PDF《核能综合利用研究现状与展望》

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2019 年.

第34 卷.第4期核能综合利用研究现状与展望 王建强 * 戴志敏 徐洪杰 中国科学院上海应用物理研究所 上海

201800 摘要 核能是满足能源供应、保证国家安全的重要支柱之一.核能发电在技术成熟性、经济性、可持续性等 方面具有很大的优势,同时相较于水电、光电、风电具有无间歇性、受自然条件约束少等优点,是可以大规 模替代化石能源的清洁能源.目前核能主要用于发电,只有少数反应堆应用于核能供热和海水淡化.随着技 术的发展,尤其是第四代核能系统技术逐渐成熟和应用,核能有望超脱出仅仅提供电力的角色.文章围绕核 能的综合利用,从高效发电、核能制氢、海水淡化、核能供热和高温工艺热利用的角度,分别阐述了核能综 合利用现状以及未来发展趋势,最后展望了核能在未来构建多能融合的复合能源系统中的重要作用. 关键词 核能,第四代核反应堆,综合利用,核能制氢,核能供热 DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2019.04.011 *通讯作者 资助项目:中国科学院战略性先导科技专项(XDA21000000) 修改稿收到日期:2019年4月7日 低碳多能融合发展 Integrated Development of Low Carbon Multiple Energy Resources

1 核能利用国内外现状及优势 1.1 国内外现状 核能是满足能源供应、保证国家安全的重要支 柱之一.全球发电总量中,核能发电比例为 10.4%, 截至

2019 年3月,全球有

449 座商用核动力反应堆 在30 个国家运行,总装机容量达

396 GW,在建核电 机组

55 座,在建核电机组装机容量

57 GW[1,2] .此外, 还有大约

240 座研究堆运行在

56 个国家,180 座动力 堆为大约

140 艘舰船、潜艇提供着动力① . 核能发电在技术成熟性、经济性、可持续性等 方面具有很大的优势,同时相较于水电、光电、风电,具有无间歇性、受自然条件约束少等优点,是 可以大规模替代化石能源的清洁能源.根据中国核 能行业协会统计,截至

2018 年12 月31日,我国投入 商业运行的核电机组

44 台(不含我国台湾地区), 总装机容量 44.6 GW,在建的核电机组

11 台,总装 机容量

11 GW.2018 年1―12 月,我国核电机组累计 发电量为

2 865.11 亿千瓦时,占总发电量的 4.22%. 核电设备平均利用小时数为

7 499.22 小时,设备平均 利用率为 85.61%[3] .与燃煤发电相比,核能发电相 ① https://en.wikipedia.org/wiki/Research_reactor;

https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power#cite_ref-256. 院刊

461 当于减少燃烧标准煤

7 646.8 万吨,减少排放二氧化 碳20 034.6 万吨,减少排放二氧化硫 65.0 万吨,减少 排放氮氧化物 56.6 万吨. 在确保安全的基础上高效发展核电,是当前我国 能源建设的一项重要政策,对保障能源供应与安全、 保护环境、实现可持续发展具有十分重要的意义.国 家发展改革委、国家能源局在《能源发展 十三五 规划》中明确了 十三五 时期我国能源发展的路径 和重点任务,提出努力构建清洁低碳、安全高效的现 代能源体系.国家发展改革委、国家能源局《能源技 术革命创新行动计划(2016―2030 年)》也明确提出 我国将继续深入实施创新驱动发展战略,完善核能领 域科技研发体系,支持小型模块化堆、第四代核能系 统、核能制氢等领域的科研工作,使核能为建设 美 丽中国 贡献更多力量. 1.2 优势 从能源效率的观点来看,直接使用热能是更为理 想的一种方式,发电只是核能利用的一种形式.随着 技术的发展,尤其是第四代核能系统技术的逐渐成熟 和应用,核能有望超脱出仅仅提供电力的角色,通过 非电应用如核能制氢、高温工艺热、核能供暖、海水 淡化等各种综合利用形式,在确保全球能源和水安全 的可持续性发展方面发挥巨大的作用[4] . 核能制氢与化石能源制氢相比具有许多优势,除 了降低碳排放之外,由于第四代核反应堆可以提供更 高的输出温度,生产氢气的电能消耗也更少.目前, 约20% 的能源消耗用于工艺热应用,高温工艺热在冶 金、稠油热采、煤液化等应用市场的开发将很大程度 上影响核能发展.用核热取代化石燃料供暖,在保证 能源安全、减少碳排放、价格稳定性等方面具有巨大 的优势,也是一个重要的选项.目前,全球饮用水需 求日益增长,而核能用于海水淡化已被证明是满足该 需求的一个可行选择,这为缺少淡水的地区提供了希 望.核能海水淡化还可用于核电厂的有效水管理,提 供运行和维护所有阶段的定期供水.

2 第四代先进核能系统 2.1 第四代先进核能系统的特点及国际研究现状 未来核能的发展趋势之一是小型模块化反应堆 (SMR),其电功率通常为数十兆瓦到百兆瓦,建设 周期短、布置灵活、适应性强、选址成本低.此外, SMR 还可以节约资金成本,并降低环境和金融风险. 第四代先进核能系统主要包括高温气冷堆、钠冷 快堆、熔盐堆、超临界水堆和铅冷快堆,而颠覆传统 设计的小型模块化第四代核反应堆,因其具备固有安 全性高、核燃料可循环、物理防止核扩散和更优越的 经济性等特点,成为核能研发和投资的热点.例如, 美国和加拿大近年陆续成立了十几家新型核能公司, 包括加拿大地球能源(Terrestrial Energy)、美国泰拉 能源(TerraPower)等,并已经开始与电力公司和国 立研究机构合作,推进小型模块化第四代核反应堆的 示范应用. 第四代核能系统主要特征是经济性高、安全性 好、废物产生量小,并能防止核扩散[5] .而核能制 氢、高温工艺热利用、核能供暖、海水淡化等非电应 用则是第四代核能系统的主要应用目标(图1). 作为下一代先进核能系统,针对第四代核能技术的 发展,第一届 第四代核能系统国际论坛(Generation IV International Forum,GIF) 于2002年提出了第四代 核电的

6 种堆型和研究开发路线图.2012 年11 月在圣 地亚哥、2015 年5月在日本分别举办了第

二、三届研 讨会.第四届 GIF 研讨会于

2018 年10 月16―17 日在法 国巴黎举行,议题包括第四代核能系统发展的驱动因 素、第四代核能系统演示和部署的创新和研发支持、 从研究到项目示范、从示范到市场化

4 个方面.GIF 也 与国际原子能机构(IAEA)保持着长期的合作关系. 第11 届GIF-IAEA创新型反应堆项目(INPRO)对接会 议于

2017 年2月在奥地利维也纳举行,议题涵盖了核

462 2019 年.第34 卷.第4期能经济、安全、物理保护、防止扩散评估方法、通用 先进反应堆技术信息交换等方面的合作,预计未来将 扩展到其他领域,如先进反应堆的特殊安全要求,先 进反应堆的未来市场条件/要求(如与可再生能源的整 合)等. 2.2 钍基熔盐堆核能系统 钍基熔盐堆核能系统(TMSR)是第四代先进核 能系统

6 个候选之一,包括钍基核燃料、熔盐堆、核 能综合利用

3 个子系统.钍基核燃料储量丰富、防扩 散性能好、产生核废料更少,是解决长期能源供应的 一种技术方案.熔盐堆分为液态燃料熔盐堆(MSR- LF)和固态燃料熔盐堆(MSR-SF),后者也被称为 氟盐冷却高温堆(FHR).熔盐堆使用高温熔盐作为 冷却剂,具有高温、低压、高化学稳定性、高热容等 热物特性,并且无须使用沉重而昂贵的压力容器, 适合建成紧凑、轻量化和低成本的小型模块化反应 堆;

熔盐堆采用无水冷却技术,只需少量的水即可 运行,可用于干旱地区实现高效发电.熔盐堆输出 的700℃ 以上高温核热可用于高效发电,同时由于其 使用高化学稳定性和热稳定的无机熔盐作为传蓄热介 质,非常适合长距离的热能传输,从而大幅度降低对 于核能综合利用的安全性顾虑,可以实现大规模的核 能制氢,同时为合成氨等重要化工领域提供高品质的 工艺热,进而有效缓解碳排放和环境污染问题[6] . 保证反应堆的安全可靠运行是核能发展中最重要 的先行目标.作为第四代核能系统,熔盐堆具有很 高的固有安全性,堆内工作环境为近常压,极大地 降低了主容器、堆内构........