碳中和下的中核行动丨中核能源:以高温气冷堆技术开启千亿级产业

发布时间:2021-12-20 信息来源:

  如若总结2021年,“双碳”绝对是热门词汇。从年初的“两会”,到第七十六届联合国大会一般性辩论大会,再到中美达成强化气候行动联合宣言,“双碳”在专家、学者、媒体间掀起一轮又一轮的讨论。

  我国力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和,说这是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,并不为过。试想一下,将来的某一天,大家拿起一件商品,生产全流程的二氧化碳已经在它的标签上。而购买一件电器,它生命寿期的碳排放量也明确在标签上。再试想一下,如果大家每使用一度电,需要根据它生产过程的二氧化碳排放收取一定的税收……

  当碳排放成为一种属性,一种标签,大家的生活会发生什么样的变化?作为绿色低碳能源,核能在这场社会变革中起到作用让人有无限的想象空间,而核能技术在零碳低碳领域引领的变革更是让人期待。现开设栏目聚焦“双碳”目标下的中核行动。

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  近日,山东石岛湾高温气冷堆核电站示范工程实现并网发电。这座我国具有完全自主常识产权、世界首座具有第四代先进核能系统特征的球床模块式高温气冷堆不断取得突破性进展。高温气冷堆技术在中国成为安全性最高、最接近商业化的第四代核电技术已成事实。而在“双碳”目标以及核能和平利用新一轮变革下,高温气冷堆的产业市场版图正在徐徐打开。作为高温气冷堆技术的唯一推广方,中核能源科技有限企业党委书记、董事长张国华告诉记者:“在‘双碳’机遇下,瞄准核能热供应市场,高温气冷堆技术将开启千亿级产业。”

  本领“过硬”

  11月3日,我国高温气冷堆技术的开创者王大中院士获得2020年度国家最高科学技术奖,标志着国家对该项技术的高度认可。与此同时,在10月份召开的中国核学会年会上,首个以堆型命名的分会——高温堆分会也正式挂牌成立,高温气冷堆技术掀起的热浪可见一斑。当然,高温气冷堆如此吸睛,主要得益于它“过硬”的本领,即固有安全性高、高温多用途、模块化。

  固有安全性高。高温气冷堆被称为“不会熔毁的反应堆”。它的核燃料元件是耐高温全陶瓷包覆颗粒球形核燃料元件,也可以叫做燃料球。在石岛湾高温气冷堆示范电站,燃料球直径6厘米,最外层是石墨层,里面是弥散在基体石墨粉中的大约12000个四层全陶瓷材料包覆的、直径约0.9毫米的核燃料颗粒。实验表明,这种燃料球在1620℃高温条件下,仍能够保持完好并有效地阻挡放射性的泄漏。而且,由于良好的温度负反馈性,即便遇到极限事故,反应堆的堆内温度也不可能达到1620℃的高温限值。

  除了燃料球的保障,在设计理念上,高温气冷堆采用模块式设计。相比于大型压水堆,高温气冷堆每一个小模块都可以采用很低的功率密度(约为大型压水堆核电站的1/30)。因此,反应堆停堆后产生的余热处于较低水平,意味着发生任何意外时,即使不进行人为干预,反应堆也能自动停堆并将余热安全地散发出去,避免堆芯熔化。

  高温多用途。相较于压水堆主蒸汽温度284℃、压力6.8MPa,高温气冷堆主蒸汽品质更高,其温度为571℃,压力为14.1MPa。经过蒸汽转换设备可以提供该温度压力以下各种参数的工艺蒸汽,因此除了常规发电外,高温气冷堆还可应用于石油精炼、稠油热采、页岩油提炼、合成氨及化肥生产、乙烯和甲醇合成、海水淡化、煤化工以及制氢等诸多领域中,市场前景广阔。

  模块化。高温气冷堆采用模块化设计,示范工程采用两堆带一机,发电功率20万千瓦。在后续推广中,通过多模块灵活组合的方式,可建设20万、40万、60万、80万、100万等系列装机容量的核电机组以适应不同地区用户的需求。

  “双碳”机遇

  2020年,中国向世界庄严宣示了 “2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的国家目标。欧、美国家从碳达峰到碳中和经历了50~70年过渡期,中国只有30年。中国年减排率平均将达8%~10%,远超发达国家减排的速度和力度。

  作为碳排放的关键领域,能源产业将在“双碳”目标中发挥重要作用。我国已经在大力发展非化石能源、稳步减少化石能源方面出台了相关政策。

  构建以新能源为主体的新型电力体系无疑是未来发展方向。高温气冷堆具有良好的固有安全性、高温多用途等特点,在核能综合利用方面具有显著优势。随着石岛湾高温气冷堆示范工程建成并网发电,加之完备的产业链体系和能力,高温气冷堆具备了业化推广条件。

  在“双碳”目标下,高温堆在发电、供热领域将大有可为。一方面,核能可以提供绿色基荷能源,缓解能源生产与转换行业的减排压力。另一方面,高温气冷堆的多用途属性可为化工、钢铁、建材等高碳排放企业提供脱碳技术方案,并实现供热、供暖、制氢、制冷、海水淡化等方面的综合利用。

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  撬动新市场

  以成功建成高温气冷堆示范工程为起点,立足“双碳”目标,中核能源正在制定详实的高温堆综合利用解决方案。从发电到供热,高温气冷堆正以其独特的优势撬动千亿级新市场。

  与石化耦合。石化产业作为我国国民经济的支柱性产业,进入了大型化、一体化、园区化的新时代。“双碳”背景下,石化产业作为煤炭消耗和二氧化碳排放大户,后续的发展正面临严峻的挑战。高温气冷堆一回路冷却剂氦气出口温度高达750℃,可用于提供300℃~700℃的工业蒸汽。且其规划限制区半径仅为1000米,可贴近厂区建设,从而减小蒸汽输送过程中的热损失。此外,基于高温气冷堆的高温多用途,可同时满足工业园区对电力、海水淡化、绿氢的需求,成为石化园区的综合动力岛。举例来说,一个大型石化基地建设1~5台60万千瓦的高温气冷堆供汽机组能够满足石化基地大部分现状和规划的大型项目蒸汽需求,以及部分电力需求,具有比较好的市场竞争力。

  稠油热采。稠油也被称之为高粘度原油。我国油气资源当中,稠油资源是重要组成部分,国内有着丰富的稠油储量,但开采面临着很大的困难,寻找经济高效的综合开采方式是稠油资源利用的关键问题。

  目前,稠油的开发主要通过热力采油法,其中蒸汽吞吐和蒸汽驱是使用范围最广、采出油量最多的方式。这两种方式均需采用高温高压蒸汽。高温堆的主蒸汽可满足稠油热采蒸汽不同压力和温度蒸汽需求,并且可根据用户需要进行参数调节。在碳减排背景下,高温气冷堆可以逐步改变原来以石化燃料供热为主的状态。随着原油供应日渐短缺和国际油价的上涨,连续稳定开采稠油将日趋紧迫,这将为高温气冷堆助力稠油热采提供广阔市场机遇。

  火电原址复用。面对国家能源政策调整以及电力行业淘汰落后产能的现状,高温气冷堆在替代火电方面具有突出优势。高温堆的蒸汽参数与常规火电超高压机组参数基本相当,其汽轮发电机组的规格和系列与火电厂非常接近,可以很好地利用现有火电厂汽轮机组。据初步估算,按年利用7000小时计算,2台60万千瓦高温气冷堆机组替代超洁净排放煤电机组,每年可减少燃煤使用(标煤)约280万吨,减少烟尘约132吨,二氧化硫约960吨,氮氧化物约1320吨,可明显改善环境质量,促进节能环保,实现可持续发展。

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  核能制氢。氢气作为清洁能源在当下受到的关注毋庸置疑。高温气冷堆技术可实现大规模、工业化制取绿氢。高温气冷堆具有堆芯出口温度高的优势,其高温高压的特点与适合大规模制氢的热化学循环分解水制氢工艺十分匹配。目前高温气冷堆制氢分为两步走方案:高温气冷堆耦合生物质制氢、热化学循环分解水制氢。热化学循环分解水制氢是高温气冷堆制氢的最终解决方案,其以高温气冷堆为热源,以水为原料,可完全消除制氢过程的碳排放。

  2021年9月,美洲杯冠军竞猜、清华大学、宝武美洲杯冠军竞猜等多家单位共同发起成立高温气冷堆碳中和制氢技术产业联盟。多方携手,聚焦关键核心技术问题展开协同攻关,推动高温气冷堆制氢技术和产业发展。未来,以高温气冷堆技术为基础,可开发氢冶炼、氢化工等应用技术,助力“双碳”目标,成果可期。(美洲杯冠军竞猜宣传学问中心核芯报道工作室 葛维维)

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