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趙成昆：小型反應(yīng)堆有五大應(yīng)用前景

小型堆的基本功能是供電或供熱，或熱電聯(lián)供。由于規(guī)模因子小，小型堆不能代替大型核電廠作為大型電網(wǎng)的基荷。但其具有規(guī)模小、安全性高、適用性廣和允許臨近城市等特點(diǎn)，可以在許多領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特的作用，補(bǔ)充大型核電廠的短板。

1.為石化工業(yè)園區(qū)提供清潔熱能

石化行業(yè)需要大量的熱能和電力，二氧化碳排放量占到全國(guó)排放量的13%，其中的1/3來(lái)自化石燃料燃燒，如果實(shí)現(xiàn)核能替代，可以減少該行業(yè)1/3的碳排放。根據(jù)中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)化工園區(qū)工作委員會(huì)所做的全國(guó)性調(diào)研統(tǒng)計(jì)，截至2020年年底，全國(guó)重點(diǎn)化工園區(qū)或以石油和化工為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的工業(yè)園區(qū)共有616家。大部分園區(qū)內(nèi)建有熱電聯(lián)產(chǎn)、熱力廠和發(fā)電廠等能源基礎(chǔ)設(shè)施。

園區(qū)能源基礎(chǔ)設(shè)施有三個(gè)特點(diǎn)：（1）以煤為原料的機(jī)組裝機(jī)容量占比高達(dá)87%；（2）小機(jī)組，尤其是單機(jī)50MW以下機(jī)組數(shù)量占比達(dá)62%，而小機(jī)組普遍能源效率較低；（3）能源基礎(chǔ)設(shè)施的溫室氣體排放量平均占園區(qū)排放量的75%。

一個(gè)大型園區(qū)熱力需求在100-500t/h，1-2個(gè)熱功率為200MW的小型堆機(jī)組可滿足園區(qū)的需求。按500個(gè)園區(qū)計(jì)算，市場(chǎng)潛力在500-1000個(gè)機(jī)組。

2.老舊火電原址改造

2019年國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局出臺(tái)了《關(guān)于深入推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，進(jìn)一步淘汰煤電落后產(chǎn)能促進(jìn)煤電行業(yè)優(yōu)化升級(jí)的意見》。《意見》中提出“有序淘汰煤電落后產(chǎn)能”，并對(duì)要淘汰關(guān)停的煤電機(jī)組作出說(shuō)明。據(jù)有關(guān)部門規(guī)劃，“十四五”期間改造規(guī)模不低于3.5億千瓦。

淘汰煤電廠址可用來(lái)建設(shè)清潔能源設(shè)施。美國(guó)做過(guò)調(diào)查，80%的火電廠廠址滿足小型核反應(yīng)堆的要求，還可能利用原有火電的一些設(shè)施，也無(wú)需新建輸電網(wǎng)，可以較大幅度降低改造成本。美國(guó)一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，利用現(xiàn)有的火電廠址建核電廠， 可節(jié)省投資15% -30%。我國(guó)目前尚未系統(tǒng)地開展過(guò)此項(xiàng)評(píng)估工作。

3.城市供暖

2018年我國(guó)北方城鎮(zhèn)供暖能耗為2.12億噸標(biāo)煤、碳排放量約為5.5億噸，約占總排放量的5%。當(dāng)前我國(guó)小容量燃煤鍋爐在很多城市還是主導(dǎo)熱源，小鍋爐的熱效率只有55%-60%，而一般燃煤鍋爐效率可達(dá)到70%以上，因此淘汰小型燃煤鍋爐將降低10% -15%的能源消耗。熱電聯(lián)產(chǎn)供熱效率較高，應(yīng)是我國(guó)集中 供熱系統(tǒng)熱源節(jié)能改造的主要方向。

利用核能為城市冬季供暖，可以減輕北方地區(qū)冬季供暖的環(huán)境壓力，且在一定 程度上已被公眾接受。山東海陽(yáng)核能供熱項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了核能進(jìn)入供暖領(lǐng)域零的突破。該項(xiàng)目抽取部分核電廠產(chǎn)生的蒸汽用來(lái)供熱，供熱面積450萬(wàn)平方米，每個(gè)采暖季減排二氧化碳18萬(wàn)噸，“零碳”供暖模式覆蓋海陽(yáng)全城區(qū)。一般大型核電廠距離供暖需要城市都較遠(yuǎn)，這限制了供暖的范圍。而小型堆可以臨近城市，解決了供暖距離問題。

核熱電聯(lián)產(chǎn)的綜合能源利用率可達(dá)80%，單個(gè)模塊供熱能力在200MW左右的小型堆，可滿足400萬(wàn)平方米用熱需求。2020年，全國(guó)城鎮(zhèn)供熱面積148億平方米，如果選擇部分條件成熟的城鎮(zhèn)采用核能供暖，其市場(chǎng)規(guī)模將十分可觀。

專門用于供暖的小型堆由于設(shè)計(jì)參數(shù)一般較低，且只有半年的供暖時(shí)間，利用率不高。因此，小型堆供暖需要與其他需求結(jié)合，提高反應(yīng)堆的利用率。當(dāng)前認(rèn)為熱電聯(lián)供是最好的解決方案。

4.制氫

氫能是具有發(fā)展?jié)摿Φ亩文茉矗饕糜诮煌ㄟ\(yùn)輸、工業(yè)、建筑及其他領(lǐng)域，同時(shí)還是鋼鐵、化工等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要原料或還原劑。根據(jù)氫能行業(yè)有關(guān)研究報(bào)告，2018年中國(guó)氫氣產(chǎn)量約2100萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2030年氫氣需求將達(dá)到3500萬(wàn)噸，2050年接近6000萬(wàn)噸，中國(guó)政府部門已于2020年出臺(tái)有關(guān)文件，提出加快新能源發(fā)展，加快制氫加氫設(shè)施建設(shè)。

高溫蒸汽電解（HTSE）是一項(xiàng)新興技術(shù)，比傳統(tǒng)的水電解效率高40%。核能可以提供低碳的高溫蒸汽，作為一次能源，是理想的制氫技術(shù)。以清華大學(xué)開發(fā)高溫氣冷堆為例，一臺(tái)60萬(wàn)千瓦機(jī)組可滿足180萬(wàn)噸鋼產(chǎn)能對(duì)氫氣、電力及部分氧氣的能量需求，對(duì)應(yīng)每年可減少能源消費(fèi)約100萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減排約300萬(wàn)噸二氧化碳。

5.其他應(yīng)用

（1）小型堆調(diào)峰能力強(qiáng)，可以很好地跟隨電網(wǎng)變動(dòng)。與風(fēng)能、太陽(yáng)能耦合，作為基荷運(yùn)行又參加調(diào)峰，提高供電質(zhì)量。但小型堆發(fā)電成本高于大型堆，因此大型 堆更適合作為大型電網(wǎng)的基荷能源，而小型堆比較適合承擔(dān)區(qū)域小電網(wǎng)的基荷與調(diào)峰。

（2）為偏遠(yuǎn)地區(qū)、島嶼或海洋資源開發(fā)提供穩(wěn)定的電源，或?yàn)橥话l(fā)事件提供應(yīng)急電源。與燃油發(fā)電比，從裝置尺寸和便利性來(lái)講，小型堆移動(dòng)式電源沒有優(yōu)勢(shì)，但小型堆的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定的供電，幾年內(nèi)不需要補(bǔ)充燃料。

（3）海水淡化。我國(guó)是水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，特別是北方沿海省市。發(fā)展海水淡化技術(shù)，開發(fā)利用海水資源，是解決我國(guó)水資源短缺問題的重要途徑，是我國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

（作者：趙成昆 趙永康 李雪峰）

第一作者簡(jiǎn)介：

趙成昆，1966 年 1月畢業(yè)于上海交通大學(xué)船舶核動(dòng)力工程專業(yè)，1981—1983年美國(guó)哥倫比亞大學(xué)訪問學(xué)者。現(xiàn)任中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)專家委員會(huì)常務(wù)副主任。曾任中國(guó)核動(dòng)力設(shè)計(jì)研究院院長(zhǎng)、國(guó)家核安全局局長(zhǎng)、中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)等職。