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核能综合利用研究现状与展望

发表时间：2020/12/23 来源：《基层建设》2020年第24期作者：宫志阳李迎迎林广森

[导读] 摘要：现阶段，核能是能源供应和国家安全的主要支柱之一。

        齐齐哈尔市富拉尔基区华电能源股份有限公司富拉尔基发电厂黑龙江齐齐哈尔 161041
        摘要：现阶段，核能是能源供应和国家安全的主要支柱之一。核能生产在技术成熟、经济和可持续性方面具有巨大的优势。与水电、光伏发电和风能相比，核能具有无间断和减少自然限制等优点。它是一种清洁能源，可以大规模替代化石能源。目前，核能主要用于发电，只有少数反应堆用于核加热和海水淡化。随着技术的发展，特别是第四代核能系统技术的成熟和应用，核能应超越单纯的电力供应。在综合利用核能方面，在高效发电、制氢、海水淡化、核加热和高温过程中利用热能等领域综合利用核能的现状和未来趋势。
        关键词：核能资源；应用研究；现状与展望；分析；
        前言
        众所周知，核能是一种清洁和安全的初级能源，具有效率、环境保护和无二氧化碳排放的好处。近年来，全球能源需求减缓，世界主要核电站的建设减弱，能源转型进入了一个新阶段。还有其他办法可以使核能的利用多样化。早在2000年，美国能源部就提议用小型核反应堆取代小型核电站，或在城市附近合并电力、供热、淡水和蒸汽；近年来，随着氢工业的发展，有人建议利用核能大规模生产氢。中国的第十三个五年能源计划将小型模块化支柱纳入了大型示范项目，能源革命创新计划要求建立标准化的小型支柱品牌。核能的使用已开始从单一核能生产转向综合利用多种能源。
        一、核能利用国内外现状及优势
        1.国内外现状
        我们都知道核能是一种正适用的清洁安全能源。核能占世界总发电量的10.4%。截至去年，已经有449个商业核反应堆在30个国家运行，总装机容量为396千兆瓦此外，56个国家约有240个研究反应堆在运作，180个动力反应堆为大约140艘船只和潜艇提供动力。核能生产在技术成熟、经济和可持续性方面具有巨大的优势。与水电、光伏发电和风能相比，核能具有无间断和减少自然限制等优点。它是一种清洁能源，可以大规模替代化石能源。以安全为基础有效发展核能是中国当前能源建设的重要政策，也是保障能源供应和安全、保护环境、实现可持续发展的重要政策。
        2.优势
        基于能源效率视角而言，核能的直接利用热能是可取的，发电只是利用核能的一种形式。随着技术的发展，特别是第四代核能系统技术的逐渐成熟和应用，核能应超越单纯的电力供应，通过各种形式在确保全球能源的可持续发展和水安全方面发挥重要作用与化石能源相比，核能有许多优势。除了减少碳排放之外，第四代核反应堆还可以提供更高的输出温度，从而减少氢发电的能耗。目前，大约20%的能源消耗用于工艺的热应用，高温工艺在金属加工、重油回收和煤液化等应用市场的热发展将对核能的发展产生重大影响。用核加热取代化石燃料加热在能源安全、减少碳排放和价格稳定方面具有重要优势。目前，全球对饮用水的需求正在增加，利用核能淡化海水已证明是满足这一需求的可行办法，为淡水短缺地区带来了希望。核能淡化也可用于核电站的有效水管理，用以进行核电站运行和维护阶段的全部供水。
        二、核能利用研究现状与技术展望
        1.高效发电
        根据在700℃以上反应堆运行的第四代先进核能系统，目前的热电转换系统主要包括蒸汽涡轮系统和封闭式循环燃气涡轮系统。视工作流体而定，闭环燃气轮机也可分为氦、氮、超临界二氧化碳和混合工作流体涡轮。此外，温度越高，热转换系统就越有效。与传统的蒸汽循环相比，高温热循环发电系统能够充分利用核系统700℃以上的高质量热量来产生高效率的电力。
        2.核能制氢
        （1）热化学循环制氢
        产氢的热化学循环是高温热化学循环过程，通过蒸汽热解生产氢。在这一过程中，反应堆提供的高温主要被使用。在数百条热化学循环路线中，主要有可能对应第四代反应堆的技术路线。同时，热化学循环是一个典型的化学过程，其扩增仍有风险，高温高腐蚀性也对材料和设备提出了更高的要求，生产工厂占地面积也更大。因此，氢回收技术面临的主要挑战是优化技术路线，提高整个过程的效率，以及防止反应堆腐蚀。

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        （2）高温电解制氢（HTSE）
        HTSE利用固体氧化物电解槽作为中央反应堆，实现水汽的有效分解，产生氢气。近年来，高温电解制氢技术因其效率、清洁性和技术简便性而引起国内外研究人员和企业的关注，已成为核能、能源等清洁能源的重要制氢技术高温电解制氢可与核能或可再生能源相结合，用于清洁燃料的制备和二氧化碳的转换，在新能源领域有很好的应用前景。此外，由于可再生能源高度波动、地域限制和传播问题。高温电解制氢是可再生能源转换和储存能源的重要手段，也是未来新能源网络的一个重要组成部分。
        3.循环冷却水余热利用
        研究证明，核电站冷却水系统含有大量热量。对于核电汽轮机来说，只有30%至40 %被转换为电能，随着循环冷却水在环境中流失热量。核电站的冷却水和热能的合理利用不仅节能效果好，而且还可以减少热处理环节。谷硫磷的使用可直接用于满足工业和农业生产的需要，例如在核电站附近建立水产养殖场，以及利用热液排流养殖水产品和海产品，但使用量和效率都较低；二是利用热泵和热管将低含量热量转化为高含量热量，以满足核电站和人口密集城市地区工业生产或供暖和家用热水的热量需求。然而，为了最大限度地利用这种热能，我们还面临着技术和经济问题，例如利用城市热电厂和城市间运输。
        4.核能热电联产
        此外，核电厂可以使用蒸汽涡轮泵或蒸汽萃取来形成核电站，从而联合发电和发电。核电站各核岛屿产生的蒸汽部分用于发电，部分用于供热。室外加热蒸汽不仅可用于工业生产，还可用于建筑物的供暖和制冷以及居民生活热水的生产。热电联产可减少散热和冷却损失，使整体能效提高85%，而单次发电则提高40%左右。这不仅扩大了核电站的能源供应，而且实现了良好的能源节约和节能。通过热电联产，核电站也在一定程度上有资格参与峰值电力。当电力过剩时，电力供应减少，供热用蒸汽较多；当电力不足时，减少加热蒸汽，增加电力。协调热负荷平衡、简化机组运行方和确保核机组安全有效运行的问题还需更深层次的研究。
        5.技术展望
        现阶段，核电站选址与城市地区之间的距离往往不尽如人意。将核电站的资源输送到城市地区，将导致建设电网的费用增加，运输和分配损失增加，从而降低核电站的经济竞争力。避免这种情况的方法之一是在核电站周围建立一个完整的功能区，同时考虑到工农业、生态、居民区等方面的安排和支持。在核电站附近的安全区。这有助于实现短期能源转让，全面解决能源供需平衡问题，最大限度地提高核能利用效率。从地方当局的角度来看，这也是促进区域经济发展的一种手段。由于核电厂能够提供充足和经济的能源、热能和土地资源，核电厂周围土地的吸引力和价值将大大提高，从而使核电厂和市政府能够相互受益。
        结束语
        鉴于今后对低碳能源的需求，核能和可再生能源是实现零碳目标的重要手段。然而，可再生能源的不稳定性或间断性导致与现有电网基础设施的兼容性较差。在大规模使用时，需要提供稳定的基本负载能量来控制功率输出。因此，建立核能与可再生能源相结合的混合能源系统，是实现清洁和高效利用低碳能源的重要途径。
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