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前言

能源是經濟社會發展的重要物質基礎，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點，可為構建以新能源為主體的新型電力系統提供有力支撐?！半p碳”背景下，核能發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。為實現核能高質量發展，更好地助力實現“雙碳”目標，核能將不僅只扮演提供電力的角色，在核能制氫、區域供熱、海水淡化等多用途綜合利用領域都將發揮功能，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內方興未艾，但仍缺乏清晰明確的頂層技術規劃。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，探索實現綜合應用的思路，總結提出核能綜合應用的發展方向，為制定核能高質量發展策略規劃提供參考。

1 .核能綜合利用發展現狀

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電，這也是現今最主要的核能利用形式。全球發電總量中，核能發電比例為 10.4%，根據國際原子能機構（IAEA）的數據顯示，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展，但核電技術一直在進步。從第一代實驗堆型到現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濟性提升。60 余年的發展積累下， 核發電技術已十分成熟，但核能利用的方式絕不僅僅只是發電，對第四代核能系統技術的探索和應用即是核能行業的自我拓展，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，由于核能行業科技含量高、涉及相關產業廣，核能綜合利用將推動整個產業鏈技術革新和改造，實現關聯產品更新換代。

“雙碳”目標的設立不僅僅要求能源市場進行低碳化轉型，各行各業都必須在不斷提升發展質量的同時解決碳排放的問題，這將引導化工、制造、食品加工等工業選擇更加清潔并穩定的能源。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質低價高溫蒸汽，可有效幫助制造工業實現減排目標；在民用供暖方面，核能供暖可有效優化我國北方城市集中供暖系統以燃煤為主的結構，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，氫能行業面臨高質量發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實現高質量發展的有效保障。

我國在核能發電領域起步較晚，在經過數十年的奮力直追，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，要在除發電領域外，加大強綜合利用的廣度、深度，主動作為發揮作用。

2.大型壓水堆核能綜合利用趨勢下的發展方向

2.1大型壓水堆區域供暖

在供暖領域，熱電聯產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場內換熱站、電力公司換熱站、用戶換熱站給用戶提供穩定、清潔、優質的暖氣。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濟性提高。

根據目前已成功投產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的差異不影響核能供暖項目的實施，因此現有以及后續研發的大型壓水堆在蒸汽參數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燃煤供暖，可大幅減少環境污染且經濟性較好。以海陽核能供暖項目為例，經測算，每個供暖季海陽可節約原煤 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、核電企業經營做貢獻、生態環保效益大提升”。

此外，在規?；茝V大型壓水堆核能供暖方面，大型壓水堆核電站本身已經通過了一系列作為發電定位的標準審批，再開展供暖改造的流程就相對簡單。國家每年核準一定規模的核電項目，也為大型壓水堆核電站開展熱電聯產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 1/4 的冬季取暖需求。如采用水熱同產同送技術還可滿足 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，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核能供暖需要因地制宜，根據當地的用暖情況規劃合理供暖方案。在地處北方集中供暖地區的機組可將管網直接連入集中供暖公司管網，建設成本相對較低，因此可以根據需求盡可能在具有成本優勢的范圍內擴大供暖面積；在地處非集中供暖地區但有一定供暖需求的機組， 建設成本相對較高，且熱負荷小，經濟效益相對欠佳，因此可以考慮就近地區供暖， 盡可能縮短管網距離。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濟性。

2.2大型壓水堆工業供熱

在供熱領域，大型壓水堆受主蒸汽參數限制應用范圍有限，適用于對熱源品質要求較低的工業。以“華龍一號”為例，“華龍一號”利用二回路蒸汽經蒸汽轉換生產工業蒸汽，實現雙重隔離，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；如進行熱電聯產，考慮汽輪機最低連續穩定運行要求，最大供氣能力約 2 900 噸 / 小時，參數為最高約 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”的供熱行業主要是造紙及紙漿生產和原油蒸餾。其中因溫度參數限制，運用“華龍一號”蒸汽供熱進行原油蒸餾得到的產品主要是汽油、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對燃煤、燃氣鍋爐的需求，對于相應企業實現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。但由于蒸汽參數限制，大型壓水堆在工業供熱的應用范圍比較局限，要想進行大規模推廣應用，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。此外，國內以核能作為工業熱源的研究剛剛起步，項目的經濟性有待驗證。我國首個工業用途核能供熱項目——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、經濟的蒸汽輸送至連云港石化產業基地進行工業生產利用， 預計 2023 年底投產供氣。據測算，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 千米半徑范圍內規劃相關產業，亦或是在大型工業園區附近建設核能供熱項目，一方面可以滿足工業領域的供熱需求，另一方面也可以降低二氧化碳等溫室氣體的排放，則該區域經濟發展的綜合競爭優勢將加強，產業發展前景較樂觀。

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。因產水能力顯著，反滲透法被普遍應用于現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、預處理系統、反滲透系統和廢液排出系統四個系統。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的一部分， 降低了產水濁度，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%。從以往運行經驗以及海水淡化技術的發展來看，未來海水淡化技術的更新換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?；瘧眯枰罅壳鍧崉恿υ吹男枨螅壳昂四芎Ｋ杀据^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、環境友好性的角度加大工作，提升公眾對于核能海水淡化產出水的可接受度。另一方面當前海水淡化作為大型壓水堆的輔助裝置，規模較小，要想將核能海水淡化裝置進行規模化推廣，需要將兩者的規模合理匹配，提高經濟效益。

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，主動作為發揮作用。

根據大型壓水堆的蒸汽參數以及已有項目的運行經驗，大型壓水堆熱源穩定、蒸汽量大，非常適合用于區域供暖，其技術可行，改造實現難度較低，經濟、環境效益好；在工業供熱方面，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，則可充分實現堆型優勢互補，拓寬應用范圍；在海水淡化領域，大型壓水堆已積累數十堆年的運行經驗，技術可行且十分安全，但目前核能海水淡化規模較小，匹配度不足。因此，建議在大型壓水堆綜合利用領域，重點關注區域供暖、工業供熱、海水淡化領域的開發。

3.2建議

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

1.當前壓水堆通過發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.宜充分發揮大型壓水堆汽量大、熱源穩定的特點，以直接利用核熱為目標， 將區域供暖和工業供熱作為大型壓水堆綜合利用的重要手段。區域供暖領域：優 選抽汽供暖技術路線，積極推進地處集中供暖區的機組優先進行供暖改造，做到“能供則供”“應供盡供”，達到快速產業化、規?；哪康?，同時，對于地處非集中供暖區但市場需求強烈的機組進行適當改造；工業供熱領域：重點關注大型壓水 堆 + 高溫堆耦合供熱的技術路線，合作積累經驗，同時，探索大型壓水堆與其他形式能源耦合技術的開發，如熱泵技術、垃圾焚燒等。

3.結合海水淡化開發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化推廣。

3.2.2后續工作計劃建議

1.優化抽汽供暖系統設計，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、抽汽系統運行穩定性等問題；優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影響、換熱設備故障、機組停堆影響下的運行穩定性和電廠可用性等問題。開展高效蒸汽轉換技術研究，進一步提升優化系統熱效率。

3.近期以規?；癁槟繕?，評估在現有廠址新建海水淡化廠或擴容舊裝置的可行性與經濟性，研究與核電廠耦合性最佳、經濟效益最好的海水淡化裝置規模；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，提升海水淡化經濟性。

4.鼓勵相關企業積極組織開展交流合作，進一步優化核能供暖的可靠性與經濟性，積累技術儲備，培養一批經驗豐富的專業人才。