小堆为什么是核能必争之地?

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2021-08-24 15:14来源:中国核工业作者:

▲ 中核集团海南昌江多用途模块式小型堆科技示范工程开工现场

 

小堆在供热领域应用空间广阔

电力系统的脱碳是全社会实现零碳发展的关键。需求侧的大规模电气化零碳排放的前提是,其所使用的电力都是来自零碳能源。核能可为实现我国2060年碳中和这一艰巨目标发挥重大作用。国际原子能机构(IAEA)在2020年9月发布了最新版本的《到2050年的能源、电力和核电预测》 。

从下表中可以看出,从2019年到2050年全球用电量虽然逐年上升,但在终端能源消费总量中最高为27.2%,其它均为非电力消费。

 

国际能源署(IEA)数据显示,2018年供热占全球终端能耗的50%,占CO2排放的40%。热力消费中,工业部门占比约50%,建筑物房屋(主要为采暖和热水供应)占比46%。

可以看到,供热是全球最大的终端能源消费领域。目前这个领域的主要能源是煤、石油、天然气等传统化石能源;在追求电力低碳化的同时,要十分重视供热领域能源低碳化;核能在该领域有广阔的应用空间,特别是多功能小型模块化反应堆(SMR)的应用。

SMR在供热领域的优点,一是SMR的初投资低、建造周期短,在选址方面具有较大的灵活性,可根据用户需求灵活设计和配置;二是SMR可采用一体化、模块化设计和工厂制造,较少的堆芯装量,先进的安全设计理念,具有安全性好、应急要求大大简化等特点,特别适宜于作为供热领域的能源。

国外小堆发展现状

在过去20年,为适应全球能源低碳化的大趋势,核能发达国家都在努力扩大核能应用范围,多用途的小型堆开发已成为全球核能发展的热点。IAEA于2020年发布的《小型模块化反应堆技术进展》共收录了72种小堆技术。

这些堆中,近一半是水堆,由技术成熟的大型压水堆发展而来,具有明确的近期使用目标。研发国家主要包括中国、俄罗斯、美国、日本等。其中,在海上用的小堆有五六种,包括俄罗斯的海上浮动核电站KIT-40S,现在已经投运。其余部分本质上属先进核能系统(四代堆),包括各类高温气冷堆、快堆、熔盐堆以及微堆。这些堆除少数几个进入详细设计外,大部分处于概念设计或初步设计阶段,到工程建设还有较长时间。这几年发展比较好的是高温气冷堆、铅冷或是钠冷快堆。另外就是熔盐堆。

美国的NuScale。多模块小型堆轻水冷却反应堆,设计目标是替代老旧火电厂,提供发电和非电力的工艺热能,减少二氧化碳排放,并可按照需求灵活增加功率模块。2020年完成了DCA的审查,2022年将获得设计认证批准并开始建设,2026年第一个电厂计划在爱达荷投入商运。

NuScale的设计特点是高度一体化,一回路采用自然循环、非能动安全系统,在提高安全性的同时,简化系统,减少设备,提高经济性,面向北美、东欧、中东、南亚以及非洲潜在用户需求。

原来设计一个模块5万千瓦,一共12个模块60万千瓦。近期又进行了技术改进,每个模块功率升至7.7万千瓦,以求更好的经济性。

开发方做了一个经济上的预测,按照每个模块7.7万千瓦、12个模块建一个电厂的话,总功率可达92.4万千瓦,它的造价是25.19亿美元,每千瓦2850美元。当然,这不是首堆,而是第N个堆以后的造价(NOAK)。

俄罗斯海上浮动核电站KIT-40S。俄罗斯“罗蒙诺索夫院士号”是商用海上浮动核电站,搭载两台压水堆KIT-40S反应堆,用于为边远地区提供电力和热能。2019年12月19日并网发电,停靠于俄远东区楚科奇海岸附近的佩维克港。

韩国的SMART。SMART是压水反应堆,用于发电和海水淡化。1997年开始研发,2012年获得韩国核安全与核安保委员会标准设计认证(SDA),2015年与沙特签署协议(评估在沙特建造至少2台SMART反应堆的可行性),2018年韩沙正式开展联合研究,包括工程设计和建造准备。

可以看出,国际小堆发展的一个特点,就是全球使用核电的有30多个国家,但具有小堆开发能力的只有10多个国家,其中,美俄占国际上正在开发和建设小堆总数的一半。不难看出,这两个核电强国从核能长远利用战略角度,在开拓核能应用新领域的重视程度和所做的努力。

具体来说,第一,从技术基础及成熟度来看,采用轻水堆(包括陆上和海上)技术,仍是目前小堆技术发展的主流,热电联供是其主要运行模式。

第二,高温堆以其独有特点受到青睐(占14种),其中既有采用棱柱状堆芯,也有采用球床堆芯,可见两种技术各有特点。

第三,快堆由于在燃料增殖、减少高放废物方面具有独一无二的优势,仍是国际社会小堆研发重点,共有10种(不含中国),特别是铅(铋)冷快堆。

第四,值得特别关注的是熔盐堆,美、加、丹麦、日、英以及国际财团等发展10来种熔盐堆技术,大都处于概念设计阶段,个别进入基本设计和实验阶段。熔盐堆用途广泛,可用于发电、工业热源、制氢。铀-钍混合燃料熔盐堆为使用自然界中丰富的钍资源提供技术途径。

第五,用于海上或海下的小堆技术有6种,以俄罗斯为最,占5种。中国基于自身的发展需求,在核动力海上平台技术开发领域取得长足的进展。

第六,微型核动力装置在未来空间和水下电源供给中将发挥主要作用,主要以布雷顿循环和斯特林发动机等热电转换方式发电,目前效率较低,主要应用于航空、航天、军事领域等方面。

第七,强调模块化、标准化、系列化、系统简化、智能化,以提高小堆的经济性。

可以说,核电强国在开发小堆过程中具有明确的用户需求、开发目标和战略指引;强调技术创新,在提升安全性的同时强调提高经济性;重视顶层设计,有一个明确的规划和路线图;有关政府部门一开始就注重同步开展政策、规范标准的研究和制定,以满足小堆开发、监督和管理要求。

国内小堆发展现状和市场前景

为扩大核能应用范围,保障能源安全,适应低碳能源发展需要,过去10多年在有关政府部门的鼓励和支持下,中核、中广核、国家电投、清华大学、中船重工、中科院等单位面向不同应用领域和市场需求,积极开发各具特色的小型堆技术。这些小堆技术部分已具备开展示范工程条件。

我国小堆在国民经济的各个领域拥有广泛的需求和发展前景,在实现能源低碳化中将发挥重要作用。

1.替代落后火电产能

“十三五”期间,全国停建和缓建煤电产能1.5亿千瓦,淘汰落后产能0.2亿千瓦以上。特别是淘汰关停不符合要求的30万千瓦以下煤电机组,并将燃煤自备机组纳入淘汰范围。

现阶段,国内采用小堆技术原址替代小型火电技术基本成熟,前景可期。由于原址替代小堆是一新事物,加上经济性、公众对安全的担心等原因,市场开拓有待加强。小堆对边远地区供电、大中型企业、工业园区热电联供具有优势。

适用堆型包括ACP100(玲龙一号)、HTR-PM-200等。

目前,由中核集团开发的海南昌江多用途模块化小型堆科技示范工程ACP100正在积极推进当中,该堆型功率为125MWe,建设工期58个月,可作发电、热电联供等。

2.家庭和工业供热

国家统计局《2020年中国统计年鉴》显示,2013~2019年中国供热总量缓慢增长。2019年,我国蒸汽供热总量约为6.51亿吉焦,较2018增长12.71%;热水供热总量约为32.75亿吉焦,同比2018年上涨1.18%。

供热面积:北方供暖地区城镇现有集中供热面积约131亿平方米,城市集中供热面积约110亿平方米,集中供热率约85%。其中,居住建筑面积82亿平方米,占比75%;公共建筑面积28亿平方米,占比25%;随着城镇化发展趋势,北方地区需要供热的面积不断增长。

热源:我国城市集中供热的热源基本形成以热电联产为主,区域锅炉房为辅,其它热源补充的格局。80%的热源炭以煤为主要燃料,燃煤锅炉、燃气锅炉和燃煤热电联产为主要供热方式。在占主导地位的集中供热中,热电联产和锅炉占比高,燃煤热电联产占45%,燃煤锅炉占32%,燃气锅炉占11%,其余为其它来源。高污染、低效率的落后产能超过50%。

2017年12月,国家发改委等十部委联合发布《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021)》,2018年出台《打赢蓝天保卫战三年行动计划》,均提出要有效推进北方地区清洁取暖,并取得很大成绩,大大改善了空气质量,污染少了、蓝天多了,但其热源还是以优质化石燃料为主。

核能供热技术成熟,在低碳供热领域有广大的应用前景,但能否被采纳,取决于许多因素,公众对安全的担心,价格接受能力,各级政府的态度等都是面临的主要挑战。

适用堆型包括和美一号、 NHR200-Ⅱ、 DHR-400等。

由国家电投开发的和美一号在各级政府的支持下,正在积极有序地推进中,项目规划建设4×200MWt一体化供热堆。一期为2×200MWt,最大供热能力为800万平方米,或供气500吨/小时。该项目计划2021年开工,工期36个月。

由中广核集团和清华大学联合开发的低温供热堆NHR200-Ⅱ在各级政府的支持下,项目前期工作在积极有序推进中,项目规划建设6台NHR200-Ⅱ型低温核供热机组,一期2台,为贵州大龙经济开发区提供工业蒸汽(500t/h),首台计划于2022年12月开工,是我国核能综合利用以及低温供热技术首次商业应用。

由中核集团开发的400MWt燕龙(DHR-400)泳池式低温供热堆目前正在积极推进,单堆可供热面积约1000万平方米,计划2022年实现FCD,2024年建成投产。

3.海水淡化、制氢

我国北方和部分沿海地区水资源严重不足,据统计,北方缺水总面积达58万平方公里;全国有300多座城市不同程度缺水,每年缺水量58亿立方米,主要集中在华北、部分沿海和省会城市以及工业型城市;有6个省、区人均水资源低于500立方米。

海水淡化的市场很大,但由于反渗透海水淡化技术成熟,以及南水北调有效缓解,国内核能海水淡化的行业发展受到一定制约。

制氢在国外(尤其中东国家)有发展前景,氢气在未来的能源市场有广泛应用。高温堆在此方面有优势,但预计在2030年以后。

适用堆型包括HTR-PM-200、ACP100、和美一号等。

4.海洋开发能源供给

除台湾省以外,中国海岛数量大,总面积超过6600平方公里,人口740多万。国家已制定海南发展政策,提出要高水平开发海洋海岛资源,逐步形成以海岛为依托的第二海洋经济带。

海上浮动式核动力平台是实现上述目标能源供应的重要选择,能同时提供电力和高温高压蒸汽,也可用来进行海水淡化;投资规模小,配置灵活,无须场外电源保障,安全,适合孤岛运行。

目前正在开发的堆型包括ACPR50S、 ACP100S等。

我国小堆发展面临的挑战和建议

目前,国内尚不具备一套相对完整的适用于模块化小堆发展的法规标准和用户要求。这些法规标准涉及项目核准、安全审评、核应急以及小堆安保等领域,需逐步补充和完善。小堆的经济性,特别是与其它清洁能源的价格竞争力,一定程度上影响投资者的参与热情。应在确保安全的前提下,发挥创新精神,努力实现简化系统设计,向标准化、批量化、模块化、工厂制造、现场组装方向发展,以有效提高经济性,增加竞争力。

另外,目前我国小堆安全设计水平达到或高于三代大型核电水平,但由于靠近目标用户,公众对安全的担心(特别是作为区域供热的小堆),虽然前景良好,但项目落地相对困难,进展缓慢。需要加大对示范项目的支持力度,在取得成功的基础上,加大宣传,逐步推广。

因此建议有关政府部门进一步加强促进和规范小堆发展的政策、规范和标准的研究和制定,包括小堆的安全要求、适用标准、应急、安保、监管和小堆的用户要求等;加强政府的协调和指导,加强企业和研究单位间的合作,避免同类项目的重复开发,提高开发效率;加强用户需求的调查研究,使开发的小堆技术更具针对性和可应用性;加大示范项目推进力度,在取得成功的基础上加强公众沟通,逐步推广。

(作者单位:中国核能行业协会。本文根据其在中国核能可持续发展论坛——2021春季高峰会议上的发言整理而成,首发于《中国核工业》杂志2021年第7期,原标题《模块化小堆在我国能源发展中的战略地位》)

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