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小型模块化反应堆技术及应用前景

2019-12-12    来源:中国核网      []
       2016年11月4日,中国广核集团召开新闻发布会,宣布我国首座海上浮动小型堆核电站已经开工建造。预计在2020年投入使用。目前这座建设中的核电站完工后将在渤海给油气平台提供电力保障。未来规划在南海建造更多的浮动核电站,保障我国南海岛礁建设、人员设备、油气平台的用电需求。 
 
       消息一出,整个核电界都兴奋异常,有人不禁感叹海上浮动核电站都有了,核动力航母还远吗?核动力航母也算海上小型核反应堆,核潜艇也是。有些人会说:你看看咱们的小型堆不也是船上架一个反应炉嘛。美国都那么多核动力航母了,咱们搞出这个有啥值得骄傲的?其实航母和核潜艇上用的反应堆设计很老旧了,安全性远远落伍了。咱们现在研制的是先进模块化小型堆技术,和舰艇上用的反应堆技术是不一样的。什么叫模块化呢,就是咱们设计建造都可以像搭积木一样方便,一块块拼起来。而且反应堆功率可以根据实际需要像拼电池一样改变机组功率,经济性非常明显。
 
       不只我们国家,许多国家都在研究小型核电模块化技术。核电工程采用模块化技术可以追溯到20世纪80年代初期,美国Bechtel公司计划将核潜艇模块化建造的成功经验应用于核电工程建造并进行了大量的基础研究,但是由于美国三哩岛事故的发生,致使美国的核电建设出现停滞,于是Bechtel公司将其模块化设计和建造理念推向正在大力发展核电的日本,与日本的日立公司一起推进核电工程模块化技术的应用研究和项目实施试验。在日立公司参与日本52个BWR/ABW核电机组中的20个机组的设计建造中,最近的8个机组均采用了3D-CAD三维设计,模块化设计的模块数量由最初的18个增加到196个,在未来的核电建造中将增加到235个。1台核电机组建造工期也由20世纪80年代的62个月降低到现在的48个月(从第一灌混凝土到商业运行)
 
       加拿大原子能有限公司AECL在模块化施工方面也有一定的研究和应用,并在秦山ICANDU6安全壳喷淋系统银结构、主热传输集管束中,首次部分采用了模块施工技术,而且在CANDU6的改进型ACR-1000的设计里,也加大了模块化的设计范围并准备在新项目上推广应用。
 
       苏联在核电站建造中推行的扩大工厂预制工艺,实际上也是一种模块化建造的雏形。
 
       美国西屋公司对AP1000百万千瓦级压水堆核电站设计就是采取了模块化设计,该技术已在我国浙江三门核电站和山东海阳核电站开工建设,目前设计的结构模块和机械模块单堆共计170多个。
 
       我国核电发展温从起步阶段进人发展阶段,目前运行和在建核电站主要是二代及二代加核电技术,在设计阶段未考虑模块化施工,施工单位在建造过程中,将钢衬里穹顶等构件在场地上拼装完成后整体吊装,可视为模块化施工的尝试。因此,在国内核电站的建设中,尚没有大规模采用成熟的模块化施工技术。
 
       随着核能应用步伐的加快以及核电站在建造方面高质量、高速度、高效率的要求,可以预测模块化施工技术在未来核电站建造过程中将逐步得到大量的应用。
 
        应用一 海上浮动核电站
       对比现在海岛上的柴油发电和大陆上的火电厂发电,海上核能发电经济性优势明显。中船重工董事长胡问鸣曾经算过这样一笔账:“现在我们的柴油发电成本是6块钱1度,海上油气田的原油发电是2元1度,换上海上核电以后可以降到9毛钱一度。”这个经济效益就十分显著了。这个价格甚至比陆地上核电站还要便宜,因为这个小型堆采用的超过第三代核反应堆的最新核电技术,发电效率比陆地上核电站更高。而且它还更环保,对海洋环境更友善。
 
 
       柴油机发电污染很严重。北方的雾霾很大一部分都是汽车尾气和发电厂的污染导致的。海上核电小型堆就没有这个问题。至于核废料,咱们核电站燃料棒十几年才需要更换一次,核废料有专门的处理机制,是不需要担心污染的问题的。最棒的是对于海岛,它还可以同时产生大量的蒸馏水,解决岛上,油气平台上人员的生活用水问题。你想核电站嘛,就是靠反应堆热量产生高温蒸汽带动汽轮机叶片转动发电。反应堆这个热量是很庞大的,我们可以利用这个热量来蒸馏海水,产生足够的淡水供应岛上人员的生活,一举两得。
 
    
       应用二 城市采暖供热领域
       我国城市供热对能源的需求量位于世界前列,年耗煤数十亿吨,占总能源消耗的10%以上。随着城镇化进程加快,采暖热负荷迅猛增长,国家统计局数据表明2010年我国城市集中供热总量较2006年增加了约38%。小型反应堆具备较小的源项和采用设计安全的原则,其应急计划区可相应缩小,适合于布置在城市边缘地区,为向城市供热创造了有利条件。
 
       作为燃煤、燃油或燃气供热的替代,小型堆供热不会产生空气污染,特别是随着我国雾霾天气的增多且公众对PM2.5的持续关注,使得小型堆供热在环保方面优势更突出。但是小堆建设于距离负荷中心较近的城市边缘,公众的“核恐惧”心里更加明显,因此需要普及核知识,加强核安全宣传,同时建立和健全核安全信息透明机制。
 
 
 
       应用三 工业工艺供热/供电领域
       电力、建材、冶金、化工等能源消费密集的行业是我国支柱产业,这些行业的企业都建有不同规模的自备热电厂,使用的全部是化石能源,它们占大气污染的70%以上。小型堆可替代上述热电厂,减少化石能源的消耗,同时减少二氧化碳的排放,尤其是在热负荷稳定和集中的工业园区,利用小型堆供热或供电更有利于反应堆的稳定运行和容量因子的提高。此外,小型堆与化石能源系统的集成也是我国发展低碳能源产业的可能性选择之一,例如中国科学院提出构建核能-煤基低碳复合能源系统,即通过核能(电/热)高温电解制氢系统与煤气化为核心的多联产系统进行耦合集成,可实现二氧化碳的零排放。
 
       应用四 海水淡化领域
       我国人均淡水资源占有量仅为世界人均占有量的25%,是最贫水的国家之一,北方沿海地区极度缺水。严重的淡水资源缺乏,已成为经济可持续发展不可忽视的瓶颈。IAEA多年研究结果表明,核能海水淡化的成品水成本与化石燃料方案的成本在相同范围内,当淡化设备的规模加大时,核能优势比较明显。小型模块化反应堆采用模块化设计和建造,对厂址的适应性更好(相对大型反应堆),且可根据海水淡化规模选择合适反应堆功率,更容易实现淡水产量与反应堆规模的匹配。
 
       应用五 与其他新能源组成联合能源系统
       鉴于风电、光伏发电连续稳定发电性能差,难以直接接入电网。小堆核电站运行灵活性强,可与风能、光伏发电组成稳定联合能源系统。 小型堆相对于大型堆,其较小的规划限制区和应急计划区是小型堆的优势。如果小型堆的规划区仍采用5km,则其优势就不复存在。因此,建议行业主管部门制定和完善关于小型堆的法规、标准以及审批和监管体系。此外,建议借鉴有关国家经验,政府在资金、政策等方面提供必要的支持和引导以推动小型堆的研发和应用。
 
       被称为“开创核能多用途新时代”的小型核反应堆,被国内市场接纳的脚步正在加快。中国工程院院士叶奇蓁表示,我国核能创新发展的重要方向之一就是核能应用的多样化,包括小型模块化反应堆及其他先进技术、核能供热代替燃煤供热、海上浮动核电站等。其中,高度创新的小型模块化反应堆可以提供新的解决方案,进一步提高核能应用的灵活性,也有助于新兴国家落实核能发展融资以及培养本地核能人才,更快地进入核电行业。期待着小型核反应堆能够在未来大显神通。
 

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