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核电小型堆或将成中国能源综合利用“主力军”?
国孚电力 / 时间:2020-02-24 22:39:21

与海水淡化可较好结合

中国储能网2月15日讯:据了解,小型堆的影响范围要大大小于大型堆,从而提供了选址和安全上的便利。其次,更小的堆设计使得将反应堆建成半地下或者全地下成为可能,这也提高了反应堆抵抗地震海啸导弹以及飞机坠落等事故的能力。

小型模块化堆(SMR),顾名思义,有两大特点,一个是小型,另一个是模块化。 

一、小型化。现在主流的反应堆是在1000MWe的大型压水堆,或者沸水堆,像APR-1400或EPR更是达到了1500MWe这个级别,小型堆的发展思路与这样的堆恰恰相反,是指功率大约处于10MW到300MW之间的裂变堆。选择这个范围主要基于两点:1. 10MWe是工业可能感兴趣的最小发电量;2.300MW则是对电网来讲比较适宜接入的大功率。

二、模块化。模块化主要是指nuclear steam supply system(NSSS)。主要的考虑是把一个大型的电站分散成若干个小型的模块,每个模块都包括一个反应堆堆芯,与此同时,其他一些设备可以公用,比如几个模块共用一个安全壳,或者涡轮机乃至整个二回路。这样的做的优势在于,在供应可观发电量的同时,大大提升了堆芯的安全性。另外,分散成若干模块也更有利于功率调节,在电网功率需求产生变化时,小型堆比大型堆能够更容易的调节功率。

三、安全性。由于功率和功率密度的下降,反应堆的安全性自然就有了相应的提高。首先看事故状况下需要疏散范围的半径:R = 0.01 sqr(P) 此处,半径R的单位是英里,功率P的单位是kW。显而易见,小型堆的影响范围要大大小于大型堆,从而提供了选址和安全上的便利。其次,更小的堆设计使得将反应堆建成半地下或者全地下成为可能,这也提高了反应堆抵抗地震海啸导弹以及飞机坠落等事故的能力。最后看一个直观的数字,堆芯融毁系数(Core damage factor),也就是:大型事故次数/反应堆运营年数,针对二代堆,这个数字大约是10^-4,也就是说每1w反应堆年出现一次大型事故,三代堆以及三代+这个数字大约是10^-5或10^-6,即十万年或者百万年出现一次大型事故。而这个参数在小型堆上则能够到10^-7或者更低(M.Carelli),也就是说,从目前的计算来看,小型堆更加安全。

四、经济性。从单位的造价上来说,小型堆不如大型堆经济。直观上讲,确实如此,但是如果建立一个更加现实的模型,这个结论未必是如这样直观考虑那么简单和容易作答。通用电气-日立核能公司(GE-Hitachi)首席咨询工程师埃里克?洛温表示,该公司正在研发一种小型模块化沸水堆,即BWRX-300,这种反应堆的经济性可与天然气电厂媲美:造价为每千瓦2250美元,运维成本约为每兆瓦时16美元。

五、运用场景。可以预测模块化施工技术在未来核电站建造过程中将逐步得到大量的应用,下面列举几个场景。 

1、海上浮动核电站 

2、城市采暖供热领域 

我国城市供热对能源的需求量位于世界前列,年耗煤数十亿吨,占总能源消耗的10%以上。小型反应堆具备较小的源项和采用设计安全的原则,其应急计划区可相应缩小,适合于布置在城市边缘地区,为向城市供热创造了有利条件。 

作为燃煤、燃油或燃气供热的替代,小型堆供热不会产生空气污染,特别是随着我国雾霾天气的增多且公众对PM2.5的持续关注,使得小型堆供热在环保方面优势更突出。但是小堆建设于距离负荷中心较近的城市边缘,公众的“核恐惧”心里更加明显,因此需要普及核知识,加强核安全宣传,同时建立和健全核安全信息透明机制。 

3、工业供热与供电领域 

电力、建材、冶金、化工等能源消费密集的行业是我国支柱产业,这些行业的企业都建有不同规模的自备热电厂,使用的全部是化石能源,它们占大气污染的70%以上。小型堆可替代上述热电厂,减少化石能源的消耗,同时减少二氧化碳的排放,尤其是在热负荷稳定和集中的工业园区,利用小型堆供热或供电更有利于反应堆的稳定运行和容量因子的提高。此外,小型堆与化石能源系统的集成也是我国发展低碳能源产业的可能性选择之一,通过核能(电/热)高温电解制氢系统与煤气化为核心的多联产系统进行耦合集成,可实现二氧化碳的零排放。 

4、海水淡化领域 

我国人均淡水资源占有量仅为世界人均占有量的25%,是最贫水的国家之一,北方沿海地区极度缺水。严重的淡水资源缺乏,已成为经济可持续发展不可忽视的瓶颈。IAEA多年研究结果表明,核能海水淡化的成品水成本与化石燃料方案的成本在相同范围内,当淡化设备的规模加大时,核能优势比较明显。小型模块化反应堆采用模块化设计和建造,对厂址的适应性更好(相对大型反应堆),且可根据海水淡化规模选择合适反应堆功率,更容易实现淡水产量与反应堆规模的匹配。

5、与其他新能源联合组成区域能源系统

将风电、光伏发电连续稳定发电性能差的电源与小型堆核电站运行灵活性强的特点结合,可组成稳定的区域能源能源系统。

小型堆相对于大型堆,其较小的规划限制区和应急计划区是小型堆的优势。如果小型堆的规划区仍采用5km,则其优势就不复存在。建议行业主管部门制定和完善关于小型堆的法规、标准以及审批和监管体系。

“开创核能多用途新时代”的小型核反应堆,被国内市场接纳的脚步正在加快。我国也要借鉴有关国家经验,政府在资金、政策等方面提供必要的支持和引导以推动小型堆的研发和应用。

小型堆技术、产业化优势正在显现

早在2000年,美国能源部就提出模块式小型堆概念,用于小火电替代或城市附近电、热、淡水、蒸汽联供。国际原子能机构也于2004年6月倡导成立“革新性小型核能装置”协作研究项目,主要致力于核能的区域供热、海水淡化、海洋能源开发等多用途利用。据国际原子能机构统计,截至2017年,全世界范围内正在研发56种致力于核能多用途综合利用的小型堆技术。

小型堆的方兴未艾,加之世界能源增长需求放缓、全球大型核电站建设减弱,以及能源转型升级进入新阶段,各国对核能的多元化利用提出了更多路径。核能系统除了主要应用于发电领域,还在制氢、海水淡化、区域供热等领域存在一定的市场空间和利用价值。但从目前目前除了发电,核能在其他领域的应用还相对较少。

我国核能综合利用的“大门”正待开启。资料显示,在海水淡化方面,我国洪水泛滥、干旱缺水、水污染等问题并存,淡水利用的难度和需求加大;区域供热方面,我国北方供热面积已达130多亿平方米,且每年以5%-10%的速度递增,很多地区已面临热源紧缺;在制氢领域,氢储能、分布式发电、交通物流等均具有广阔前景。核能的清洁、安全、经济与选址灵活等特性将在各个利用领域发挥重要作用。 

核能要进一步发展多用途利用,小型堆更符合其要求。大型核电站选址要求高,需远离城市和工业设施,且均用于纯发电,难以实现核能多用途利用。而小型核动力核燃料数量少,事故后衰变热度低,具有更高的固有安全性,可邻近城市布置,便于实现利用核能供热、蒸汽等多用途利用。小型化反应堆是“游戏改变者”,能够以高安全水平提供不同的核电联产解决方案。尤其新设计的小堆是供电、供汽、供热、海水淡化等多用途的集合体。

小型堆未来前景巨大 创新发展是关键 

小型模块化反应堆在未来电力市场中将与新能源配合,在分布式电网和智能微网中发挥重要作用。而海水利用产业将朝着工程大型化、环境友好化、低能耗、低成本等方向发展。“这些海水淡化的发展方向有利于采用核能作为能源供应方式,未来核能海水淡化的发展前景可观。”有专家表示。而在核能制氢气领域,该专家认为,未来氢能经济有望取代化石能源经济,将被更多地应用到分布式能源及运输行业中,市场潜力巨大。

然而,也有业内人士认为,尽管小型堆市场前景广阔,也开展了一些设计研究,但因开发进展缓慢、场址准备和部署延迟及经济等原因,目前还未能展示出大规模应用的实用性。

目前小型模块化反应堆的一些进展大大提升了其竞争力和吸引力。现在的小型反应堆运用非能动安全概念,并且工厂内模块化建造能力也已形成。另外“即插即用”概念的运用,使发电站可完全在工厂内建造,而后运到现场接入电网。这些进展都提升了小堆的竞争力。

小型堆想要获得长足稳定发展,就要切实满足市场需求,具有创新理念。“新的小型模块化反应堆必须是真正采用创新理念,绝对不是目前的第三代反应堆的缩小版。创新的设计可明显提升小型模块化反应堆在经济上的竞争力。

与间歇性风电、太阳能发电、天然气发电和用于特定应用的柴油发电机相比,小型堆是有竞争力的。如果类似于“即插即用”、设计完全独立于安装地点的解决方案得到证实,小型堆就可以满足市场需求、从而为能源转型发挥作用。


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