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我國核能綜合利用，有哪些方向？進度如何？
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2024-05-24

我們將視角聚焦中國，我國核能綜合利用已在供暖、工業(yè)供熱以及同位素研發(fā)生產(chǎn)等領(lǐng)域陸續(xù)實現(xiàn)突破，我們將從各個領(lǐng)域進行梳理國內(nèi)核能綜合利用的進展。

1. 同位素：依托秦山核電，已具備鈷-60、碳-14 批量化生產(chǎn)能力

秦山核電作為我國堆型最豐富的核電基地，擁有我國唯一的商用重水堆，并具備生產(chǎn)同位素的優(yōu)勢和條件。對比壓水堆，重水堆更適合生產(chǎn)同位素。①生產(chǎn)同位素需要中子輻照，重水堆堆芯設(shè)計顯著區(qū)別于壓水堆，堆芯的熱中子通量更高，大概是壓水堆的五到六倍。②重水堆的慢化劑處于低溫常壓水平，采用在線換料方式，允許同位素生產(chǎn)時進行調(diào)試等工作，加之機組年穩(wěn)定運行時間較長，使得重水堆具備生產(chǎn)種類多、長短半衰期同位素均能生產(chǎn)且產(chǎn)量大等特點。

秦山核電同位素生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)進展迅速，已具備工業(yè)鈷-60、醫(yī)用鈷-60、碳-14 同位素生產(chǎn)能力。根據(jù)中國核技術(shù)網(wǎng)，截至 2023 年 9 月秦山核電三廠兩臺重水堆產(chǎn)出的工業(yè)鈷-60 同位可滿足國內(nèi) 70%左右的市場需求，醫(yī)用鈷-60 滿足國內(nèi)市場需求；尤其是在近年全球鈷-60 供應(yīng)緊張的情況下，中國已連續(xù)向國際市場出口鈷-60 百萬居里。此外，2024年 4 月伴隨碳-14 靶件完成出堆，中國也從此徹底破解了國內(nèi)碳-14 同位素依賴進口的難題，實現(xiàn)碳-14 供應(yīng)全面國產(chǎn)化。

展望未來，面對我國自主生產(chǎn)的鍶-89 僅能滿足國內(nèi) 20%的需求、镥-177 僅能滿足國內(nèi) 5%的需求的現(xiàn)狀，秦山核電制定了“三步走”戰(zhàn)略規(guī)劃：到 2023 年，釔-90 滿足小規(guī)模臨床試驗需求；到 2024 年，在已有工業(yè)鈷-60、醫(yī)用鈷-60、碳-14 等核素生產(chǎn)之外，建成碘-131、鍶-89、镥-177 等核素生產(chǎn)能力；到 2025 年，達成碘-131 滿足部分國內(nèi)市場需求、2026 年碳-14 滿足國際市場大部分需求的目標。

2. 區(qū)域供暖：經(jīng)濟性較好，核能供暖在全國已實現(xiàn) 559 萬平米覆蓋

核能供暖，就是以核裂變產(chǎn)生的能量為城市集中供熱。目前國內(nèi)已投運的核能供熱項目均采用抽汽供熱技術(shù)，就是從核電廠汽輪機抽取部分發(fā)過電的蒸汽作為熱源，將熱量送給熱力公司，再經(jīng)市政供熱網(wǎng)絡(luò)傳遞給終端用戶。核能供暖，用戶與核電機組之間采取多重屏障隔離，換熱過程中，只有熱能的傳遞，沒有介質(zhì)的直接接觸。

核能供暖最早是 20 世紀 60 年代開始，瑞典原型核動力反應(yīng)堆 Agestas 是世界上第一個民用核能供暖的核電項目，目前國際上投運的 400 多臺核電機組，有 40 多臺核電機組進行了核能供暖，并且采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式，成功驗證核能供暖的安全性、有效性和可靠性。

我國已開展大型核電廠供暖、供汽示范，根據(jù)《中國能源報》披露的信息，截至 2023 年年中（“海陽一期”的三期工程暫未投產(chǎn)），山東海陽核電、浙江秦山核電、遼寧紅沿河核電已實現(xiàn) 559 萬平米核能供暖。根據(jù)當前核電布局，利用北方地區(qū)已投運核電項目進行供暖，具備實現(xiàn) 1.6 億平方米核能供暖能力。隨著在建核電機組陸續(xù)建成投產(chǎn)，預(yù)計2030 年將具備 3.2 億平方米核能供暖能力。

從效益來看，以核能供暖的方式替代傳統(tǒng)燃煤供暖，可大幅減少環(huán)境污染且經(jīng)濟性較好。以海陽核能供暖項目為例，據(jù)中國核能行業(yè)協(xié)會測算，每個供暖季海陽可節(jié)約原煤 10 萬噸，減排二氧化碳 18 萬噸、煙塵 691 噸、氮氧化物 1123 噸、二氧化硫 1188 噸，相當于種植闊葉林 1000 公頃，并減少環(huán)境排放熱量 130 萬吉焦，同時海陽居民住宅取暖費每建筑平方米下調(diào)一元錢，實現(xiàn)了“居民用暖價格不增加、政府財政負擔不增長、熱力公司利益不受損、核電企業(yè)經(jīng)營做貢獻、生態(tài)環(huán)保效益大提升”。

3. 工業(yè)供汽：商業(yè)化逐步推進，國內(nèi)首個項目預(yù)計 24M6 投產(chǎn)供汽

核能供汽是從核島二回路的主蒸汽聯(lián)箱抽取適量蒸汽作為加熱汽源，通過蒸汽轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)三回路飽和蒸汽，再通過蒸汽再熱用主蒸汽將其加熱到過熱蒸汽外供，加熱蒸汽的疏水排入相應(yīng)給水加熱器或除氧器。二回路抽取的蒸汽經(jīng)過多級換熱，通過工業(yè)用汽管線將熱量傳遞至石油化工或工業(yè)園區(qū)用戶端。在供熱領(lǐng)域，大型壓水堆受主蒸汽參數(shù)限制應(yīng)用范圍有限，適用于對熱源品質(zhì)要求較低的工業(yè)。

以“華龍一號”為例，“華龍一號”利用二回路蒸汽經(jīng)蒸汽轉(zhuǎn)換生產(chǎn)工業(yè)蒸汽，實現(xiàn)雙重隔離，確保安全供氣。單臺“華龍一號”純供熱，最大供氣約 4000 噸/小時；如進行熱電聯(lián)產(chǎn)，考慮汽輪機最低連續(xù)穩(wěn)定運行要求，最大供氣能力約 2900 噸/小時，

參數(shù)為最高約 5.0 兆帕，260℃。在不與額外熱源耦合的情況下，適用于“華龍一號”的供熱行業(yè)主要是造紙及紙漿生產(chǎn)和原油蒸餾。其中因溫度參數(shù)限制，運用“華龍一號”蒸汽供熱進行原油蒸餾得到的產(chǎn)品主要是汽油、石油氣、輕石油以及部分煤油。

我國首個工業(yè)用途核能供熱項目即將投產(chǎn)供汽。田灣核電廠蒸汽供能項目，利用田灣核電 3、4 號機組蒸汽作為熱源，將安全、零碳、經(jīng)濟的蒸汽輸送至連云港石化產(chǎn)業(yè)基地進行工業(yè)生產(chǎn)利用。該項目為我國首個工業(yè)用途核能供熱項目，預(yù)計將于 2024 年 6 月正式投產(chǎn)供汽。根據(jù)連云港發(fā)改披露的信息，該項目全部建成投運后，每年供氣量達 480 萬噸，相當于燃煤供氣方式等效每年減少燃燒標準煤 40 萬噸、二氧化碳 107 萬噸、二氧化硫 184 噸、氮氧化物 263 噸，環(huán)保效益顯著。

根據(jù)中國核能行業(yè)協(xié)會等開展的聯(lián)合調(diào)研，從經(jīng)濟性來看，核能供熱（包括供暖、供汽）成本與燃煤供熱相當，較燃氣供熱具有優(yōu)勢。根據(jù)當前已投運的海陽核電、秦山核電供熱項目，并結(jié)合新建核電項目同步考慮核能供熱進行成本測算，核電機組熱電聯(lián)產(chǎn)出廠熱價約為 30-40 元/GJ（不含廠外投資），在動力煤價格 1000 元/噸以上的情況下，核能供熱具有成本優(yōu)勢。

4. 海水淡化：已建+在建產(chǎn)能 60 萬噸/天，主要用于提供廠區(qū)可用淡水

海水淡化技術(shù)是利用蒸發(fā)、膜分離等手段，將海水中的鹽分分離出來，獲得含鹽量低的淡水技術(shù)，其中反滲透法（RO）、多效蒸餾法（MED）、熱壓縮多效蒸餾法（MED—VC）和多級閃蒸法（MSF）是經(jīng)過多年實踐后認為適用于大規(guī)模海水淡化的成熟技術(shù)。在海水淡化的主流技術(shù)中，反滲透法具有顯著的節(jié)能性，在我國被廣泛推廣和使用。

我國已建和在建的海水淡化系統(tǒng)累計海水淡化能力約為 60 萬噸/天，主要用提供廠區(qū)淡水。國內(nèi)核電站大多建于沿海地區(qū)，為推動基于核能海水淡化建設(shè)提供了更多便利。其中，紅沿河核電站、寧德核電站、三門核電站、海陽核電站、徐大堡核電站、田灣核電站，以及未來的山東榮成示范核電站均采用海水淡化技術(shù)為廠區(qū)提供可用淡水。

核能海水淡化效果佳、經(jīng)濟性優(yōu)。反滲透法裝置一般分為取水系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)和廢液排出系統(tǒng)四個系統(tǒng)。

? 淡化效果佳：以三門核電廠為例，共有正常 2 用 1 備三列海水淡化裝置，產(chǎn)水量為2×177 立方米/小時，運用自清洗過濾器和超濾裝置作為預(yù)處理系統(tǒng)的一部分，降低了產(chǎn)水濁度，膠體硅去除率＞99%，采用低能耗高脫鹽率的反滲透膜組件，能量回收裝置回收率可達 45%。

? 經(jīng)濟性優(yōu)：大型核電廠反滲透海水淡化成本約 5-6 元/噸，與商用海水淡化項目成本相當。

5. 核能制氫：技術(shù)研發(fā)儲備，看好四代核電高溫氣冷堆制氫

核能制氫的研究，主要基于高溫堆的工藝熱。從核反應(yīng)堆的角度來看，熔鹽堆、超高溫氣冷堆等出口溫度都超過 700℃，所提供的工藝熱都可以滿足高溫制氫過程，其系統(tǒng)效率和反應(yīng)堆能提供的熱能溫度有很大的相關(guān)性。目前核能制氫主要有兩種途徑：熱化學循環(huán)制氫和高溫電解制氫。

我國核能制氫研發(fā)不斷推進，持續(xù)看好高溫氣冷堆制氫。

? 2018 年，中核集團聯(lián)合清華大學和中國寶武建成了產(chǎn)氫能力 100NL/h 規(guī)模的臺架并實現(xiàn) 86 小時連續(xù)運行。

? 2021 年 9 月，清華大學組織華能和中核集團成立了“高溫氣冷堆碳中和制氫產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟”計劃 2022-2023 年形成高溫堆制氫的示范工程。

? 2022 年 11 月，東華能源與中國核電共同出資設(shè)立茂名綠能，推進高溫氣冷堆項目，進行丙烷脫氫工藝和匹配 SOEC 或碘硫循環(huán)制氫路線，實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)制粉氫。

來源：天風證券 思瀚