小堆為什么是核能必爭(zhēng)之地？
在過(guò)去20年，為適應(yīng)全球能源低碳化的大趨勢(shì)，核能發(fā)達(dá)國(guó)家都在努力擴(kuò)大核能應(yīng)用范圍，多用途的小型堆開(kāi)發(fā)已成為全球核能發(fā)展的熱點(diǎn)。
（來(lái)源：微信公眾號(hào)“中國(guó)核工業(yè)” ID：cn_industry 中國(guó)核工業(yè)雜志）
小堆在供熱領(lǐng)域應(yīng)用空間廣闊
電力系統(tǒng)的脫碳是全社會(huì)實(shí)現(xiàn)零碳發(fā)展的關(guān)鍵。需求側(cè)的大規(guī)模電氣化零碳排放的前提是，其所使用的電力都是來(lái)自零碳能源。核能可為實(shí)現(xiàn)我國(guó)2060年碳中和這一艱巨目標(biāo)發(fā)揮重大作用。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）在2020年9月發(fā)布了最新版本的《到2050年的能源、電力和核電預(yù)測(cè)》 。
從下表中可以看出，從2019年到2050年全球用電量雖然逐年上升，但在終端能源消費(fèi)總量中最高為27.2%，其它均為非電力消費(fèi)。
國(guó)際能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示，2018年供熱占全球終端能耗的50%，占CO2排放的40%。熱力消費(fèi)中，工業(yè)部門(mén)占比約50%，建筑物房屋（主要為采暖和熱水供應(yīng)）占比46%。
可以看到，供熱是全球最大的終端能源消費(fèi)領(lǐng)域。目前這個(gè)領(lǐng)域的主要能源是煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源；在追求電力低碳化的同時(shí)，要十分重視供熱領(lǐng)域能源低碳化；核能在該領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間，特別是多功能小型模塊化反應(yīng)堆（SMR）的應(yīng)用。
SMR在供熱領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)，一是SMR的初投資低、建造周期短，在選址方面具有較大的靈活性，可根據(jù)用戶需求靈活設(shè)計(jì)和配置；二是SMR可采用一體化、模塊化設(shè)計(jì)和工廠制造，較少的堆芯裝量，先進(jìn)的安全設(shè)計(jì)理念，具有安全性好、應(yīng)急要求大大簡(jiǎn)化等特點(diǎn)，特別適宜于作為供熱領(lǐng)域的能源。
國(guó)外小堆發(fā)展現(xiàn)狀
在過(guò)去20年，為適應(yīng)全球能源低碳化的大趨勢(shì)，核能發(fā)達(dá)國(guó)家都在努力擴(kuò)大核能應(yīng)用范圍，多用途的小型堆開(kāi)發(fā)已成為全球核能發(fā)展的熱點(diǎn)。IAEA于2020年發(fā)布的《小型模塊化反應(yīng)堆技術(shù)進(jìn)展》共收錄了72種小堆技術(shù)。
這些堆中，近一半是水堆，由技術(shù)成熟的大型壓水堆發(fā)展而來(lái)，具有明確的近期使用目標(biāo)。研發(fā)國(guó)家主要包括中國(guó)、俄羅斯、美國(guó)、日本等。其中，在海上用的小堆有五六種，包括俄羅斯的海上浮動(dòng)核電站KIT-40S，現(xiàn)在已經(jīng)投運(yùn)。其余部分本質(zhì)上屬先進(jìn)核能系統(tǒng)（四代堆），包括各類(lèi)高溫氣冷堆、快堆、熔鹽堆以及微堆。這些堆除少數(shù)幾個(gè)進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)外，大部分處于概念設(shè)計(jì)或初步設(shè)計(jì)階段，到工程建設(shè)還有較長(zhǎng)時(shí)間。這幾年發(fā)展比較好的是高溫氣冷堆、鉛冷或是鈉冷快堆。另外就是熔鹽堆。
美國(guó)的NuScale。多模塊小型堆輕水冷卻反應(yīng)堆，設(shè)計(jì)目標(biāo)是替代老舊火電廠，提供發(fā)電和非電力的工藝熱能，減少二氧化碳排放，并可按照需求靈活增加功率模塊。2020年完成了DCA的審查，2022年將獲得設(shè)計(jì)認(rèn)證批準(zhǔn)并開(kāi)始建設(shè)，2026年第一個(gè)電廠計(jì)劃在愛(ài)達(dá)荷投入商運(yùn)。
NuScale的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是高度一體化，一回路采用自然循環(huán)、非能動(dòng)安全系統(tǒng)，在提高安全性的同時(shí)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，減少設(shè)備，提高經(jīng)濟(jì)性，面向北美、東歐、中東、南亞以及非洲潛在用戶需求。
原來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)模塊5萬(wàn)千瓦，一共12個(gè)模塊60萬(wàn)千瓦。近期又進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，每個(gè)模塊功率升至7.7萬(wàn)千瓦，以求更好的經(jīng)濟(jì)性。
開(kāi)發(fā)方做了一個(gè)經(jīng)濟(jì)上的預(yù)測(cè)，按照每個(gè)模塊7.7萬(wàn)千瓦、12個(gè)模塊建一個(gè)電廠的話，總功率可達(dá)92.4萬(wàn)千瓦，它的造價(jià)是25.19億美元，每千瓦2850美元。當(dāng)然，這不是首堆，而是第N個(gè)堆以后的造價(jià)（NOAK）。
俄羅斯海上浮動(dòng)核電站KIT-40S。俄羅斯“羅蒙諾索夫院士號(hào)”是商用海上浮動(dòng)核電站，搭載兩臺(tái)壓水堆KIT-40S反應(yīng)堆，用于為邊遠(yuǎn)地區(qū)提供電力和熱能。2019年12月19日并網(wǎng)發(fā)電，?？坑诙磉h(yuǎn)東區(qū)楚科奇海岸附近的佩維克港。
韓國(guó)的SMART。SMART是壓水反應(yīng)堆，用于發(fā)電和海水淡化。1997年開(kāi)始研發(fā)，2012年獲得韓國(guó)核安全與核安保委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)認(rèn)證（SDA），2015年與沙特簽署協(xié)議（評(píng)估在沙特建造至少2臺(tái)SMART反應(yīng)堆的可行性），2018年韓沙正式開(kāi)展聯(lián)合研究，包括工程設(shè)計(jì)和建造準(zhǔn)備。
可以看出，國(guó)際小堆發(fā)展的一個(gè)特點(diǎn)，就是全球使用核電的有30多個(gè)國(guó)家，但具有小堆開(kāi)發(fā)能力的只有10多個(gè)國(guó)家，其中，美俄占國(guó)際上正在開(kāi)發(fā)和建設(shè)小堆總數(shù)的一半。不難看出，這兩個(gè)核電強(qiáng)國(guó)從核能長(zhǎng)遠(yuǎn)利用戰(zhàn)略角度，在開(kāi)拓核能應(yīng)用新領(lǐng)域的重視程度和所做的努力。
具體來(lái)說(shuō)，第一，從技術(shù)基礎(chǔ)及成熟度來(lái)看，采用輕水堆（包括陸上和海上）技術(shù)，仍是目前小堆技術(shù)發(fā)展的主流，熱電聯(lián)供是其主要運(yùn)行模式。
第二，高溫堆以其獨(dú)有特點(diǎn)受到青睞（占14種），其中既有采用棱柱狀堆芯，也有采用球床堆芯，可見(jiàn)兩種技術(shù)各有特點(diǎn)。
第三，快堆由于在燃料增殖、減少高放廢物方面具有獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)，仍是國(guó)際社會(huì)小堆研發(fā)重點(diǎn)，共有10種（不含中國(guó)），特別是鉛（鉍）冷快堆。
第四，值得特別關(guān)注的是熔鹽堆，美、加、丹麥、日、英以及國(guó)際財(cái)團(tuán)等發(fā)展10來(lái)種熔鹽堆技術(shù)，大都處于概念設(shè)計(jì)階段，個(gè)別進(jìn)入基本設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)階段。熔鹽堆用途廣泛，可用于發(fā)電、工業(yè)熱源、制氫。鈾-釷混合燃料熔鹽堆為使用自然界中豐富的釷資源提供技術(shù)途徑。
第五，用于海上或海下的小堆技術(shù)有6種，以俄羅斯為最，占5種。中國(guó)基于自身的發(fā)展需求，在核動(dòng)力海上平臺(tái)技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域取得長(zhǎng)足的進(jìn)展。
第六，微型核動(dòng)力裝置在未來(lái)空間和水下電源供給中將發(fā)揮主要作用，主要以布雷頓循環(huán)和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等熱電轉(zhuǎn)換方式發(fā)電，目前效率較低，主要應(yīng)用于航空、航天、軍事領(lǐng)域等方面。
第七，強(qiáng)調(diào)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、系統(tǒng)簡(jiǎn)化、智能化，以提高小堆的經(jīng)濟(jì)性。
可以說(shuō)，核電強(qiáng)國(guó)在開(kāi)發(fā)小堆過(guò)程中具有明確的用戶需求、開(kāi)發(fā)目標(biāo)和戰(zhàn)略指引；強(qiáng)調(diào)技術(shù)創(chuàng)新，在提升安全性的同時(shí)強(qiáng)調(diào)提高經(jīng)濟(jì)性；重視頂層設(shè)計(jì)，有一個(gè)明確的規(guī)劃和路線圖；有關(guān)政府部門(mén)一開(kāi)始就注重同步開(kāi)展政策、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定，以滿足小堆開(kāi)發(fā)、監(jiān)督和管理要求。
國(guó)內(nèi)小堆發(fā)展現(xiàn)狀和市場(chǎng)前景
為擴(kuò)大核能應(yīng)用范圍，保障能源安全，適應(yīng)低碳能源發(fā)展需要，過(guò)去10多年在有關(guān)政府部門(mén)的鼓勵(lì)和支持下，中核、中廣核、國(guó)家電投、清華大學(xué)、中船重工、中科院等單位面向不同應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)需求，積極開(kāi)發(fā)各具特色的小型堆技術(shù)。這些小堆技術(shù)部分已具備開(kāi)展示范工程條件。
我國(guó)小堆在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域擁有廣泛的需求和發(fā)展前景，在實(shí)現(xiàn)能源低碳化中將發(fā)揮重要作用。
1.替代落后火電產(chǎn)能
“十三五”期間，全國(guó)停建和緩建煤電產(chǎn)能1.5億千瓦，淘汰落后產(chǎn)能0.2億千瓦以上。特別是淘汰關(guān)停不符合要求的30萬(wàn)千瓦以下煤電機(jī)組，并將燃煤自備機(jī)組納入淘汰范圍。
現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)采用小堆技術(shù)原址替代小型火電技術(shù)基本成熟，前景可期。由于原址替代小堆是一新事物，加上經(jīng)濟(jì)性、公眾對(duì)安全的擔(dān)心等原因，市場(chǎng)開(kāi)拓有待加強(qiáng)。小堆對(duì)邊遠(yuǎn)地區(qū)供電、大中型企業(yè)、工業(yè)園區(qū)熱電聯(lián)供具有優(yōu)勢(shì)。
適用堆型包括ACP100（玲龍一號(hào)）、HTR-PM-200等。
目前，由中核集團(tuán)開(kāi)發(fā)的海南昌江多用途模塊化小型堆科技示范工程ACP100正在積極推進(jìn)當(dāng)中，該堆型功率為125MWe，建設(shè)工期58個(gè)月，可作發(fā)電、熱電聯(lián)供等。
2.家庭和工業(yè)供熱
國(guó)家統(tǒng)計(jì)局《2020年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，2013~2019年中國(guó)供熱總量緩慢增長(zhǎng)。2019年，我國(guó)蒸汽供熱總量約為6.51億吉焦，較2018增長(zhǎng)12.71%；熱水供熱總量約為32.75億吉焦，同比2018年上漲1.18%。
供熱面積：北方供暖地區(qū)城鎮(zhèn)現(xiàn)有集中供熱面積約131億平方米，城市集中供熱面積約110億平方米，集中供熱率約85%。其中，居住建筑面積82億平方米，占比75%；公共建筑面積28億平方米，占比25%；隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢(shì)，北方地區(qū)需要供熱的面積不斷增長(zhǎng)。
熱源：我國(guó)城市集中供熱的熱源基本形成以熱電聯(lián)產(chǎn)為主，區(qū)域鍋爐房為輔，其它熱源補(bǔ)充的格局。80%的熱源炭以煤為主要燃料，燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t和燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)為主要供熱方式。在占主導(dǎo)地位的集中供熱中，熱電聯(lián)產(chǎn)和鍋爐占比高，燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)占45%，燃煤鍋爐占32%，燃?xì)忮仩t占11%，其余為其它來(lái)源。高污染、低效率的落后產(chǎn)能超過(guò)50%。
2017年12月，國(guó)家發(fā)改委等十部委聯(lián)合發(fā)布《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021）》，2018年出臺(tái)《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》，均提出要有效推進(jìn)北方地區(qū)清潔取暖，并取得很大成績(jī)，大大改善了空氣質(zhì)量，污染少了、藍(lán)天多了，但其熱源還是以優(yōu)質(zhì)化石燃料為主。
核能供熱技術(shù)成熟，在低碳供熱領(lǐng)域有廣大的應(yīng)用前景，但能否被采納，取決于許多因素，公眾對(duì)安全的擔(dān)心，價(jià)格接受能力，各級(jí)政府的態(tài)度等都是面臨的主要挑戰(zhàn)。
適用堆型包括和美一號(hào)、 NHR200-Ⅱ、 DHR-400等。
由國(guó)家電投開(kāi)發(fā)的和美一號(hào)在各級(jí)政府的支持下，正在積極有序地推進(jìn)中，項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)4×200MWt一體化供熱堆。一期為2×200MWt，最大供熱能力為800萬(wàn)平方米，或供氣500噸/小時(shí)。該項(xiàng)目計(jì)劃2021年開(kāi)工，工期36個(gè)月。
由中廣核集團(tuán)和清華大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的低溫供熱堆NHR200-Ⅱ在各級(jí)政府的支持下，項(xiàng)目前期工作在積極有序推進(jìn)中，項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)6臺(tái)NHR200-Ⅱ型低溫核供熱機(jī)組，一期2臺(tái)，為貴州大龍經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)提供工業(yè)蒸汽（500t/h），首臺(tái)計(jì)劃于2022年12月開(kāi)工，是我國(guó)核能綜合利用以及低溫供熱技術(shù)首次商業(yè)應(yīng)用。
由中核集團(tuán)開(kāi)發(fā)的400MWt燕龍（DHR-400）泳池式低溫供熱堆目前正在積極推進(jìn)，單堆可供熱面積約1000萬(wàn)平方米，計(jì)劃2022年實(shí)現(xiàn)FCD，2024年建成投產(chǎn)。
3.海水淡化、制氫
我國(guó)北方和部分沿海地區(qū)水資源嚴(yán)重不足，據(jù)統(tǒng)計(jì)，北方缺水總面積達(dá)58萬(wàn)平方公里；全國(guó)有300多座城市不同程度缺水，每年缺水量58億立方米，主要集中在華北、部分沿海和省會(huì)城市以及工業(yè)型城市；有6個(gè)省、區(qū)人均水資源低于500立方米。
海水淡化的市場(chǎng)很大，但由于反滲透海水淡化技術(shù)成熟，以及南水北調(diào)有效緩解，國(guó)內(nèi)核能海水淡化的行業(yè)發(fā)展受到一定制約。
制氫在國(guó)外（尤其中東國(guó)家）有發(fā)展前景，氫氣在未來(lái)的能源市場(chǎng)有廣泛應(yīng)用。高溫堆在此方面有優(yōu)勢(shì)，但預(yù)計(jì)在2030年以后。
適用堆型包括HTR-PM-200、ACP100、和美一號(hào)等。
4.海洋開(kāi)發(fā)能源供給
除臺(tái)灣省以外，中國(guó)海島數(shù)量大，總面積超過(guò)6600平方公里，人口740多萬(wàn)。國(guó)家已制定海南發(fā)展政策，提出要高水平開(kāi)發(fā)海洋海島資源，逐步形成以海島為依托的第二海洋經(jīng)濟(jì)帶。
海上浮動(dòng)式核動(dòng)力平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)能源供應(yīng)的重要選擇，能同時(shí)提供電力和高溫高壓蒸汽，也可用來(lái)進(jìn)行海水淡化；投資規(guī)模小，配置靈活，無(wú)須場(chǎng)外電源保障，安全，適合孤島運(yùn)行。
目前正在開(kāi)發(fā)的堆型包括ACPR50S、 ACP100S等。
我國(guó)小堆發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和建議
目前，國(guó)內(nèi)尚不具備一套相對(duì)完整的適用于模塊化小堆發(fā)展的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求。這些法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)涉及項(xiàng)目核準(zhǔn)、安全審評(píng)、核應(yīng)急以及小堆安保等領(lǐng)域，需逐步補(bǔ)充和完善。小堆的經(jīng)濟(jì)性，特別是與其它清潔能源的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，一定程度上影響投資者的參與熱情。應(yīng)在確保安全的前提下，發(fā)揮創(chuàng)新精神，努力實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，向標(biāo)準(zhǔn)化、批量化、模塊化、工廠制造、現(xiàn)場(chǎng)組裝方向發(fā)展，以有效提高經(jīng)濟(jì)性，增加競(jìng)爭(zhēng)力。
另外，目前我國(guó)小堆安全設(shè)計(jì)水平達(dá)到或高于三代大型核電水平，但由于靠近目標(biāo)用戶，公眾對(duì)安全的擔(dān)心（特別是作為區(qū)域供熱的小堆），雖然前景良好，但項(xiàng)目落地相對(duì)困難，進(jìn)展緩慢。需要加大對(duì)示范項(xiàng)目的支持力度，在取得成功的基礎(chǔ)上，加大宣傳，逐步推廣。
因此建議有關(guān)政府部門(mén)進(jìn)一步加強(qiáng)促進(jìn)和規(guī)范小堆發(fā)展的政策、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定，包括小堆的安全要求、適用標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)急、安保、監(jiān)管和小堆的用戶要求等；加強(qiáng)政府的協(xié)調(diào)和指導(dǎo)，加強(qiáng)企業(yè)和研究單位間的合作，避免同類(lèi)項(xiàng)目的重復(fù)開(kāi)發(fā)，提高開(kāi)發(fā)效率；加強(qiáng)用戶需求的調(diào)查研究，使開(kāi)發(fā)的小堆技術(shù)更具針對(duì)性和可應(yīng)用性；加大示范項(xiàng)目推進(jìn)力度，在取得成功的基礎(chǔ)上加強(qiáng)公眾溝通，逐步推廣。
（作者單位：中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)。本文根據(jù)其在中國(guó)核能可持續(xù)發(fā)展論壇——2021春季高峰會(huì)議上的發(fā)言整理而成，首發(fā)于《中國(guó)核工業(yè)》雜志2021年第7期，原標(biāo)題《模塊化小堆在我國(guó)能源發(fā)展中的戰(zhàn)略地位》）