核能海水淡化与供热技术
[摘要] 由清华大学自主研发、中核能源科技有限公司负责产业化推广的一体化全功率自然循环壳式核供热堆技术，可以用于区域供热和制冷、海水（苦咸水）淡化及水、热、冷、电联供等。具有安全可靠、综合利用程度高、经济竞争力强等特点。本文介绍了海水淡化与集中供热技术的发展趋势，以及一体化壳式核供热堆技术的商业目标和新进展。
1 核能的非发电应用
核能的和平利用，除了发电领域以外，在非发电领域也有着广泛的应用。
由清华大学自主研发，中核能源科技有限公司（以下简称”中核能源”）负责产业化推广的一体化全功率自然循环壳式核供热堆（以下简称”一体化壳式供热堆”）技术，可以用于区域供热和制冷、海水（苦咸水）淡化、以及水、热、冷、电联供等。
中核能源在中国核工业建设集团和清华大学的大力支持下，经过三年多的充分准备，已经开始在核电和非发电领域，全面推动模块式高温气冷堆技术和一体化壳式供热堆技术的产业化工作。本文主要介绍采用一体化壳式供热堆作为热源，进行海水淡化与供热的技术。
2 城市供热与海水淡化技术的发展趋势
由于节能降耗、减排环保和提高经济性的综合要求，采用常规能源的城市集中供热和海水淡化技术具有以下发展的趋势：
2.1 大规模供热或海水淡化
城市集中供热朝着单台大容量、高参数锅炉、大规模区域供热发展，200MW以上的热电联供机组和40t/h以上的区域供热锅炉已在北方大城市投入运行，大型供热机组比重将日益增加。热水管网设计最高温度已达150℃，最大供热半径20km，最大管径1400mm；蒸汽管网最高温度已达300℃，压力一般低于1.0MPa，最大供热半径10km，最大管径1000mm。热源为热电厂的热力管网系统，最大供热面积达到1200万平方米；热源为区域锅炉房的热力管网系统，最大供热面积达到500万平方米；热源为热电厂和调峰锅炉房联合供热的热力管网系统，最大供热面积达到4000万平方米。
海水淡化也是朝着扩大单台装置产能和扩大淡化厂建设规模的方向发展，多级闪蒸单台装置产能已经达到7.6万m3/d，低温多效单台装置产水能力将达到6.8万m3/d，单套反渗透淡化装置产水能力也已达到1.12万m3/左右。国际上多级闪蒸、低温多效、反渗透海水淡化厂的生产规模分别达到日产45万m3、24万m3和33万m3。
2.2 热电冷联产和热电水联产
城市集中供热通过热、电联产和热、电、冷联产，获得明显的节能降耗、减排环保、提高热效率和供热质量、增加电力生产供应等综合效益。循环流化床锅炉的热效率大于85％，分别高于大型区域锅炉房和分散小锅炉房70%左右和55%左右的热效率。
海水淡化通过热、电、水联产也取得良好的综合效益。电水联产的海水淡化厂制水成本在4.3～5元/m3之间，经济效益明显好于独立海水淡化厂的6～6.7元/m3。
2.3 供热能源结构多元化，开始采用洁净燃料
中国目前的供热能源结构趋于多元化，煤炭、燃油、天然气、电能、太阳能、地热等都已经用于供热，但是仍以煤炭为主。供热形式有热电厂、区域锅炉房、分散锅炉房、家庭用小燃煤炉等。部分城市开始发展燃气-蒸汽联合循环发电热电厂，已达到高效、节能、减少污染、提高电网调峰能力的目的。与燃煤火力发电厂相比，燃气-蒸汽联合循环过程用水减少50%，排放二氧化碳减少58%，氮氧化物减少81%，灰尘减少95%，二氧化硫和炉渣排放减少100%。
3 核能是大规模供热与海水淡化的理想热源
核供热堆，可以用于城市区域供热和制冷、海水（苦咸水）淡化、中低温工艺热、水、热、电、冷联供等。
核供热堆作为城市供热和海水淡化的热源，符合城市供热和海水淡化的技术发展趋势和需求，具有以下特点：
3.1 可以大规模供热和产水
一座热功率为200MW的一体化壳式核供热堆，每天可以向400万m2建筑物供暖，生产约5400t的工业蒸汽，在南方地区约可生产45万m3淡化水。可以作为大规模供热、供汽和海水淡化生产的首选。
3.2 可以实现水、热、冷、电联供
目前一体化壳式核供热堆已经可以做到城市供热和海水淡化联供，在5MW核供热堆上完成了10万m2的冬季供热、夏季制冷运行，并完成热电联供试验。
3.3 具有良好的环境效益
用核能作为城市集中供热和海水淡化的热源，可以实现化石燃料排放物和二氧化碳的零排放，减少放射性物质、燃料运输量、燃料贮存场地和扬尘，具有良好的环境效益。
表1：200MW供热站与化石燃料锅炉房对环境影响的比较
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4 一体化壳式供热堆技术的商业目标和新进展
与核电的远距离输送不同，核能海水淡化厂与核供热站需要尽量靠近负荷中心和用户。因此，用于海水淡化和供热的核反应堆应当具有比核电站更高的安全可靠性。同时还要具有良好的经济性。为此，用于非电力领域的核反应堆必须实现以下商业目标才能够进入市场，进入市场后才能够持续发展。
4.1 一体化壳式供热堆技术的商业目标
市场对核能海水淡化与供热的总体要求是:技术成熟、先进；安全可靠;经过验证；商业可行。一体化壳式供热堆技术已经满足这些要求。
4.1.1 技术成熟、先进
由于核能海水淡化与供热的反应堆技术更接近负荷中心和用户，因此要求其应当是基于成熟技术发展起来的先进反应堆技术。全世界现有443座核电机组在运行，总功率为三亿六千九百万千瓦。还有26座在建。已经积累了一万堆年以上的运行经验，安全记录是良好的。一体化壳式供热堆属于轻水堆，世界上轻水堆核电站占核电站总数的82％，到2006年上半年，轻水堆已经积累了8983堆年的运行经验，技术是完全成熟的。一体化壳式供热堆运行参数远远低于核电站，同时由于采用了一体化、自稳压、全功率自然循环、新型的控制棒水力传动装置、非能动的余热排出系统、双重承压壳等先进技术，保证了核供热堆的安全可靠性。
4.1.2 安全可靠
对于先进反应堆技术的安全可靠性，包含着对反应堆系统的固有安全性、设备和系统长期运行的安全可靠性两个方面的要求。一体化壳式供热堆的固有安全性体现在以下几个方面：
1) 一体化、自稳压和全功率自然循环设计
反应堆主回路系统采用一体化、自稳压和自然循环设计，取消了主泵和主回路管道，大大降低冷却剂压力边界的泄漏几率，可以极大缓解泄漏事故的后果。同时，在结构设计上采取穿管限流措施并对穿管位置合理布置，能在事故工况下保证冷却剂淹没堆芯。这些设计特性可以保证200MW核反应堆在任何设计基准事故工况下，堆芯不会裸露，因此，该堆不必设置应急堆芯冷却系统。
2) 非能动安全系统
除了主回路系统实现了全功率的自然循环冷却以外，反应堆最重要的安全系统--余热排出系统也采用了自然循环方式，因此，即使丧失外电源，也可以长期维持反应堆堆芯的可靠冷却。从技术角度看，在示范项目建成运行以后，完全可以取消应急柴油机系统。
一体化壳式供热堆除了上述的固有安全性以外，还采取了以下的多重保护措施：
1) 双重停堆保护系统
一体化壳式反应堆控制棒采用水力驱动系统，整个控制棒驱动机构设置在压力壳内，工作介质为反应堆冷却水，在失电和失水的条件下，控制棒将自动落下终止核链式反应，关闭反应堆。同时，该堆还设置了注硼系统，进一步提高了安全停堆的可靠度。
2) 中间隔离回路
在反应堆主回路与海水淡化装置（集中供热回路）之间设置中间隔离回路。由于中间隔离回路的压力高于主回路的压力，在主换热器管道破损时，可以防止主回路带放射性的水进入中间隔离回路，从而保障海水淡化装置（集中供热回路）不受污染。
3) 系统简单，设备简化、操作方便
由于一体化壳式供热堆系统简单、设备简化，对于任何设计基准事故，保护逻辑系统一般只自动触发两种动作，即停堆和打开余热排出系统的阀门，不需要操纵员干预，从而大大降低误操作的可能性。
4.1.3 经过验证
一项新技术要融入市场必须保证其是安全可靠的，为了满足这个要求，核供热堆应尽量采用已经取得良好业绩的成熟技术，需要采用的新技术必须经过必要的试验验证。
从20世纪80年代开始，在轻水堆成熟技术的基础上，一体化壳式供热堆通过“六五”阶段的准备，“七五”、“八五”和“九五”阶段的技术攻关，建成了世界上第一座5MW低温核供热实验堆，并开展了热电联供、制冷空调、海水淡化等综合利用技术的研究开发和试验。在5MW供热堆的设计研究过程中，共取得52项科研成果，攻克13项重大关键技术，获得5项国家专利，有7项技术成果达到国际先进水平，并获得13项部委奖和2项国家级奖。5MW供热堆获得1992年国家科技进步一等奖，反应堆控制棒步进式水力驱动系统获得1990年国家发明二等奖和1991年中国专利金奖。是国家确定的重大科技成果产业化项目。
4.1.4 商业可行
核能的非电力应用，在市场上应能根据需求提供不同的建设规模和产品组合方案；在经济上示范项目能够保本微利，商业项目优于采用化石燃料的同类项目；在环境效益上属于环境友好型。
一体化壳式供热堆技术将形成系列产品，系列1可以实现单纯城市供热、单纯低温多效蒸馏海水淡化、淡化水、城市集中采暖和制冷联供。
系列1已经完成工程初步设计，依据该方案编写的“大庆油田200MW核供热站初步安全分析报告”已通过国家核安全局审查，颁发了建造许可证。在目前化石燃料价格不断升高的条件下，城市集中供热方面经济性已经与区域供热的燃煤供热站相当，好于燃气供热站。海水淡化方面，生产的高纯水成本已经与用自来水生产的高纯水成本相当。
在5MW供热堆连续3个冬季的供暖运行中，堆的总体性能达到国际先进水平，其供热可运行率高达99%。
4.2 一体化壳式供热堆技术的新进展
继系列1之后，目前已经完成系列2 的优化设计，即将向国家核安全审管当局报审。
系列2可以与单纯膜法海水淡化工艺、膜法/热法结合的海水淡化工艺耦合，可以根据市场需求进行淡化水、工业蒸汽、城市供热和制冷联供。由于壳式一体化核供热堆的参数低，发电与核电站相比并不经济，但是在商业电价较高的条件下，生产的厂用电成本低于商业电价，对于降低海水淡化总成本仍然具有经济意义。其生产淡化水和工业蒸汽的成本，已经与采用化石燃料和热电联产方式生产的淡化水和工业蒸汽成本相当。
4.3 核能海水淡化高技术示范工程
1998年10月，以中国一体化壳式供热堆为热源的摩洛哥10兆瓦核能海水淡化工程预可行性研究，通过了国际原子能机构（IAEA）的审评。
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，国家发改委、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。目前该项目的可行性研究工作基本结束。
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