從“單一型選手”轉向“全能型輔助”——
除了發電，核能還有這么多用途
本報記者 葉 子
近日，國家能源局發布1-6月份全國電力工業統計數據。上半年，全國發電裝機容量約24.4億千瓦，其中核電5553萬千瓦，約占2.3%，同比增長6.5%。作為清潔能源的核電，正在中國經濟社會發展中發揮越來越大的作用。
中國核電發展雖然起步晚，但從無到有、從小到大，形成了高水平的工業創新鏈和產業鏈，其技術水平和綜合實力已經躋身世界第一方陣。近年來，除了生產電力外，核能還應用于城市供暖、工業供汽、海水淡化、合成燃料等諸多場景。
中核集團旗下中國核電核能開發事業部副總經理于開治接受本報采訪時表示，核裂變過程釋放出大量熱能，可以較好匹配工業生產過程中對高溫工藝熱參數的需求。核能綜合利用，就是契合各類應用場景，或將熱能轉化為電能或直接提供高溫工藝熱，通過能量的梯級利用，實現科學用能，有助于提高能源利用效率。未來，核能將從“單一型選手”轉向“全能型輔助”，為綠色低碳發展貢獻更多“核”力量。
為工業供汽安全又節能
用核能燒開水發電，一直是許多網友對核電的有趣比喻，而這種類比也從本質上道出了核電站的發電原理。于開治解釋，核電站發電主要是依靠核裂變釋放能量，將水加熱轉化為蒸汽，從而驅動汽輪機發電。這其中，蒸汽不光可以用來發電，在工業生產中同樣大有用途。
5月27日，經過3個月樁基施工建設，第一罐混凝土在田灣核電蒸汽供能項目能源站正式澆筑，標志著全國首個工業用途核能供汽工程——中核集團田灣核電蒸汽供能項目全面拉開建設帷幕。該工程由江蘇核電有限公司、連云港市徐圩新區石化基地聯合開展，采用中核集團田灣核電3、4號機組蒸汽作為熱源，將蒸汽輸送至連云港石化產業基地進行工業生產利用，預計2023年底投產供汽。項目建成后年供汽量達480萬噸，可實現每年減少燃燒標準煤40萬噸。
“高溫高壓蒸汽是化工生產不可或缺的要素。目前我國化工行業的工業蒸汽主要來自燃煤電廠或自備燃煤鍋爐，采用核能供汽將有效降低能耗、減少碳排放。”中核集團江蘇核電維修總經理、工程負責人劉永生說。
不少人關注，核能供汽的安全性如何保證？劉永生介紹，加熱的工業蒸汽經由獨立隔離回路輸送，從設計源頭上確保了核能供汽清潔的安全。整個過程中，只有熱量交換，不存在介質的連通，保障核能供汽清潔安全可靠。而且，通過管道預制架空蒸汽保溫方案等措施，能控制每公里溫度損失小于2℃、壓降0.03兆帕(Mpa)以內，有效控制蒸汽長距離傳輸過程中溫度和壓力的損失，滿足連云港石化產業基地工業用汽需求。
不只是石化產業，工業用熱或蒸汽有著廣泛需求。例如，在造紙行業，紙張生產中一些化學藥品的加熱溶解需要使用蒸汽，加工成型等程序也離不開蒸汽。在紡織印染行業，不論是染色、烘干還是漿紗、印染等步驟，都離不開蒸汽的支持和配合。在橡膠行業，橡膠的壓延、硫化、干燥等工藝都要使用蒸汽。在制藥行業，制藥時需要用大量的工業蒸汽和純蒸汽對原材料、器械和設備進行高溫滅菌，干燥、壓片、制粒等工藝也需要蒸汽支持。在有色金屬行業，新能源鋰電池的制造，同樣需要使用蒸汽以保證反應溫度。
就在7月15日，浙江海鹽核能供熱示范工程(二階段)工業供熱項目順利開工，預計今年8月底建成，可提供24小時熱能供應保障，年工業供熱約28.8萬吉焦。此舉相當于節約標準煤約1萬噸，減排二氧化碳排放約2.4萬噸，將實現產業發展和節能降碳雙贏。今后，越來越多行業將用上核能供的蒸汽。
為居民供熱清潔又溫暖
與為工業提供蒸汽的原理相似，核能也為居民在冬日送去暖氣。浙江海鹽核能供熱示范工程的一階段便是民用供暖工程。事實上，在去年冬天，中國一南一北兩座小城——浙江海鹽、山東海陽都已經用上了核能供暖。
2021年11月9日，海陽提前進入供暖季，新老城區居民用上了核能供熱，供熱面積達450萬平方米。依靠“暖核一號”提供的清潔熱量，海陽市告別了延續多年的燃煤取暖歷史，成為全國首個零碳供暖城市。
作為全國首創，核能供熱項目并沒有現成的經驗可以參考，技術攻關的每一步都是在創造歷史。“清潔電”能否產出“清潔熱”？為積累經驗、打造樣板，山東核電凝聚了中國核能行業協會、清華大學、電力規劃設計總院等“大咖級”專家隊伍，對工程可研報告進行評審，經過緊張的質詢、討論，技術方案獲得專家一致認可。
2019年7月10日，海陽核能供熱一期項目正式開工，工程內容包括核能供熱換熱首站建設和15公里主管網鋪設，當年9月30日全部完工。2019—2020年的供暖季，海陽市臨港、度假區和核電產業園70萬平方米共7757戶用上了核能供熱，整個供暖季運行平穩順暢，狀況良好，用戶室溫適宜，受到廣大用戶和社會各界的好評。2020年，山東核電又開啟了推進大規模長距離供熱的研究工作。2021年11月9日，核能綜合利用帶來的暖流輸送到海陽市的千家萬戶。
“剛供暖，家里溫度就達到了23℃。”海陽金陽海岸花園小區居民成京增說。有了核能供熱，居民住宅的供暖費也由原有的22元/平方米降到21元/平方米。
緊接著，在2021年12月3日，全國南方首個核能供暖項目——浙江海鹽核能供熱示范工程一階段正式投運，供暖面積達46萬平方米。海鹽核電新村、核電南苑、楓葉新村3個小區的近4000戶居民率先“嘗鮮”，用上了零碳、清潔、高效的“核暖氣”。這也意味著中國南方開啟了核能供暖的歷史，從此過冬抗寒再也不靠“抖”。
截至2022年4月，示范項目完成首個供暖季任務，持續安全穩定為近4000戶居民供熱100天，在供熱質量提升的同時，供熱價格較過去降低了約1/3。據測算，到“十四五”末，項目全部建成投運后，能夠滿足海鹽約400萬平方米供暖需求，相對于南方地區的電取暖方式，每年可節約電能消耗1.96億度。
核能供暖不僅清潔，還很安全。“核能供暖是從核電機組抽取部分蒸汽，通過換熱站進行多次加熱，整個過程只有蒸汽加熱水、水加熱水兩個步驟。”秦山核電黨委書記、董事長黃潛說，核電站與用戶之間有多道回路隔離，每個回路間只有熱量的傳遞，沒有水的交換，更不會有放射性物質進入暖氣管道，熱水也只在小區內封閉循環，與核電站層層隔離，沒有任何接觸。
在秦山核電總經理鄒正宇看來，核能供熱項目利用秦山核電基地機組冬季剩余熱功率，在不影響機組原有發電量和安全性能的前提下，向海鹽縣公建設施、居民小區及工業園區提供大規模安全、零碳、經濟的核能供暖，真正實現了當地居民、地方政府、核電企業及生態環保的多方共贏。
創新遠不止于此。在泳池式研究堆50多年安全穩定運行基礎上，中核集團針對北方城市供暖自主開發了一種安全經濟、綠色環保的堆型產品——“燕龍”泳池堆。于開治介紹，“燕龍”泳池堆具有固有安全性高、清潔環保、管網適配性強等突出特點。一座400兆瓦的“燕龍”低溫供熱堆，供暖建筑面積達2000萬平方米，可覆蓋20萬個家庭。
目前，“燕龍”泳池式低溫供熱堆示范工程已列入吉林省“十四五”規劃。專家表示，在附近沒有核電站的一些地區，泳池式低溫供熱堆非常適合，它的安全系數較高，可以滿足一定范圍內的供熱需求，還可以解決散煤供熱帶來的大氣污染問題。
多領域應用注入核能力量
前不久，全球首批商用堆碳-14輻照生產靶件，在中核集團旗下中國核電控股的秦山核電三廠2號重水堆機組入堆，開始商用堆生產碳-14同位素，預計將在2024年開始向市場供貨，產量可滿足國內需求。這是核能綜合利用的又一重要突破。
什么是碳-14？它可以用來干什么？和我們的生活又有什么關系？原來，自然界中存在的碳，比如常見的石墨、鉆石、鉛筆芯等，都是碳-12。此外，它還有一些同位素“兄弟”，比如碳-11、碳-13以及碳-14，它們的原子核里都有6個質子，而中子數卻不同。碳-12很穩定，碳-14則具有放射性。
“利用碳-14的放射性進行標記和檢測，可以檢測幽門螺桿菌、開展藥物代謝動力學研究。”中核集團秦山核電高級工程師孟智良介紹，碳-14常常被用作標記物，廣泛應用于農業、化學、醫學、生物學等領域。比如在農藥中加入碳-14，后期通過檢測農作物上碳-14的含量，就可以判斷出農藥的殘留量。
中核集團秦山核電正高級工程師樊申介紹，此前，中國曾采用過用于實驗研究的小型反應堆來生產碳-14，但是產量小，生產不連續，無法形成穩定的供應。此次使用商用核電機組，可以長期保持高功率穩定運行，連續生產碳-14。
“就拿幽門螺桿菌的診斷與追蹤來說，目前我國每年的幽門螺桿菌檢測需求超過3000萬人次，市場不容小覷。”于開治表示，中核集團在醫用同位素生產方面取得的重大突破，將有效解決和緩解國內碳-14同位素供給問題，為建立穩定自主的醫用同位素供應保障體系、提升人民健康水平作出新的貢獻。
除了充分利用現有核電機組開展核能綜合利用外，中核集團還通過科技創新，積極研發先進核能系統，拓展更多核能綜合利用的新場景。例如，2021年7月13日，中核集團海南昌江多用途模塊式小型堆科技示范工程正式開工建設，成為全球首個開工的陸上商用模塊化小型堆。
于開治介紹，“玲龍一號”(ACP100)技術，是中核集團通過10余年自主研發并具有自主知識產權的多功能模塊化小型壓水堆堆型，特點是小型化、模塊化、一體化、非能動，可以作為清潔的分布式能源，在供電的同時可滿足海水淡化、區域供暖、工業供熱(冷)等多個領域應用需求。
在中國核學會理事長王壽君看來，核能既具有可再生能源的零碳排放特性，又延續了化石能源不間斷穩定服役的特點，貼合大宗制造工藝的能源需求，應充分發揮大型壓水堆、高溫氣冷堆、模塊化小堆、低溫供熱堆等各自優勢，緊密結合用戶側綜合能源消費需求，建立集供電、居民供暖、工業供汽、制氫、海水淡化、同位素生產等為一體的多能互補、多能聯供的區域綜合能源系統，為未來中國綠色低碳發展注入核能力量。