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前言

能源是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要物質基礎，也是碳排放的最主要來源，在保障能源安全的前提下，加快構建清潔低碳安全高效的能源體系至關重要。核能生產(chǎn)過程中不排放溫室氣體，全壽期碳排放量小，同時具有能量密度高、無間歇性、占地面積小、能抵御極端惡劣自然條件等優(yōu)點，可為構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)提供有力支撐。“雙碳”背景下，核能發(fā)展邁入了嶄新的機遇期。作為清潔、高效、安全并且唯一可替代煤電的基荷能源，“雙碳”目標的提出在加速能源體系清潔低碳化轉型的同時必然會提升核電占比。為實現(xiàn)核能高質量發(fā)展，更好地助力實現(xiàn)“雙碳”目標，核能將不僅只扮演提供電力的角色，在核能制氫、區(qū)域供熱、海水淡化等多用途綜合利用領域都將發(fā)揮功能，起到降碳減排、確保能源安全的重要作用。目前核能多樣化應用技術研究的開展在行業(yè)內方興未艾，但仍缺乏清晰明確的頂層技術規(guī)劃。本文重點關注大型壓水堆在綜合應用領域的技術路徑，分析核能綜合應用須關注的重點問題，探索實現(xiàn)綜合應用的思路，總結提出核能綜合應用的發(fā)展方向，為制定核能高質量發(fā)展策略規(guī)劃提供參考。

1 .核能綜合利用發(fā)展現(xiàn)狀

核能是確保能源供應、保證國家安全的重要支柱之一。人類對核能的和平利用始于發(fā)電，這也是現(xiàn)今最主要的核能利用形式。全球發(fā)電總量中，核能發(fā)電比例為 10.4%，根據(jù)國際原子能機構（IAEA）的數(shù)據(jù)顯示，截至 2021 年 12 月，全球有 441 座商用核動力反應堆在 32 個國家運行，總裝機容量達 394 吉瓦，在建核電機組 52 座，在建核電機組裝機容量 54 吉瓦。此外，還有大約 240 座研究堆運行在56 個國家，超過 200 座動力堆為 160 艘以上艦船、潛艇提供著動力。

從能源效率的觀點來看，發(fā)電只是核能利用的一種形式，能量梯級利用是更為高效的一種方式。2019 年，全球共有 79 座核反應堆（其中部分為多功能）用于海水淡化（10 臺）、區(qū)域供熱（56 臺）和工藝供熱（32 臺），累計有 750 個反應堆年的安全運行經(jīng)驗。

世界第一座商用核電廠建于 20 世紀 50 年代。20 世紀 70 年代和 80 年代，核電建設在世界范圍內掀起大浪潮，雖然三次重大核事故在不同程度上影響了核電的發(fā)展，但核電技術一直在進步。從第一代實驗堆型到現(xiàn)在第三代大型壓水堆技術，核電在不斷提升安全性的同時也在追求經(jīng)濟性提升。60 余年的發(fā)展積累下， 核發(fā)電技術已十分成熟，但核能利用的方式絕不僅僅只是發(fā)電，對第四代核能系統(tǒng)技術的探索和應用即是核能行業(yè)的自我拓展，通過非電應用如核能制氫、高溫工藝供熱、核能供暖、海水淡化等多種綜合利用形式，核能有望突破僅僅提供電力的角色。同時，由于核能行業(yè)科技含量高、涉及相關產(chǎn)業(yè)廣，核能綜合利用將推動整個產(chǎn)業(yè)鏈技術革新和改造，實現(xiàn)關聯(lián)產(chǎn)品更新?lián)Q代。

“雙碳”目標的設立不僅僅要求能源市場進行低碳化轉型，各行各業(yè)都必須在不斷提升發(fā)展質量的同時解決碳排放的問題，這將引導化工、制造、食品加工等工業(yè)選擇更加清潔并穩(wěn)定的能源。這為核能綜合利用提供了非電應用方面的廣闊市場，在供熱工藝方面，核能可以直接提供加工制造所需的優(yōu)質低價高溫蒸汽，可有效幫助制造工業(yè)實現(xiàn)減排目標；在民用供暖方面，核能供暖可有效優(yōu)化我國北方城市集中供暖系統(tǒng)以燃煤為主的結構，改善冬季空氣質量，解決空氣污染問題；在制氫方面，因目前的制氫工藝耗能高，在減排目標下，氫能行業(yè)面臨高質量發(fā)展的要求和供應不足的沖突風險，核能制氫高效、零碳，可成為我國氫能行業(yè)實現(xiàn)高質量發(fā)展的有效保障。

我國在核能發(fā)電領域起步較晚，在經(jīng)過數(shù)十年的奮力直追，擁有了“華龍一號”等自主三代核電技術，達到了與世界先進技術并跑的水平。我國核電技術已成功躋身世界強國行列，且在部分領域處于領先水平，要抓住契機，積極探索核能綜合利用的各項先進技術，充分掌握自主知識產(chǎn)權，增強國際市場競爭力。

因此，在“雙碳”目標的推動下，以“華龍一號”為代表的自主三代大型壓水堆作為未來一段時期內我國核電建設的主力堆型，要在除發(fā)電領域外，加大強綜合利用的廣度、深度，主動作為發(fā)揮作用。

2.大型壓水堆核能綜合利用趨勢下的發(fā)展方向

2.1大型壓水堆區(qū)域供暖

在供暖領域，熱電聯(lián)產(chǎn)抽汽供暖是最適合大型壓水堆的利用方式。大型壓水堆可抽取部分二回路蒸汽經(jīng)場內換熱站、電力公司換熱站、用戶換熱站給用戶提供穩(wěn)定、清潔、優(yōu)質的暖氣。整個過程通過蒸汽加熱水、水加熱水的方式，只有熱量的傳遞而沒有任何介質直接接觸，十分安全。抽汽供暖一般有主蒸汽抽汽、中間抽汽和乏汽回收供熱技術。如果直接用主蒸汽進行換熱，一定程度上會對蒸汽品質形成浪費，并不經(jīng)濟；用乏汽回收供熱也可以排除，因為核電機組的排汽量很大，如果為了供熱而提高排氣壓力運行，會對機組的出力及效率產(chǎn)生很大的負面影響。因此選擇中間抽汽技術較好。考慮布置難度與可行性，核電機組采用中間抽汽技術的最佳位置為高壓缸與汽水分離再熱器（MSR）連接的排氣管道。當進行抽汽供暖時，MSR 供氣流量將減少，實際進入高壓缸的蒸汽流量增加，高壓缸實際做功增加，在最小化影響機組電功率的同時有利于機組經(jīng)濟性提高。

根據(jù)目前已成功投產(chǎn)的海陽核能供暖項目和秦山核能供暖項目來看，不同堆型的大型壓水堆二回路參數(shù)的差異不影響核能供暖項目的實施，因此現(xiàn)有以及后續(xù)研發(fā)的大型壓水堆在蒸汽參數(shù)上均滿足供暖的要求。從效益來看，以核能供暖的方式替代傳統(tǒng)燃煤供暖，可大幅減少環(huán)境污染且經(jīng)濟性較好。以海陽核能供暖項目為例，經(jīng)測算，每個供暖季海陽可節(jié)約原煤 10 萬噸，減排二氧化碳 18 萬噸、煙塵 691 噸、氮氧化物 1 123 噸、二氧化硫 1 188 噸，相當于種植闊葉林 1 000 公頃，并減少環(huán)境排放熱量 130 萬吉焦，同時海陽居民住宅取暖費每建筑平方米下調一元錢，實現(xiàn)了“居民用暖價格不增加、政府財政負擔不增長、熱力公司利益不受損、核電企業(yè)經(jīng)營做貢獻、生態(tài)環(huán)保效益大提升”。

此外，在規(guī)模化推廣大型壓水堆核能供暖方面，大型壓水堆核電站本身已經(jīng)通過了一系列作為發(fā)電定位的標準審批，再開展供暖改造的流程就相對簡單。國家每年核準一定規(guī)模的核電項目，也為大型壓水堆核電站開展熱電聯(lián)產(chǎn)這種供暖模式提供了保障。2030—2040 年，連云港以北的北方沿海地區(qū)按照 1 億千瓦核電裝機測算，就可滿足 50 億平方米的供暖需求，可覆蓋北方地區(qū) 1/4 的冬季取暖需求。如采用水熱同產(chǎn)同送技術還可滿足 40 億噸淡水需求。

從技術來看，大型壓水堆抽汽供暖不存在關鍵技術“卡脖子”的情況，但核能供暖項目受地域限制，在不需要集體供暖的地區(qū)，因供暖期短、熱負荷小、負荷波動大高等缺點而難以實施。因此，大型壓水堆要想實現(xiàn)核能供暖需要因地制宜，根據(jù)當?shù)氐挠门闆r規(guī)劃合理供暖方案。在地處北方集中供暖地區(qū)的機組可將管網(wǎng)直接連入集中供暖公司管網(wǎng)，建設成本相對較低，因此可以根據(jù)需求盡可能在具有成本優(yōu)勢的范圍內擴大供暖面積；在地處非集中供暖地區(qū)但有一定供暖需求的機組， 建設成本相對較高，且熱負荷小，經(jīng)濟效益相對欠佳，因此可以考慮就近地區(qū)供暖， 盡可能縮短管網(wǎng)距離。當前大型壓水堆單臺機組抽汽最大量約為 1 000 噸 / 小時，

對應熱功率約為 600 兆瓦，可滿足約 1 200 萬平方米的供暖需求。要提高機組核能供暖的效益，在技術層面一方面可以運用新技術減少輸暖管道的熱量損失，另一方面可以利用機組廢熱進行再加熱提高熱利用效率，提升核能供暖項目的經(jīng)濟性。

2.2大型壓水堆工業(yè)供熱

在供熱領域，大型壓水堆受主蒸汽參數(shù)限制應用范圍有限，適用于對熱源品質要求較低的工業(yè)。以“華龍一號”為例，“華龍一號”利用二回路蒸汽經(jīng)蒸汽轉換生產(chǎn)工業(yè)蒸汽，實現(xiàn)雙重隔離，確保安全供氣。單臺“華龍一號”純供熱，最大供氣約 4 000 噸 / 小時；如進行熱電聯(lián)產(chǎn)，考慮汽輪機最低連續(xù)穩(wěn)定運行要求，最大供氣能力約 2 900 噸 / 小時，參數(shù)為最高約 5.0 兆帕，260 ℃。在不與額外熱源耦合的情況下，適用于“華龍一號”的供熱行業(yè)主要是造紙及紙漿生產(chǎn)和原油蒸餾。其中因溫度參數(shù)限制，運用“華龍一號”蒸汽供熱進行原油蒸餾得到的產(chǎn)品主要是汽油、石油氣、輕石油以及部分煤油。

從效益來看，運用大型壓水堆進行供熱可以在一定程度上替代行業(yè)對燃煤、燃氣鍋爐的需求，對于相應企業(yè)實現(xiàn)減碳排放有積極作用，同時可以提高核電廠的能源綜合利用效率。但由于蒸汽參數(shù)限制，大型壓水堆在工業(yè)供熱的應用范圍比較局限，要想進行大規(guī)模推廣應用，需要配備中間再加熱器或者與其他堆型比如高溫氣冷堆互相搭配以提高蒸汽參數(shù)。此外，國內以核能作為工業(yè)熱源的研究剛剛起步，項目的經(jīng)濟性有待驗證。我國首個工業(yè)用途核能供熱項目——田灣核電廠蒸汽供能項目建設今年正式拉開序幕。該項目是利用田灣核電 3、4 號機組蒸汽作為熱源，將安全、零碳、經(jīng)濟的蒸汽輸送至連云港石化產(chǎn)業(yè)基地進行工業(yè)生產(chǎn)利用， 預計 2023 年底投產(chǎn)供氣。據(jù)測算，該項目全部建成投運后，每年供氣量達 480 萬噸，相當于燃煤供氣方式等效每年減少燃燒標準煤 40 萬噸、二氧化碳 107 萬噸、二氧化硫 184 萬噸、氮氧化物 263 萬噸，環(huán)保效益顯著。從當前分析判斷，如果在核電廠址約 20 千米半徑范圍內規(guī)劃相關產(chǎn)業(yè)，亦或是在大型工業(yè)園區(qū)附近建設核能供熱項目，一方面可以滿足工業(yè)領域的供熱需求，另一方面也可以降低二氧化碳等溫室氣體的排放，則該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的綜合競爭優(yōu)勢將加強，產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景較樂觀。

2.3大型壓水堆海水淡化

將淡化水廠作為配套設施與核電廠耦合是實現(xiàn)大型壓水堆海水淡化的最佳途徑。我國已有多個沿海核電廠采用海水淡化技術來解決廠址淡水水源問題，并取得了良好效果。當前主流海水淡化技術均采用熱能或電能驅動，大型壓水堆完全滿足用能需求。因產(chǎn)水能力顯著，反滲透法被普遍應用于現(xiàn)有大型壓水堆配套的核能海水淡化裝置。裝置一般分為取水系統(tǒng)、預處理系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)和廢液排出系統(tǒng)四個系統(tǒng)。以三門核電廠為例，共有正常 2 用 1 備三列海水淡化裝置，產(chǎn)水量為 2×177 立方米/ 小時，運用自清洗過濾器和超濾裝置作為預處理系統(tǒng)的一部分， 降低了產(chǎn)水濁度，膠體硅去除率＞ 99%，采用低能耗高脫鹽率的反滲透膜組件，能量回收裝置回收率可達 45%。從以往運行經(jīng)驗以及海水淡化技術的發(fā)展來看，未來海水淡化技術的更新?lián)Q代不會影響用能需求，配套海水淡化設施依舊是大型壓水堆實現(xiàn)核能海水淡化的主要方式。利用核能進行海水淡化可解決規(guī)模化應用需要大量清潔動力源的需求，但目前核能海水淡化成本較普通淡水處理設施高出很多，加上核電廠本身的高耗水性，我國現(xiàn)有的核能海水淡化裝置基本以供應廠址用水為主，推廣進入一般市場具有較高難度。一方面，需要進一步從安全性、環(huán)境友好性的角度加大工作，提升公眾對于核能海水淡化產(chǎn)出水的可接受度。另一方面當前海水淡化作為大型壓水堆的輔助裝置，規(guī)模較小，要想將核能海水淡化裝置進行規(guī)模化推廣，需要將兩者的規(guī)模合理匹配，提高經(jīng)濟效益。

3.總結與建議

3.1總結

以“華龍一號”為代表的自主三代大型壓水堆技術將是未來相當一段時期內我國核電建設的主力堆型。在“雙碳”目標的推動下，除發(fā)電領域外，應積極探索加深綜合利用的深度，拓寬綜合利用的維度，主動作為發(fā)揮作用。

根據(jù)大型壓水堆的蒸汽參數(shù)以及已有項目的運行經(jīng)驗，大型壓水堆熱源穩(wěn)定、蒸汽量大，非常適合用于區(qū)域供暖，其技術可行，改造實現(xiàn)難度較低，經(jīng)濟、環(huán)境效益好；在工業(yè)供熱方面，大型壓水堆可獨立滿足造紙等對熱源品質要求較低的工業(yè)用熱需求，同時，如與其他熱源如高溫氣冷堆進行耦合，則可充分實現(xiàn)堆型優(yōu)勢互補，拓寬應用范圍；在海水淡化領域，大型壓水堆已積累數(shù)十堆年的運行經(jīng)驗，技術可行且十分安全，但目前核能海水淡化規(guī)模較小，匹配度不足。因此，建議在大型壓水堆綜合利用領域，重點關注區(qū)域供暖、工業(yè)供熱、海水淡化領域的開發(fā)。

3.2建議

3.2.1技術路線發(fā)展建議根據(jù)調研和分析結果，對大型壓水堆核能綜合利用領域的技術發(fā)展建議如下：

1.當前壓水堆通過發(fā)電后用核能電解水制氫成本缺乏市場競爭力，因此不建議在壓水堆核能制氫領域開展過多工作。

2.宜充分發(fā)揮大型壓水堆汽量大、熱源穩(wěn)定的特點，以直接利用核熱為目標， 將區(qū)域供暖和工業(yè)供熱作為大型壓水堆綜合利用的重要手段。區(qū)域供暖領域：優(yōu) 選抽汽供暖技術路線，積極推進地處集中供暖區(qū)的機組優(yōu)先進行供暖改造，做到“能供則供”“應供盡供”，達到快速產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化的目的，同時，對于地處非集中供暖區(qū)但市場需求強烈的機組進行適當改造；工業(yè)供熱領域：重點關注大型壓水 堆 + 高溫堆耦合供熱的技術路線，合作積累經(jīng)驗，同時，探索大型壓水堆與其他形式能源耦合技術的開發(fā)，如熱泵技術、垃圾焚燒等。

3.結合海水淡化開發(fā)利用的巨大潛力和日益增長的淡水需求，利用當前成熟的反滲透核能海水淡化裝置運行經(jīng)驗，開展超大型膜法、熱膜法海水淡化技術研究，力爭突破反滲透膜組件、高壓泵、能量回收裝置等關鍵“卡脖子”設備設計技術，降低海水淡化成本，助推核能海水淡化商業(yè)化推廣。

3.2.2后續(xù)工作計劃建議

1.優(yōu)化抽汽供暖系統(tǒng)設計，重點關注機組功率影響，抽汽口布置、抽汽負荷范圍、功率控制方式、抽汽系統(tǒng)運行穩(wěn)定性等問題；優(yōu)化供暖改造模塊化技術，最小化減少改造工期；開展長距離大溫差供熱技術、冷端余熱回收再利用技術研究。

2.依托田灣蒸汽供能等核能供熱項目，深入評估供熱方案在負荷波動瞬態(tài)影響、換熱設備故障、機組停堆影響下的運行穩(wěn)定性和電廠可用性等問題。開展高效蒸汽轉換技術研究，進一步提升優(yōu)化系統(tǒng)熱效率。

3.近期以規(guī)模化為目標，評估在現(xiàn)有廠址新建海水淡化廠或擴容舊裝置的可行性與經(jīng)濟性，研究與核電廠耦合性最佳、經(jīng)濟效益最好的海水淡化裝置規(guī)模；加大核能海水淡化的宣傳力度，提升公眾可接受度，為淡化水進入市場做鋪墊；開展水熱同產(chǎn)技術的研究與試點應用；遠期研究熱膜法海水淡化、反滲透膜組件、能量回收裝置等關鍵設備與技術，提升海水淡化經(jīng)濟性。

4.鼓勵相關企業(yè)積極組織開展交流合作，進一步優(yōu)化核能供暖的可靠性與經(jīng)濟性，積累技術儲備，培養(yǎng)一批經(jīng)驗豐富的專業(yè)人才。