W落后火電產(chǎn)能。

鑒于許多火電廠老舊機(jī)組面臨關(guān)停、退役的局面,同時(shí)一些擴(kuò)建工程也難獲審批,因此許多外部條件優(yōu)越的火電廠址處于空置狀態(tài),這為發(fā)展先進(jìn)的替代能源提供了巨大的市場空間。高溫氣冷堆由于具有固有安全性的顯著特點(diǎn),在技術(shù)上具備可以簡化場外應(yīng)急區(qū)域的潛力,使得靠近城市周邊及負(fù)荷中心建設(shè)成為可能。此外,其蒸汽參數(shù)與燃煤電廠基本一致,核電廠的常規(guī)島可以很好地利用現(xiàn)有成熟的火電技術(shù)和建造能力,并且可以最大程度利用火電廠現(xiàn)有資源,有效降低項(xiàng)目成本,以此替代環(huán)境敏感區(qū)的燃煤及燃?xì)獍l(fā)電。

高溫氣冷堆替代火電是一種全新的、具有開創(chuàng)性的核能利用理念,將為我國低碳發(fā)展戰(zhàn)略提供新的發(fā)展思路,不僅有利于火電廠資源綜合利用、國有資產(chǎn)保值增值,還可以緩解地方政府環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定之間的矛盾,也可以為 “一帶一路”沿線國家提供更加優(yōu)越的產(chǎn)品解決方案。

需要注意的是,在高溫氣冷堆替代中小火電項(xiàng)目的實(shí)施過程中,必須在火電廠已有條件下充分考慮核能項(xiàng)目的特殊性和敏感性,緊密抓住兩者之間的切合點(diǎn),不能存在技術(shù)方面的顛覆性因素。

3.2　高溫氣冷堆熱領(lǐng)域應(yīng)用

(1)高溫氣冷堆制氫

氫能是一種能量巨大、使用方便、來源豐富、沒有污染的清潔能源,用途十分廣泛,將是21世紀(jì)中后期的理想能源,也是人類長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略能源。制氫方法主要有:礦物燃料轉(zhuǎn)化制氫、水分解制氫、水的直接熱分解、熱化學(xué)循環(huán)分解水、高溫或高壓電解、太陽能光解水、生物質(zhì)制氫等。其中熱化學(xué)循環(huán)工藝和高溫蒸汽電解都是有望與核能耦合的先進(jìn)制氫工藝,世界上的許多國家,如美國、日本、法國、加拿大等都在大力開展核能制氫技術(shù)的研發(fā)工作。

將高溫氣冷堆用于核能制氫過程,具有以下優(yōu)勢:

1)高溫氣冷堆具有固有安全特性,可以與常規(guī)工業(yè)設(shè)施有機(jī)結(jié)合;

2)可允許的冷卻劑溫度高達(dá)950～1000℃,可以與制氫工藝要求相匹配;

3)顯著高于常規(guī)電解制氫方法的整體效率;

4)具有可擴(kuò)展性和可持續(xù)性,可以滿足大規(guī)模制氫需求。

(2)高溫氣冷堆在石化行業(yè)的應(yīng)用

石油是不同烴化合物的混合物,簡單作為燃料是極大的浪費(fèi),只有通過加工處理,煉制出不同的產(chǎn)品,才能充分發(fā)揮其巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。通常石油煉化廠使用燃油鍋爐生產(chǎn)高溫高壓蒸汽,不但消耗大量的燃料,而且還會(huì)對環(huán)境造成污染,不利于節(jié)能減排。

高溫氣冷堆出口氦氣溫度可達(dá)750～1000℃。它不僅可用于高效率發(fā)電,還可以作為高溫工藝熱源,用于石油煉化、稠油熱采、油頁巖提煉等石化工藝。利用高溫氣冷堆與石化工藝進(jìn)行耦合應(yīng)用其實(shí)是用核能代替常規(guī)能源,可以減少對常規(guī)化石能源特別是石油的消耗和依賴。使用高溫氣冷堆代替燃油鍋爐提供蒸汽,不但可以節(jié)省原油的燃料用途消耗,而且可以減少燃油鍋爐產(chǎn)生的廢氣對環(huán)境的污染。

(3)高溫氣冷堆在海水淡化領(lǐng)域的應(yīng)用

海水淡化技術(shù)主要包括熱法和膜法海水淡化技術(shù)。熱法海水淡化工藝主要消耗熱能和部分電能,膜法海水淡化工藝主要消耗電能或機(jī)械能,但無論哪種海水淡化工藝都要消耗大量能源來實(shí)現(xiàn)。核能海水淡化技術(shù)原理就是由核反應(yīng)堆直接為海水淡化系統(tǒng)提供能量,將核能技術(shù)與海水淡化技術(shù)耦合而成,其與常規(guī)海水淡化技術(shù)最大的不同就是提供能量的動(dòng)力源不同,當(dāng)然核能海水淡化還要考慮合理的耦合工藝以保證產(chǎn)品淡水的品質(zhì)。

高溫氣冷堆具有固有安全特性,在工藝設(shè)計(jì)上考慮了確保產(chǎn)品安全的專門措施,可以保證產(chǎn)品淡化水不受放射性污染,同時(shí)可以建在城市或負(fù)荷中心周邊,輸水距離較近;反應(yīng)堆可以進(jìn)行能源系統(tǒng)優(yōu)化,功率可與大規(guī)模海水淡化功率匹配,可以體現(xiàn)規(guī)模效益,有效降低淡化水成本;反應(yīng)堆既可以高效發(fā)電又可以提供高參數(shù)高品質(zhì)蒸汽,還可以利用汽輪機(jī)乏汽,可以實(shí)現(xiàn)能量綜合利用,提高能源利用效率,因此適于與各種海水淡化技術(shù)相耦合,尤其適用于電、水聯(lián)供。

高溫氣冷堆作為清潔能源,可以實(shí)現(xiàn)大氣污染物以及溫室氣體 “零排放”,在解決沿海地區(qū)淡水源匱乏的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn) “節(jié)能減排”,是促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的良好選擇,符合國家產(chǎn)業(yè)政策。

4　高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)

4.1　建立并完善高溫氣冷堆法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系

目前,我國尚未建立針對高溫氣冷堆技術(shù)完整的核安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系,現(xiàn)有法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系不利于充分發(fā)揮高溫氣冷堆四代核電技術(shù)優(yōu)勢。高溫氣冷堆具有固有安全特性,可以使核設(shè)施更靠近負(fù)荷中心,與所在地的發(fā)展更友好更和諧。因此,應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到高溫氣冷堆固有安全性的特點(diǎn),在設(shè)計(jì)、建造和監(jiān)管過程中,建議圍繞廠址選擇、設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、工程建造、核應(yīng)急、核安全監(jiān)管等領(lǐng)域加緊研究,盡快建立并完善適合高溫氣冷堆特點(diǎn)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系,在保證安全的前提下充分挖掘高溫氣冷堆的固有安全潛力,不能簡單照搬壓水堆的設(shè)計(jì)、建造和安全標(biāo)準(zhǔn)。

4.2　進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高溫氣冷堆與用熱項(xiàng)目壽期匹配

目前,大多數(shù)用熱項(xiàng)目建設(shè)周期大約是兩年左右,而高溫氣冷堆從選址到建成投產(chǎn)至少需要6年左右的時(shí)間,二者存在建設(shè)工期匹配的問題。此外,目前高溫氣冷堆示范工程設(shè)計(jì)的運(yùn)行壽期為40年,以后商業(yè)化推廣可以達(dá)到60年以上,對于用熱需求少于40年的項(xiàng)目,存在壽期匹配的問題。因此需要研究高溫氣冷堆多用途改造、提高工廠化預(yù)制程度,研發(fā)移動(dòng)式高溫氣冷堆等。

5　結(jié)束語

高溫氣冷堆技術(shù)作為我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第四代先進(jìn)核能技術(shù),除了向電網(wǎng)靈活提供電力外,更可滿足工業(yè)基地、大型工業(yè)園區(qū)、海島等淡水資源缺乏地區(qū)的能源、資源需求,其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用前景可與 “一帶一路”等國家的市場需求匹配。隨著未來世界能源需求以及電力需求的不斷增長,進(jìn)一步推進(jìn)高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)化、拓寬高溫氣冷堆應(yīng)用前景,實(shí)現(xiàn)核能的持續(xù)發(fā)展,將是解決人類能源問題的重要支撐手段。