高温气冷堆产业推广及应用前景

雷鸣泽

(中国核工业建设集团有限公司,北京 100037)

1　高温气冷堆概要

1.1　高温气冷堆技术特点

球床模块式高温气冷堆 (简称 “高温气冷堆”)是我国具有完全自主知识产权的第四代先进核能技术,具有固有安全性、模块化设计及建造、发电效率高、用途广泛等特点。

高温气冷堆以化学惰性的氦气作冷却剂,以石墨为中子慢化剂,采用陶瓷包覆颗粒球形燃料元件。氦气在反应堆堆芯加热至750℃后,通过蒸汽发生器产生高温蒸汽,高温蒸汽进入汽轮发电机发电。反应堆、蒸汽发生器和主氦风机构成高温气冷堆的主系统 (见图1)。

通过充分利用高性能的燃料元件、较大的负反应温度系数以及较低的功率密度,高温气冷堆实现了反应堆的固有安全特性,符合国际上最高核安全标准,不会发生类似苏联切尔诺贝利核电站、日本福岛核电站那样的堆芯熔化或放射性大量释放而造成严重后果的核事故,不会对人类的健康和环境造成影响,不会制约电厂周边区域的城市规划及产业发展。这种先进的设计符合核安全文化理念,也满足了福岛核事故后核安全标准普遍提升的核能发展趋势。

图1　高温气冷堆工作原理示意图Fig.1　Wor king principle of HTR

1.2　高温气冷堆发展历程

在国家863计划支持下,10 MW高温气冷堆试验堆于1995年在清华大学正式开工建设并于2003年实现满功率运行;2006年,高温气冷堆被列为国家16个重大科技专项之一;2012年12月9日,中国核工业建设集团有限公司 (简称“中国核建”)参与投资建设的世界首座20万k W级高温气冷堆示范电站在山东荣成开工建设。目前工程已经进入系统调试阶段,各项工作进展顺利。

历经基础研究、实验堆建设、示范堆建设,我国系统掌握了高温气冷堆的全部技术,以自主研发引领自主设计、自主制造、自主建造、自主运营,实现了自主创新和跨越,在国际上处于领先地位。

2　高温气冷堆产业化进展

近年来,中国核建与清华大学紧密配合,共同实施高温气冷堆重大专项科研课题和试验验证,并主导工程化研究工作;在高温气冷堆示范工程建设领域,作为重要参股方参与投资建设,并承担工程总承包和建造施工任务;在高温气冷堆商用推广领域,打造了核能产业化投融资平台并主导60万k W级高温气冷堆核电站的商用推广;在国际合作领域,积极开展高温气冷堆技术国际推广工作并取得显著进展。

2.1　产学研合作机制不断加强

从2003年起,中国核建与清华大学共同合作推进具有我国自主知识产权的高温气冷堆、低温核供热堆先进核能技术。历经十余年的合作,中国核建与清华大学建立了良好的产学研合作机制,共同开展了大量基础性工作。

一是合作开展高温气冷堆标准机型设计、法规体系适用性评价、厂址条件研究等科研攻关;二是围绕核能产业化工作合作成立了EPC工程总承包平台,负责核能技术科研攻关、工程化研究以及核能项目总承包,建立了采购管理体系和管理平台,完善了设备监造管理体系等。

2.2　产业化能力建设明显提升

为进一步加强核能产业化工作,2012年中国核建成立了核能产业化专业投资与运营平台。经过多年发展,现已形成了较强的市场开发能力,具备了一定的资本运作能力,并有效整合了与核能产业化相关的资源,为60万k W级高温气冷堆的商用推广打下了坚实基础。

2.3　国内推广工作取得实质性进展

目前,中国核建已在浙江、广东、福建、江西等多个省市开展了60万k W级高温气冷堆项目前期工作,项目可行性研究报告均通过电力规划设计总院审查,推进顺利。未来,随着20万k W级高温气冷堆示范工程的运行发电,必将为高温气冷堆技术的下一步推广提供助力;浙江三门项目作为首个高温气冷堆替代火电示范项目,其顺利建设将对拓展高温气冷堆的商业应用市场、拓宽高温气冷堆未来应用前景起到重要的示范作用。

2.4　积极落实核电 “走出去”战略

鉴于突出的技术优势,高温气冷堆被列为实施核电 “走出去”战略的优选堆型之一。中国核建已与沙特、印尼、东盟能源中心、赞比亚、迪拜等国家和地区签订了高温气冷堆相关合作协议,开展高温气冷堆国际推广工作。特别是沙特项目,2016年1月和2017年3月,在国家主席习近平与沙特国王萨勒曼的见证下,中国核建与沙特能源城先后签署了高温气冷堆项目合作谅解备忘录和可研工作协议;2017年8月,在中共中央政治局常委、国务院副总理张高丽与沙特王储穆罕默德共同见证下,中国核建与沙特科技城签署了关于高温气冷堆海水淡化合作的谅解备忘录。这些工作的开展,将尽快实现中国自主知识产权的核电技术真正走出去,并将为后续我们在拥有中小负荷电网的国家推广高温气冷堆技术带来示范效应。

2.5　大力开发核关联产业

在核关联产业开发方面,依托高温气冷堆产业化实践,中国核建与中国核工业集团公司、清华大学、第一重型机械集团公司、中国中钢集团公司等单位组成产业联合体,通过高温气冷堆电站项目把国内多家核电设备制造商、建造商和运营商进行整合,打造完整的高温气冷堆核电产业链。未来将带动包括燃料元件研发生产、高端装备制造和核电建设在内的全产业链走出国门,为“一带一路”倡议服务。

3　高温气冷堆未来应用前景

在核安全要求普遍提升的背景下,高温气冷堆技术优势逐步显现,发展潜力逐渐释放。高温气冷堆凭借自身特点不仅具备替代火电厂的可行性,而且还具有多功能综合利用的发展前景。

3.1　替代中小火电

在低碳能源发展以及环境污染治理力度不断加大的背景下,我国能源结构调整将是煤炭和清洁能源发展此消彼长的过程。近年来,雾霾已成为困扰中国的环境污染难题,每年近40亿吨的煤炭消耗则是造成空气污染的首要原因。作为世界最大的能源消费国,截至2016年年底全国发电装机容量约16.45亿k W,火电装机达10.54亿k W,其中燃煤机组9.43亿k W。2016年全国有一半以上的省份存在火电产能过剩问题,全国火电发电量已严重过剩,火电设备平均利用小时数逐年降低。为此,我国 《能源发展 “十三五”规划》中提出,计划 “十三五”期间淘汰2000万k W落后火电产能。

鉴于许多火电厂老旧机组面临关停、退役的局面,同时一些扩建工程也难获审批,因此许多外部条件优越的火电厂址处于空置状态,这为发展先进的替代能源提供了巨大的市场空间。高温气冷堆由于具有固有安全性的显著特点,在技术上具备可以简化场外应急区域的潜力,使得靠近城市周边及负荷中心建设成为可能。此外,其蒸汽参数与燃煤电厂基本一致,核电厂的常规岛可以很好地利用现有成熟的火电技术和建造能力,并且可以最大程度利用火电厂现有资源,有效降低项目成本,以此替代环境敏感区的燃煤及燃气发电。

高温气冷堆替代火电是一种全新的、具有开创性的核能利用理念,将为我国低碳发展战略提供新的发展思路,不仅有利于火电厂资源综合利用、国有资产保值增值,还可以缓解地方政府环境保护、节能减排与经济发展、社会稳定之间的矛盾,也可以为 “一带一路”沿线国家提供更加优越的产品解决方案。

需要注意的是,在高温气冷堆替代中小火电项目的实施过程中,必须在火电厂已有条件下充分考虑核能项目的特殊性和敏感性,紧密抓住两者之间的切合点,不能存在技术方面的颠覆性因素。

3.2　高温气冷堆热领域应用

(1)高温气冷堆制氢

氢能是一种能量巨大、使用方便、来源丰富、没有污染的清洁能源,用途十分广泛,将是21世纪中后期的理想能源,也是人类长远的战略能源。制氢方法主要有:矿物燃料转化制氢、水分解制氢、水的直接热分解、热化学循环分解水、高温或高压电解、太阳能光解水、生物质制氢等。其中热化学循环工艺和高温蒸汽电解都是有望与核能耦合的先进制氢工艺,世界上的许多国家,如美国、日本、法国、加拿大等都在大力开展核能制氢技术的研发工作。

将高温气冷堆用于核能制氢过程,具有以下优势:

1)高温气冷堆具有固有安全特性,可以与常规工业设施有机结合;

2)可允许的冷却剂温度高达950～1000℃,可以与制氢工艺要求相匹配;

3)显著高于常规电解制氢方法的整体效率;

4)具有可扩展性和可持续性,可以满足大规模制氢需求。

(2)高温气冷堆在石化行业的应用

石油是不同烃化合物的混合物,简单作为燃料是极大的浪费,只有通过加工处理,炼制出不同的产品,才能充分发挥其巨大的经济价值。通常石油炼化厂使用燃油锅炉生产高温高压蒸汽,不但消耗大量的燃料,而且还会对环境造成污染,不利于节能减排。

高温气冷堆出口氦气温度可达750～1000℃。它不仅可用于高效率发电,还可以作为高温工艺热源,用于石油炼化、稠油热采、油页岩提炼等石化工艺。利用高温气冷堆与石化工艺进行耦合应用其实是用核能代替常规能源,可以减少对常规化石能源特别是石油的消耗和依赖。使用高温气冷堆代替燃油锅炉提供蒸汽,不但可以节省原油的燃料用途消耗,而且可以减少燃油锅炉产生的废气对环境的污染。

(3)高温气冷堆在海水淡化领域的应用

海水淡化技术主要包括热法和膜法海水淡化技术。热法海水淡化工艺主要消耗热能和部分电能,膜法海水淡化工艺主要消耗电能或机械能,但无论哪种海水淡化工艺都要消耗大量能源来实现。核能海水淡化技术原理就是由核反应堆直接为海水淡化系统提供能量,将核能技术与海水淡化技术耦合而成,其与常规海水淡化技术最大的不同就是提供能量的动力源不同,当然核能海水淡化还要考虑合理的耦合工艺以保证产品淡水的品质。

高温气冷堆具有固有安全特性,在工艺设计上考虑了确保产品安全的专门措施,可以保证产品淡化水不受放射性污染,同时可以建在城市或负荷中心周边,输水距离较近;反应堆可以进行能源系统优化,功率可与大规模海水淡化功率匹配,可以体现规模效益,有效降低淡化水成本;反应堆既可以高效发电又可以提供高参数高品质蒸汽,还可以利用汽轮机乏汽,可以实现能量综合利用,提高能源利用效率,因此适于与各种海水淡化技术相耦合,尤其适用于电、水联供。

高温气冷堆作为清洁能源,可以实现大气污染物以及温室气体 “零排放”,在解决沿海地区淡水源匮乏的同时可以实现 “节能减排”,是促进当地经济社会发展的良好选择,符合国家产业政策。

4　高温气冷堆产业化面临的挑战

4.1　建立并完善高温气冷堆法规标准体系

目前,我国尚未建立针对高温气冷堆技术完整的核安全法规标准体系,现有法规标准体系不利于充分发挥高温气冷堆四代核电技术优势。高温气冷堆具有固有安全特性,可以使核设施更靠近负荷中心,与所在地的发展更友好更和谐。因此,应该充分认识到高温气冷堆固有安全性的特点,在设计、建造和监管过程中,建议围绕厂址选择、设计、设备制造、工程建造、核应急、核安全监管等领域加紧研究,尽快建立并完善适合高温气冷堆特点的法规标准体系,在保证安全的前提下充分挖掘高温气冷堆的固有安全潜力,不能简单照搬压水堆的设计、建造和安全标准。

4.2　进一步实现高温气冷堆与用热项目寿期匹配

目前,大多数用热项目建设周期大约是两年左右,而高温气冷堆从选址到建成投产至少需要6年左右的时间,二者存在建设工期匹配的问题。此外,目前高温气冷堆示范工程设计的运行寿期为40年,以后商业化推广可以达到60年以上,对于用热需求少于40年的项目,存在寿期匹配的问题。因此需要研究高温气冷堆多用途改造、提高工厂化预制程度,研发移动式高温气冷堆等。

5　结束语

高温气冷堆技术作为我国具有自主知识产权的第四代先进核能技术,除了向电网灵活提供电力外,更可满足工业基地、大型工业园区、海岛等淡水资源缺乏地区的能源、资源需求,其技术特点和应用前景可与 “一带一路”等国家的市场需求匹配。随着未来世界能源需求以及电力需求的不断增长,进一步推进高温气冷堆产业化、拓宽高温气冷堆应用前景,实现核能的持续发展,将是解决人类能源问题的重要支撑手段。