布局海上浮動核電站，海水淡化、供電一舉兩得

文 | 石磊 李金英

作者供職于中核集團

海上浮動核電站擁有巨大發(fā)展?jié)摿Γ揽啃⌒头磻?yīng)堆為偏遠海島供給能源將是海洋強國未來的發(fā)展新趨勢。

俄羅斯國家原子能公司在5 月下旬發(fā)表聲明說，由俄羅斯建造的世界首座浮動核電站“羅蒙諾索夫院士”號浮動核電站當天在俄遠東地區(qū)楚科奇自治區(qū)佩韋克市投入商業(yè)運營。

“羅蒙諾索夫院士”核電站是俄羅斯第11 座核電站，也是全球首個民用海上核能平臺。由一艘長144 米、寬30 米的駁船，以及駁船上搭載的兩座35 兆瓦核反應(yīng)堆組成，可提供高達70 兆瓦的電力或300 兆瓦的熱量，供20 萬人使用。

除了核電設(shè)施，這個巨型浮式核電站上的海水淡化設(shè)備還可每天提供24 萬立方米的淡水。建造廠圣彼得堡波羅的海造船廠表示，該船的安全標準不亞于陸地上的核電站，有多重措施防止核泄漏，能在海嘯等自然災(zāi)害情況下，保證反應(yīng)堆的安全，壽命可達35 至40 年。

海上浮動核電站擁有巨大發(fā)展?jié)摿Γ揽啃⌒头磻?yīng)堆為偏遠海島供給能源將是海洋強國未來的發(fā)展新趨勢。

海島的淡水與電力困境

隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展和陸地資源的日漸枯竭，越來越多國家意識到海洋是國家生存發(fā)展新的空間，海洋開發(fā)也成為了許多發(fā)達國家的重要戰(zhàn)略。我國是世界上海島較多的國家之一，據(jù)統(tǒng)計，我國有海島上萬個，其中面積在500 m2以上的島嶼就有7000 多個，其中有人居住的海島近500 個。

然而對于大部分海島，目前最大的問題是長期存在缺水、缺電的情況，這嚴重制約著深遠海、邊遠海島的居民生活、資源開發(fā)、旅游發(fā)展、軍事活動等。

淡水是人類生活的必需品，更是一切人類活動的基礎(chǔ)保證。在我國分布眾多的海島中，存在資源性缺水問題的海島約占全國海島總數(shù)的91%左右。我國的海島大多遠離大陸、分散偏僻，無法引水。而采用船艦補給容易受到外界條件的制約，如海洋上惡劣的天氣，或者受到干擾。

另外，我國海島大多面積較小（面積為500 m2～5 km2的海島約占我國海島總數(shù)的98%），開發(fā)本地水資源的能力有限。隨著國家海防建設(shè)的需要，如何確保海島供水安全已迫在眉睫。海水淡化作為水資源增量技術(shù)，具有占地少、水質(zhì)好、供給穩(wěn)定、規(guī)模靈活和水安全保障度高等優(yōu)勢，在國內(nèi)外一些海島地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用，并逐漸發(fā)展成為保障海島水資源安全的重要途徑。為了從根本上解決遠海島嶼淡水資源短缺的困境，啟動海水淡化工程是非常必要的。

在高度電氣化、自動化的當今時代，電力困境會導(dǎo)致大量裝備處處受限，光是日常生活就有諸多不便。

目前海島供電主要有兩種模式，一種是聯(lián)網(wǎng)，一種是離網(wǎng)。對于距離大陸較近的中大型群島，因為需求量大，多采用聯(lián)網(wǎng)供電的方式，主要使用海底電纜，如果距離不遠的話也會使用架空大跨越運輸電力。這類供電模式供電量大且可靠性高，但是建設(shè)費用高，維護技術(shù)難。而對于我國諸多邊遠海島，則采用離網(wǎng)供電方式，目前主要采用柴油發(fā)電機、風(fēng)能、太陽能等方式發(fā)電。柴油發(fā)電成本較高，補給十分困難，尤其是在惡劣海況下補給尤為艱難。雖然海島上風(fēng)能、太陽能等可再生能源資源豐富，但其具有間歇性和波動性的特點，給系統(tǒng)運行調(diào)度帶來很大困難。

電力、淡水供應(yīng)平臺—海上浮動核電站

電力、淡水短缺是抑制邊遠海島開發(fā)的主要原因之一，長期以來一直是世界性難題。上海核工程研究設(shè)計院院長鄭明光提到，“小型反應(yīng)堆將是未來核電發(fā)展的方向。其中，海上浮動堆、核動力平臺對于海岸線漫長的中國，市場前景廣闊，將為海洋經(jīng)濟發(fā)展提供重要支撐。”

海上浮動核電站指利用浮動平臺建造可移動的核電站，能夠自由的將電力運輸?shù)饺藷熛∩俚倪h海地區(qū)，形象的來說，海上浮動核電站就是一個可以移動的“海上充電寶”。

最先提出海上浮動核電站概念的國家是美國。1972 年，美國西屋電氣公司提出了放置在大型駁船上的核電廠方案，為美國東部沿岸城鎮(zhèn)輸送電力，由于投資不夠而終止。

2007 年，俄羅斯開始建造浮式核電站“羅蒙諾索夫”號，成為最先進行海上浮動核電站建造的國家，目前該核電站已投入商業(yè)運營。此外，法國和韓國目前也正積極研發(fā)下沉式和重力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)式海上浮動核電站。

海上浮動核電站在運行過程中可以實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，將熱量進一步利用到海水淡化工藝中，可以實現(xiàn)遠海島嶼的電力與淡水的雙供應(yīng)，從根本上解決遠海島嶼的電力供應(yīng)與淡水需求，實屬一舉兩得。海上浮動核電站由于其移動性，能夠減少工作過程中產(chǎn)生的“三廢”對陸地上居民的影響，也沒有陸地核電站因為地震而導(dǎo)致的放射性物質(zhì)泄漏風(fēng)險。即使在極端條件下，浮動核電站也可以就地取材，將海水引入船體，避免發(fā)生反應(yīng)堆堆芯熔化的情況。

此外，海運的運輸能力比陸地運輸要強得多，可以自由地從我國的渤海跨越到南海群島，甚至能夠跨越洲際，作為海洋上能移動的供電供淡水平臺，海上浮動核電站可以自由的到達水電急需的區(qū)域。在將來具有成熟的海上浮動核電站平臺后，還可以憑借運輸?shù)撵`活性，去到電力緊張的沿海國家與地區(qū)進行電力出口，滿足市場需求，有著廣闊的市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

作為靈活和穩(wěn)定的電力、淡水供應(yīng)平臺，海上浮動核電站工程能給遙遠的海島、石油鉆井平臺或科研考察活動提供支援，具有重大的經(jīng)濟戰(zhàn)略意義，因此，我國對于海上浮動核電站工程的研發(fā)與建設(shè)迫在眉睫。

顛覆與創(chuàng)新

海上浮動核電站采用成熟的浮動平臺技術(shù)，可以大大減少島嶼陸域面積的占用。在我國98%海島都是500 m2～5 km2的小型島嶼的現(xiàn)狀條件下，海上浮動核電站工程具有顛覆性和創(chuàng)新性，具體表現(xiàn)在以下五個方面：

圖1 海上浮動核電站工程示意圖

1.設(shè)計的反應(yīng)堆具有固有安全性，在防核擴散、反恐怖襲擊方面具有很大的優(yōu)勢。海上浮動核電站采用三代、四代或者更加先進的核電反應(yīng)堆，燃料元件的性能、非能動安全性以及負反應(yīng)性溫度系數(shù)共同確保了其安全特性，具有著世界上最先進的安全等級。

2.設(shè)計的反應(yīng)堆不需要設(shè)置應(yīng)急計劃區(qū)，因此特別適合于浮動平臺與海水淡化。現(xiàn)行核電站的壓水堆，需要遵照我國國家標準《核動力廠環(huán)境輻射防護規(guī)定》（GB 6249-2011）確定應(yīng)急計劃區(qū)。對于先進的三代、四代或者更加先進核電反應(yīng)堆，由于具有固有安全特性，參照美國MG-HTR 不需要設(shè)置應(yīng)急計劃區(qū)。不設(shè)置應(yīng)急計劃區(qū)，意味著浮動平臺可以靠近島嶼停放，使輸送系統(tǒng)大大簡化。而且海水淡化技術(shù)需要靠近用戶中心，不設(shè)置應(yīng)急計劃將有利于滿足要求。

3.設(shè)計的反應(yīng)堆的燃料裝卸系統(tǒng)可實現(xiàn)不停堆的換料或者一次性轉(zhuǎn)料終身使用，實現(xiàn)了電力與淡水的連續(xù)供應(yīng)，具備保障島嶼特種裝置與設(shè)備連續(xù)、穩(wěn)定運行的優(yōu)勢。新燃料元件從反應(yīng)堆頂部裝入堆芯，從堆芯底部卸料管可卸出燃料元件，卸出的燃料元件如果未達到預(yù)定的燃耗深度，則再送回堆內(nèi)使用，使每個燃料元件的燃耗深度基本一致，實現(xiàn)裝卸料的自動化，從而達到電力與淡水的連續(xù)供應(yīng)。

4.設(shè)計的反應(yīng)堆具有更高的發(fā)電效率和簡化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，因此具有更好的經(jīng)濟性。海上浮動核電站的反應(yīng)堆的發(fā)電效率可達到40%，如果采用更為先進冷卻劑系統(tǒng)作為冷卻劑，效率能達到50%以上。而一般壓水堆一般為33 ～35%。

5.設(shè)計的反應(yīng)堆與海水淡化可以實現(xiàn)完美匹配。先進反應(yīng)堆蒸汽壓力品質(zhì)更高，如反應(yīng)堆高壓缸蒸汽溫度為161℃，壓力0.6MPa，溫度與熱法海水淡化完美匹配（壓水堆高壓缸蒸汽很高，為370℃左右，需要處理后才能與海水淡化裝置匹配），同時產(chǎn)生的乏汽（70℃）也與海水淡化理想的工藝熱匹配（對于壓水堆，廢熱的溫度范圍太低，不能用于海水淡化）。

海上浮動核電站研究方案

海上浮動核電站采用駁船為主體，主要分為控制室、核反應(yīng)堆、燃料堆放區(qū)、居住區(qū)等部分，工程示意圖如圖1 所示。

在已有研究基礎(chǔ)上，充分吸收國內(nèi)外該領(lǐng)域的最新研究成果，對設(shè)計的反應(yīng)堆應(yīng)用于浮動核電站的適應(yīng)性進行研究，對浮動式核電站載體進行設(shè)計，對浮動式反應(yīng)堆用于電力供應(yīng)與海水淡化的耦合方案進行研究。總體研究思路如圖2 所示。

海上浮動核電站使用的三代、四代或者更為先進核電反應(yīng)堆，采用優(yōu)異的陶瓷包覆的球形燃料元件，具有固有安全特性。然而浮動平臺與靜止的陸地具有很大的差異，所以反應(yīng)堆用于建造浮動核電站仍需要評估。可以通過調(diào)研不同遠海島嶼海域的風(fēng)、浪、流、冰等海洋環(huán)境條件以及反應(yīng)堆的設(shè)計強度，對其安全性進行分析評估。通過浮動平臺的調(diào)研，確定其技術(shù)可行性與經(jīng)濟性。

圖2 海上浮動核電站平臺總體研究思路

圖3 供電與海水淡化研究思路

浮動式核電站載體應(yīng)保障浮動式核電站設(shè)計、建造、服役、退役的全壽命周期下的安全性，即除了保障核反應(yīng)堆自身的固有安全外，作為核反應(yīng)堆裝置的載體，其系統(tǒng)的安全性、成熟性、適應(yīng)性對核反應(yīng)裝置的安全運行亦至關(guān)重要。因此與核安全的相關(guān)的載體的總布置、破艙穩(wěn)性、碰撞保護、防火分隔、堆艙通風(fēng)、消防救生、與應(yīng)急備用電源等均為設(shè)計的重點。

本著能源節(jié)約原則，核電廠海水淡化工程充分利用核電廠既生產(chǎn)熱能，又生產(chǎn)電能的優(yōu)勢，采用“熱法”海水淡化技術(shù)為主和“膜法”海水淡化技術(shù)為輔的方式（MED-RO），開展大規(guī)模的海水淡化生產(chǎn)。淡化后的水在滿足《中華人民共和國生活用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-85）的條件下，還需要調(diào)節(jié)其水硬度與氟濃度等，避免因為缺氟導(dǎo)致的氟斑牙以及因為長期缺乏礦物質(zhì)而引發(fā)的系列疾病，使其可以滿足人長期飲用。研究思路如圖3 所示。

發(fā)展建議

我國目前的能源結(jié)構(gòu)以煤電為主，占到60%左右，在能源難再生以及帶來的霧霾等環(huán)境問題的背景下，開發(fā)核能發(fā)電有利于生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展以及能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。

作為一個海洋大國，中國擁有約300km2的海域，面積在500m2以上的島嶼多達7000 多個。近年來隨著南海問題的升溫，我國對海洋權(quán)益的重視程度逐步增加，如何建設(shè)成為海洋強國，維護海洋主權(quán)將是一項長久的議題。

海上浮動核電站作為核電工程和海洋工程的結(jié)合，能夠為深遠海、偏遠島嶼提供電力和淡水資源，保障周邊島民日常需求、旅游開發(fā)、石油開采、軍事演習(xí)等活動的正常開展，甚至可以對外出口電力資源。可以說海上浮動核電站一旦投入商業(yè)化運營，將會帶來豐厚的經(jīng)濟效益。

隨著俄羅斯“羅蒙諾索夫院士”號浮動核電站投入商業(yè)運營，可以看出海上浮動核電站工程的可行性與發(fā)展?jié)摿Α?/p>

我國需要關(guān)注和借鑒美俄等其他國家對于浮動式核電站的經(jīng)驗和研究，深化國際合作，為國內(nèi)的海上浮動核電站工程提供更加高效可靠的技術(shù)支持，同時結(jié)合海上浮動平臺的特點與自身發(fā)展需求，細化工程的具體實施策略。海上浮動核電站的熱電聯(lián)產(chǎn)與海水淡化耦合模式，是解決大陸資源短缺、發(fā)展海洋經(jīng)濟、提高國家國際地位的重要保障，具有重要的經(jīng)濟戰(zhàn)略意義與國防價值，加快海上浮動核電站工程的研發(fā)與建設(shè)刻不容緩。