從“單一型選手”轉(zhuǎn)向“全能型輔助”——
除了發(fā)電，核能還有這么多用途
本報記者 葉 子
近日，國家能源局發(fā)布1-6月份全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。上半年，全國發(fā)電裝機容量約24.4億千瓦，其中核電5553萬千瓦，約占2.3%，同比增長6.5%。作為清潔能源的核電，正在中國經(jīng)濟社會發(fā)展中發(fā)揮越來越大的作用。
中國核電發(fā)展雖然起步晚，但從無到有、從小到大，形成了高水平的工業(yè)創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，其技術(shù)水平和綜合實力已經(jīng)躋身世界第一方陣。近年來，除了生產(chǎn)電力外，核能還應(yīng)用于城市供暖、工業(yè)供汽、海水淡化、合成燃料等諸多場景。
中核集團(tuán)旗下中國核電核能開發(fā)事業(yè)部副總經(jīng)理于開治接受本報采訪時表示，核裂變過程釋放出大量熱能，可以較好匹配工業(yè)生產(chǎn)過程中對高溫工藝熱參數(shù)的需求。核能綜合利用，就是契合各類應(yīng)用場景，或?qū)崮苻D(zhuǎn)化為電能或直接提供高溫工藝熱，通過能量的梯級利用，實現(xiàn)科學(xué)用能，有助于提高能源利用效率。未來，核能將從“單一型選手”轉(zhuǎn)向“全能型輔助”，為綠色低碳發(fā)展貢獻(xiàn)更多“核”力量。
為工業(yè)供汽安全又節(jié)能
用核能燒開水發(fā)電，一直是許多網(wǎng)友對核電的有趣比喻，而這種類比也從本質(zhì)上道出了核電站的發(fā)電原理。于開治解釋，核電站發(fā)電主要是依靠核裂變釋放能量，將水加熱轉(zhuǎn)化為蒸汽，從而驅(qū)動汽輪機發(fā)電。這其中，蒸汽不光可以用來發(fā)電，在工業(yè)生產(chǎn)中同樣大有用途。
5月27日，經(jīng)過3個月樁基施工建設(shè)，第一罐混凝土在田灣核電蒸汽供能項目能源站正式澆筑，標(biāo)志著全國首個工業(yè)用途核能供汽工程——中核集團(tuán)田灣核電蒸汽供能項目全面拉開建設(shè)帷幕。該工程由江蘇核電有限公司、連云港市徐圩新區(qū)石化基地聯(lián)合開展，采用中核集團(tuán)田灣核電3、4號機組蒸汽作為熱源，將蒸汽輸送至連云港石化產(chǎn)業(yè)基地進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)利用，預(yù)計2023年底投產(chǎn)供汽。項目建成后年供汽量達(dá)480萬噸，可實現(xiàn)每年減少燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤40萬噸。
“高溫高壓蒸汽是化工生產(chǎn)不可或缺的要素。目前我國化工行業(yè)的工業(yè)蒸汽主要來自燃煤電廠或自備燃煤鍋爐，采用核能供汽將有效降低能耗、減少碳排放。”中核集團(tuán)江蘇核電維修總經(jīng)理、工程負(fù)責(zé)人劉永生說。
不少人關(guān)注，核能供汽的安全性如何保證？劉永生介紹，加熱的工業(yè)蒸汽經(jīng)由獨立隔離回路輸送，從設(shè)計源頭上確保了核能供汽清潔的安全。整個過程中，只有熱量交換，不存在介質(zhì)的連通，保障核能供汽清潔安全可靠。而且，通過管道預(yù)制架空蒸汽保溫方案等措施，能控制每公里溫度損失小于2℃、壓降0.03兆帕(Mpa)以內(nèi)，有效控制蒸汽長距離傳輸過程中溫度和壓力的損失，滿足連云港石化產(chǎn)業(yè)基地工業(yè)用汽需求。
不只是石化產(chǎn)業(yè)，工業(yè)用熱或蒸汽有著廣泛需求。例如，在造紙行業(yè)，紙張生產(chǎn)中一些化學(xué)藥品的加熱溶解需要使用蒸汽，加工成型等程序也離不開蒸汽。在紡織印染行業(yè)，不論是染色、烘干還是漿紗、印染等步驟，都離不開蒸汽的支持和配合。在橡膠行業(yè)，橡膠的壓延、硫化、干燥等工藝都要使用蒸汽。在制藥行業(yè)，制藥時需要用大量的工業(yè)蒸汽和純蒸汽對原材料、器械和設(shè)備進(jìn)行高溫滅菌，干燥、壓片、制粒等工藝也需要蒸汽支持。在有色金屬行業(yè)，新能源鋰電池的制造，同樣需要使用蒸汽以保證反應(yīng)溫度。
就在7月15日，浙江海鹽核能供熱示范工程(二階段)工業(yè)供熱項目順利開工，預(yù)計今年8月底建成，可提供24小時熱能供應(yīng)保障，年工業(yè)供熱約28.8萬吉焦。此舉相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約1萬噸，減排二氧化碳排放約2.4萬噸，將實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和節(jié)能降碳雙贏。今后，越來越多行業(yè)將用上核能供的蒸汽。
為居民供熱清潔又溫暖
與為工業(yè)提供蒸汽的原理相似，核能也為居民在冬日送去暖氣。浙江海鹽核能供熱示范工程的一階段便是民用供暖工程。事實上，在去年冬天，中國一南一北兩座小城——浙江海鹽、山東海陽都已經(jīng)用上了核能供暖。
2021年11月9日，海陽提前進(jìn)入供暖季，新老城區(qū)居民用上了核能供熱，供熱面積達(dá)450萬平方米。依靠“暖核一號”提供的清潔熱量，海陽市告別了延續(xù)多年的燃煤取暖歷史，成為全國首個零碳供暖城市。
作為全國首創(chuàng)，核能供熱項目并沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可以參考，技術(shù)攻關(guān)的每一步都是在創(chuàng)造歷史。“清潔電”能否產(chǎn)出“清潔熱”？為積累經(jīng)驗、打造樣板，山東核電凝聚了中國核能行業(yè)協(xié)會、清華大學(xué)、電力規(guī)劃設(shè)計總院等“大咖級”專家隊伍，對工程可研報告進(jìn)行評審，經(jīng)過緊張的質(zhì)詢、討論，技術(shù)方案獲得專家一致認(rèn)可。
2019年7月10日，海陽核能供熱一期項目正式開工，工程內(nèi)容包括核能供熱換熱首站建設(shè)和15公里主管網(wǎng)鋪設(shè)，當(dāng)年9月30日全部完工。2019—2020年的供暖季，海陽市臨港、度假區(qū)和核電產(chǎn)業(yè)園70萬平方米共7757戶用上了核能供熱，整個供暖季運行平穩(wěn)順暢，狀況良好，用戶室溫適宜，受到廣大用戶和社會各界的好評。2020年，山東核電又開啟了推進(jìn)大規(guī)模長距離供熱的研究工作。2021年11月9日，核能綜合利用帶來的暖流輸送到海陽市的千家萬戶。
“剛供暖，家里溫度就達(dá)到了23℃。”海陽金陽海岸花園小區(qū)居民成京增說。有了核能供熱，居民住宅的供暖費也由原有的22元/平方米降到21元/平方米。
緊接著，在2021年12月3日，全國南方首個核能供暖項目——浙江海鹽核能供熱示范工程一階段正式投運，供暖面積達(dá)46萬平方米。海鹽核電新村、核電南苑、楓葉新村3個小區(qū)的近4000戶居民率先“嘗鮮”，用上了零碳、清潔、高效的“核暖氣”。這也意味著中國南方開啟了核能供暖的歷史，從此過冬抗寒再也不靠“抖”。
截至2022年4月，示范項目完成首個供暖季任務(wù)，持續(xù)安全穩(wěn)定為近4000戶居民供熱100天，在供熱質(zhì)量提升的同時，供熱價格較過去降低了約1/3。據(jù)測算，到“十四五”末，項目全部建成投運后，能夠滿足海鹽約400萬平方米供暖需求，相對于南方地區(qū)的電取暖方式，每年可節(jié)約電能消耗1.96億度。
核能供暖不僅清潔，還很安全。“核能供暖是從核電機組抽取部分蒸汽，通過換熱站進(jìn)行多次加熱，整個過程只有蒸汽加熱水、水加熱水兩個步驟。”秦山核電黨委書記、董事長黃潛說，核電站與用戶之間有多道回路隔離，每個回路間只有熱量的傳遞，沒有水的交換，更不會有放射性物質(zhì)進(jìn)入暖氣管道，熱水也只在小區(qū)內(nèi)封閉循環(huán)，與核電站層層隔離，沒有任何接觸。
在秦山核電總經(jīng)理鄒正宇看來，核能供熱項目利用秦山核電基地機組冬季剩余熱功率，在不影響機組原有發(fā)電量和安全性能的前提下，向海鹽縣公建設(shè)施、居民小區(qū)及工業(yè)園區(qū)提供大規(guī)模安全、零碳、經(jīng)濟的核能供暖，真正實現(xiàn)了當(dāng)?shù)鼐用瘛⒌胤秸⒑穗娖髽I(yè)及生態(tài)環(huán)保的多方共贏。
創(chuàng)新遠(yuǎn)不止于此。在泳池式研究堆50多年安全穩(wěn)定運行基礎(chǔ)上，中核集團(tuán)針對北方城市供暖自主開發(fā)了一種安全經(jīng)濟、綠色環(huán)保的堆型產(chǎn)品——“燕龍”泳池堆。于開治介紹，“燕龍”泳池堆具有固有安全性高、清潔環(huán)保、管網(wǎng)適配性強等突出特點。一座400兆瓦的“燕龍”低溫供熱堆，供暖建筑面積達(dá)2000萬平方米，可覆蓋20萬個家庭。
目前，“燕龍”泳池式低溫供熱堆示范工程已列入吉林省“十四五”規(guī)劃。專家表示，在附近沒有核電站的一些地區(qū)，泳池式低溫供熱堆非常適合，它的安全系數(shù)較高，可以滿足一定范圍內(nèi)的供熱需求，還可以解決散煤供熱帶來的大氣污染問題。
多領(lǐng)域應(yīng)用注入核能力量
前不久，全球首批商用堆碳-14輻照生產(chǎn)靶件，在中核集團(tuán)旗下中國核電控股的秦山核電三廠2號重水堆機組入堆，開始商用堆生產(chǎn)碳-14同位素，預(yù)計將在2024年開始向市場供貨，產(chǎn)量可滿足國內(nèi)需求。這是核能綜合利用的又一重要突破。
什么是碳-14？它可以用來干什么？和我們的生活又有什么關(guān)系？原來，自然界中存在的碳，比如常見的石墨、鉆石、鉛筆芯等，都是碳-12。此外，它還有一些同位素“兄弟”，比如碳-11、碳-13以及碳-14，它們的原子核里都有6個質(zhì)子，而中子數(shù)卻不同。碳-12很穩(wěn)定，碳-14則具有放射性。
“利用碳-14的放射性進(jìn)行標(biāo)記和檢測，可以檢測幽門螺桿菌、開展藥物代謝動力學(xué)研究。”中核集團(tuán)秦山核電高級工程師孟智良介紹，碳-14常常被用作標(biāo)記物，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。比如在農(nóng)藥中加入碳-14，后期通過檢測農(nóng)作物上碳-14的含量，就可以判斷出農(nóng)藥的殘留量。
中核集團(tuán)秦山核電正高級工程師樊申介紹，此前，中國曾采用過用于實驗研究的小型反應(yīng)堆來生產(chǎn)碳-14，但是產(chǎn)量小，生產(chǎn)不連續(xù)，無法形成穩(wěn)定的供應(yīng)。此次使用商用核電機組，可以長期保持高功率穩(wěn)定運行，連續(xù)生產(chǎn)碳-14。
“就拿幽門螺桿菌的診斷與追蹤來說，目前我國每年的幽門螺桿菌檢測需求超過3000萬人次，市場不容小覷。”于開治表示，中核集團(tuán)在醫(yī)用同位素生產(chǎn)方面取得的重大突破，將有效解決和緩解國內(nèi)碳-14同位素供給問題，為建立穩(wěn)定自主的醫(yī)用同位素供應(yīng)保障體系、提升人民健康水平作出新的貢獻(xiàn)。
除了充分利用現(xiàn)有核電機組開展核能綜合利用外，中核集團(tuán)還通過科技創(chuàng)新，積極研發(fā)先進(jìn)核能系統(tǒng)，拓展更多核能綜合利用的新場景。例如，2021年7月13日，中核集團(tuán)海南昌江多用途模塊式小型堆科技示范工程正式開工建設(shè)，成為全球首個開工的陸上商用模塊化小型堆。
于開治介紹，“玲龍一號”(ACP100)技術(shù)，是中核集團(tuán)通過10余年自主研發(fā)并具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多功能模塊化小型壓水堆堆型，特點是小型化、模塊化、一體化、非能動，可以作為清潔的分布式能源，在供電的同時可滿足海水淡化、區(qū)域供暖、工業(yè)供熱(冷)等多個領(lǐng)域應(yīng)用需求。
在中國核學(xué)會理事長王壽君看來，核能既具有可再生能源的零碳排放特性，又延續(xù)了化石能源不間斷穩(wěn)定服役的特點，貼合大宗制造工藝的能源需求，應(yīng)充分發(fā)揮大型壓水堆、高溫氣冷堆、模塊化小堆、低溫供熱堆等各自優(yōu)勢，緊密結(jié)合用戶側(cè)綜合能源消費需求，建立集供電、居民供暖、工業(yè)供汽、制氫、海水淡化、同位素生產(chǎn)等為一體的多能互補、多能聯(lián)供的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，為未來中國綠色低碳發(fā)展注入核能力量。