探索核能在其他领域的应用

核能除了用于发电之外,还可以应用于集中供热和海水淡化。用于供热或者海水淡化的核反应堆和核电厂的核反应堆区别不大,而且往往采用多联产的形式。就位置选择而言,电能易于远距离传输,因此核电站可以远离人口密集的城市地区,但水资源和热能的远距离输运是不经济的,因此核能海水淡化,特别是核能供热,必须在水用户或热用户的附近。

1.核能海水淡化

淡水资源的短缺是很多国家和地区面临的严重问题之一。我国有2/3的城市缺水,其中大约1/5的城市属于严重缺水。淡水资源短缺已经成为很多地区制约经济和社会发展的主要因素。目前解决供水不足问题的方法是节水、水的循环再利用、调水(如中国的“南水北调”工程)、蓄水及海水淡化等。与调水、蓄水不同的是,海水淡化(seawater desalination)是可以增加淡水供给总量的有效方法。我国于2006年正式出台《海水利用专项规划》,预计到2010年,海水直接利用能力超过每年500亿m3。

目前,工业规模的海水淡化技术分为两类：一类是利用膜技术的耗电工艺,即反渗透(reverseosmosis,RO),消耗的能量主要来自于高压泵所需的电能；另一类是耗热工艺,即利用热能加热海水,通过蒸发-冷凝物理过程生产淡水,包括低温多效蒸馏(multieffectdistillation,MED)和多级闪蒸(multi-stageflash,MSF)技术等。利用核能进行海水淡化具有良好的发展前景。

早在20世纪60年代,国际原子能机构(IAEA)就曾调查利用核反应堆进行海水淡化的可行性,并且发表了一些有关这个主题的技术和经济方面的报告,并在1968年召开了核能海水淡化的国际会议。这些研究引起了国际上对核能水电联供的关注。

核能海水淡化曾在很多缺水地区进行了项目准备工作,但实际上只在哈萨克斯坦和日本得到实际应用。哈萨克斯坦的阿克套核能海水淡化厂具有多功能性,不仅为城市居民供水,也同时供电和供热,其海水淡化能力为8万m3/d。阿克套核能海水淡化厂的核反应堆为钠冷快堆,在成功运行了26年后,于1999年初关闭。日本的核能海水淡化厂几乎都是为厂区供水。在日本,所有的核电厂都在海边,有些核电厂同时有海水淡化系统,或者是用核电厂的热或电来生产蒸汽动力循环用水和厂区的饮用水。日本核能海水淡化采用的技术有MED(多效蒸发)、MSF(多级闪蒸)和RO(反渗透),各厂生产淡水的能力为1000～3000m3/d,经过长期运行,取得了核能海水淡化的良好经验。表6.4是日本的核能海水淡化情况。

表6.4　日本的核能海水淡化情况

在我国,低温核供热堆海水淡化已经列入了国家优先支持的高技术产业。2001年,国家计委将山东核能海水淡化项目列为“高技术产业化示范工程”。2005年,国家发展和改革委员会、国家海洋局和国家财政部发布的《海水利用专项规划》中,又将“山东烟台核能海水淡化项目”列为重点工程。该项目的可行性研究工作已经结束,2006年获得了国家发展和改革委员会立项批准。

山东烟台核能海水淡化项目地点位于山东烟台牟平区养马岛,根据规划,将建设热功率为200MW的低温核供热堆、日产16万t纯净水的淡化装置及其辅助设施。建设工期预计为4年,预计可年产5200万t纯净水,所生产的高纯水可直接作为工业用水,也可在进一步处理后供生活用水和饮用。该项目计划采用的是清华大学具有自主知识产权的200MW低温核供热反应堆,与高温多效蒸馏淡化工艺相耦合生产淡水。(www.xing528.com)

2.核能供热

在能源的消费中,大约有2/3的能量在终端利用中是以热能的形式被消耗的,如北方地区冬季的居民区供暖、生产工艺用热、生活用热水供应等。在我国的煤炭消费中,约有80%的煤炭是直接燃烧利用的,这也成为大气环境的重要污染源。近年来,由于环境质量控制、煤炭资源和运力紧张,城市供暖中的大气污染问题、资源不足问题及价格矛盾也越来越突出。

核能供热是20世纪80年代才发展起来的一项新技术。核能是一种经济、安全、清洁的热源,因而在世界上受到广泛重视。发展核反应堆供热,对于缓解煤炭供应和运输紧张、净化环境、减少污染等方面都有十分重要的意义。核供热是具有良好的发展前景,不仅可以用于居民冬季采暖,也可用于工业生产供热。特别是高温气冷堆提供的高温热源,可以用于煤的气化、炼铁等高耗热行业。当然,核能既然可以用来供热、也一定可以用来制冷。因此,在核能的利用中,可以单纯发电,或利用核反应堆生产的能量直接单纯供热,也可以用综合利用,如热电联供、热电冷联供等。核能供热的优点是环境污染小,燃料运输量小,因此核能供热的市场前景十分广阔。

目前应用核能供热的方式主要有两种：

(1)在发电的同时采用汽轮机抽气供热。这种方式和常规燃煤电站的热电联产类似。从有效利用燃料的角度来分析,汽轮机抽气供热的热经济性较好,可以实现能量的梯级利用。不过,在目前广泛采用的轻水压水堆技术核电站中,冷却剂的温度低于水的临界温度,因此远低于燃煤锅炉的烟气温度,蒸汽动力循环本身的热效率不高,能量梯级利用的效果也就不明显了。

(2)建造单纯核供热反应堆,即核反应堆只产生低压蒸汽和热水而不用于发电。这样,反应堆就不必采用高温高压,只需要1.5～2.0MPa甚至更低的冷却系统压力,反应堆和所有一回路系统设备管道就可以降低要求,从而降低设备制造、安装成本。此外,由于核供热反应堆低温低压,安全可靠,完全可以建造在热负荷中心附近,降低热管网投资,直接向城市居民区供热。

目前世界已有的主要低温供热堆型有：①壳式一体化自然循环压水堆,如苏联设计的AST-500,其热功率为500MW,工作压力为2.0MPa；②池式核供热堆,如加拿大建成的SLOWPOKE堆,热功率为2000kW。反应堆为池式常压；自然循环,冷却水出口温度为80℃,在热交换器处被冷却剂50℃后通用反应堆,热利用率可达50%。此外,瑞典的通用电气公司一原子能公司也设计成类似的供热站。

我国自行设计建造的第一座低温核供热模式堆采用深水池式低温供热堆,热功率为5MW,池表面为常压,冷却水温度可达114℃,向热网提供90℃左右热水,该核供热站已于1989年建成运行。

目前,我国已设计完成壳式一体化自然循环核低温供热堆,其热功率为200MW,工作压力为2.5MPa,反应堆堆芯和主热交换器均布置在压力壳内。由于采用了一体化、自稳压、全功率自然循环冷却,控制棒动压水力驱动,双层结构及非能动安全系统等措施,具有优异的固有安全特性,因此该堆可以建造在居民区附近。