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编者按:

2021年10月19日,以“绿色发展,低碳未来”为主题的2021碳达峰碳中和烟台论坛开幕。在“双碳”目标背景下,核能的特殊应用价值也显得愈发凸显。通过借鉴美俄等国家在核能多用途利用的经验,将会进一步推动对我国核能产业的可持续、高质量发展。

◎ 张海军 陈亮 袁帅

碳减排、碳中和已成为世界主要经济体的新共识,能源结构的清洁化、低碳化转型形势紧迫。作为安全、高效、清洁、低碳的全天候基荷电源,核电将在构建新型电力系统中发挥重要作用。在工业供汽、清洁采暖、制氢、海水淡化、空间科研探索、海洋开发等领域,核能的特殊应用价值将愈发凸显。美俄等国将核能在太空、海洋等领域的多用途利用,对我国核能产业的可持续、高质量发展具有借鉴意义。

美国核能的多用途利用实践

▲ 小堆概念图

美国核能在太空领域的应用。早在1954年,美军基于有效投射洲际弹道导弹的军事需求,空军委托原子能委员会(AEC)启动核热火箭研制计划,后因宇宙神火箭可满足发射洲际弹道导弹的需求,核热火箭另被作为太空探索的重要选择。1959年,NASA与AEC启动了“核动力火箭发动机应用”(NERVA)的联合项目,并于1968年底证实NERVA可满足载人火星任务需求,后因美苏之间停止了月球探测和飞往火星的太空竞赛,整个项目于1972年彻底关闭,但在10余年的时间里,美国测试了各种类型的核反应堆,进行了20余次核热发动机测试,为其后续核动力火箭研制积累了宝贵的数据和技术储备,且美国多个国家实验室在该领域前瞻性、颠覆性、原始性的研制工作从未停止。2020年5月,美众议院批准1.25亿美元用于探索核动力火箭研制,国会另外提供额外1亿美元的资金支持。这是继上世纪美俄冷战期间太空角逐后,核热火箭再次浮出水面。在空间核电源方面,2017年11月至2018年3月,美千瓦级核反应堆Kilopower成功带荷测试28小时,技术成熟度达6级,原型样机及关键技术已得到验证,具备工程化条件,为其在月球和火星表面建设基地提供强力支撑。此外,空间核电源为等离子体发动机供电,可以形成空间核电推近装置。

美国小型核能反应堆应用情况。拜登政府认为先进核能是“关键的清洁能源技术”的一部分,尤其关注小堆发展。国际原子能机构(IAEA)将电功率小于30万千瓦的反应堆定义为小型反应堆。据美国能源咨询管理委员会预测,美国至少需要来自小型核反应堆的1100太瓦时的电力,小型核能反应堆将在确保美国能源安全方面发挥愈加重要的作用。2020年4月,美国能源部发布了《重塑美国核能竞争优势》研究报告,强调要重塑美国在世界核工业的主导权和领先优势。美国将加大在先进小型反应堆领域的研发投入力度,推动开发小型模块化反应堆和微型反应堆,进而提供弹性可靠、清洁低碳的离网电力。美国B&W mPower公司、NuScale公司以及西屋公司推出的小堆设计方案,以成熟的海军舰艇技术和轻水堆核电技术为基础,设计建造技术成熟。其中B&W mPower和NuScale研发的两种小堆已获得美国政府为期5年、总计4.52亿美元的资金支持。

美国浮动堆发展现状。上世纪60年代,美国利用其成熟的压水反应堆技术,将MH-IA型压水反应堆(反应堆热功率约为10兆瓦)安装在一艘二战用船只上,改造成海洋核动力装备,这是世界上第一座浮动核电站。1967年,改造工作完成,该浮动核电站被部署在巴拿马运河地区,为军事基地和附近居民供电。1976年,由于美国军事核能计划停止,该船退役。2014年5月,美国麻省理工学院(MIT)研究提出一种新的浮动核电站的概念,将浮动核电站部署在离岸8000米到11000米的地方,且被固定连接到海底。该方案主要为沿海城市供电,部署海域深度不宜过深,同时采用固定平台可有利于减小风浪的影响。300兆瓦或更大功率的反应堆安装在一个圆柱形浮动平台的中心,用一根电缆从水下连接核电站和海岸,用于传输电能。目前仍在开发研制中,预计第一批小型海上核电站OFNP可以在15年内部署。

  俄罗斯核能的多用途利用实践

▲ “罗蒙诺索夫院士”号

俄罗斯核能在太空领域的应用。上世纪50年代,苏联开始探索如何将核能应用于舰船、潜艇和飞机等领域。1965年,苏联成功研制了核热火箭发动机的燃料元件和燃料组件,建造出了核火箭发动机试验样机。苏联解体后,俄罗斯强调空间核动力主要满足国防军事需求,将继续保持在空间核动力领域的国际领先地位。2018年11月,俄凯尔迪什研究中心宣布,未来将使用核动力载人飞船进行星际探索,将太空探索延伸至火星之外的天体目标,且俄宇航局宣称,在火箭等离子体推进提供动力的气冷式裂变核反应堆方面取得重要进展。近期,俄发展兆瓦级核火箭,特别是成功进行真空散热技术测试。

俄罗斯核动力破冰船的基本情况。俄罗斯拥有世界上数量最多、规模最大的破冰船队,也是世界上唯一拥有核动力破冰船的国家,其在役44艘破冰船,其中核动力破冰船4艘。2019年4月,普京在第五届国际北极论坛上表示,“目前在北极集中了俄罗斯10%的投资,将继续更新破冰船队,增加核动力破冰船数量。”2020年5月,世界最大核动力破冰船“乌拉尔”号在圣彼得堡下水。俄后续又推出“伊万˙帕帕宁”军用破冰船紧盯北极,该船集“拖船、巡逻船、破冰船及科考”功能于一身,装备了防空导弹系统,预计2022年开始服役。此外,俄罗斯计划在2035年将核动力破冰船增至9艘。

俄罗斯浮动核电站的基本情况。世界首座浮动式核电站“罗蒙诺索夫院士号”于2007年4月开始建造,2010年6月船体下水,2019年6月获得核设施运行许可证,2019年12月在楚科奇自治区的佩韦克港正式投入运营,向岸上用户提供电力(70兆瓦)和淡水,取代佩韦克市查恩斯卡亚热电联供厂及比利比诺市的比利比诺核电厂。

“罗蒙诺索夫院士号”是俄罗斯基于KLT-40S型反应堆系统的浮动式核电示范电站,其运行寿期为40年,装置建造期为4年,将每3年进行一次换料,工作周期为12年。该核电站可提供高达70兆瓦的功率及300兆瓦的热能。同时,该浮动核电站也可每天生产240000立方米淡水。

经验与启示

世界核能大国尤其是美国、俄罗斯,均重视核能在陆海空天领域的综合应用。如在太空探索领域,核反应堆因功率密度高,持续时间长,在太空任务中一直扮演者重要角色,其应用主要分为空间核电源和核推进两种。核推进主要包括核热推进和核电推进两种方式。核热推进用反应堆代替化学火箭的燃烧室,喷气工质温度高、速度快,效率是传统火箭的两倍,能够明显缩短到达火星的时间。自上世纪中叶至今,美俄两国均投入了大量人、财、物持续进行空间核电源、核动力火箭的研制,进行了系统方案、关键技术和样机研究,建立了完整的研制体系与试验验证设施,完成了大量核热推进试验,形成了雄厚的技术基础和人才队伍,积累了多领域经验。

美俄两国均重视核能在偏远、极地探索领域的多用途利用。核动力破冰船是进行航道开辟、远洋运输、救援科考、资源开采、基础设施建设、极地旅游等民事活动的重要保障。常规动力破冰船燃料消耗多、自身负重大、续航动力不足,不能满足全年在中等厚度的多年冰龄环境下航行,核动力破冰船可实现在极端环境下的无间断、全天候、超长时间续航。美国拥有2艘常规动力破冰船,其核动力破冰船建造呼声日涨。

在我国,国家发展和改革委发布的《产业结构调整指导目录(2019年本)》中,明确将核能在供暖、供汽、海水淡化等领域的多用途利用列入产业结构调整目录,这将是“十四五”及中长期核能综合应用的重要拓展方向。

核能多用途利用也将在实施国家战略中发挥重要作用。清洁高效的核能为推动我国绿色发展、美丽中国建设提供强劲动力,海上浮动核电站、核动力破冰船等核能的多用途开发利用,是建设海洋强国的重要保障,核能在深海、深空领域的应用将成为大国核心竞争力和国际影响力的重要标志。

建议加快我国核能在清洁供暖、工业供汽、余电制氢、海水淡化、同位素生产、岛礁开发、极地旅游、太空探索等领域的多用途利用,推进我国核能高质量发展。(作者单位:中核战略规划研究总院)

 
 
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