小型核反应堆供电在海洋工程领域的应用前景

◇ 引 言

近些年，中国大力推行发展海洋经济的方针政策，海洋经济不断繁荣发展。然而，中国最大海上油气田渤海油田却面临着伴生气量递减与电力需求增加的矛盾和渤海油田稠油热采所需热能成本增加与提高采收 率的矛盾。当前，渤海油田开发所需电力主要来源于天然气透平或原油发电机自发电。作为主要燃料的油田伴生气和气田气井气将随着油气开采产量减少逐步降低，若采用柴油替代天然气作为燃料供电又将带来高昂的燃料成本。因此，电能来源将成为制约渤海油田开发的瓶颈[1]。

核能作为一种技术成熟度高的替代能源，利用核反应堆核裂变释放的热能进行发电，具备热电联产的功能，其成本远低于燃煤成本，而且核燃料反应所释放的能量也远高于化石能源燃烧所释放的能量，因此可向采油平台供给热能供稠油热采使用以提高原油采收率，可有效解决渤海湾油田伴生气量递减与电力需求增 加之间的矛盾，推动渤海油田在低油价新形势下的高效开发。

经过二十余年的高速发展，中国在核能利用方面已取得极大进步。据不完全统计，截至2017年底，国内投入商业运行的核电机组共37台，装机容量高达35807 MW。从国家整个发电占比来看，核能的利用较一些领先国家还存在较大差距。比如，核能发电占比法国高达78%，日本为30%，美国为19%，而中国核能发电在2009年仅占全国发电总额的1.95%。《国家核电发展专题规划》已于2007 年获批，这标志着中国的核能发展进入了新阶段。

本文主要分析小型核反应堆的安全优势，并充分借鉴俄罗斯核电站建设的经验，剖析小型核反应堆在海洋油气开发领域应用的可能性，为渤海油田的高效开发提供技术支持。

1 核能供电的基本原理和分类

核电站是利用核动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。反应堆是核电站的关键设 备，链式裂变反应就在其中进行。核反应堆分类：根据燃料类型分为天然气铀堆、浓缩铀堆和钍堆;根据中子 能量分为快中子堆和热中子堆分类：根据冷却剂(载热剂)类型材料分为水冷堆、气冷堆、有机液冷堆和液态 金属冷堆;根据慢化剂(减速剂)类型分为石墨堆、重水堆、压水堆、沸水堆、有机堆、熔盐堆和铍堆;根据中子 通量分为高通量堆和一般能量堆;根据热工状态分为沸腾堆、非沸腾堆和压水堆;根据运行方式分为脉冲堆 和稳态堆;等等。

目前，世界上核电站使用最多的是压水堆和沸水堆。

压水堆是使用加压轻水(即普通水)作冷却剂和慢化剂，且水在堆内不沸腾的核反应堆，燃料为低浓铀。

20世纪80年代，压水堆被公认为是技术成熟、运行安全、经济实用的堆型。压水堆采用二回路发电(见图1)，一般堆芯内气压为10～20 MPaG，温度为300 ℃左右，高压使得冷却水在此温度下也不会汽化(中国秦山一期核电站反应堆压力容器设计参数为：工 作压力 15.20 MPaG，设计压力 17.17 MPaG，设 计温度350 ℃)。当冷却水带着热量来到蒸汽发生器时，通过数以万计的传热管把热量传给二回路中的冷却水，使二回路的水沸腾，产生的蒸汽带动汽轮机发电。

沸水堆同样是轻水堆的一种。沸水堆核电站工作流程是：冷却剂(水)从堆芯下部流进，在沿堆芯上升的 过程中，从燃料棒得到热量，使冷却剂变成蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，用分离出的高温蒸汽推动汽轮发电机组发电，如图2所示。来自汽轮机系统的给水进入反应堆压力容器后，沿堆芯围筒与 容器内壁之间的环形空间下降，在喷射泵的作用下进入堆下腔室，再折而向上流过堆芯，受热并部分汽化。

汽水混合物经汽水分离器分离后，水分沿环形空间下降，与给水混合;蒸汽则经干燥器后出堆，通往汽轮发电机做功发电。蒸汽压力约7 MPa，干度不小于99.75%。汽轮机乏汽冷凝后经净化、加热再由给水泵送入反应堆压力容器，形成一闭合循环。再循环泵的作用是使堆内形成强迫循环，其进水取自环形空间底部，升压后再送入反应堆容器内，成为喷射泵的驱动流。某些沸水堆用堆内循环泵取代再循环泵和喷射泵。

沸水堆控制棒从堆芯底部引入，因此发生“在某些事故时控制棒应插入堆芯而因机构故障未能插入”的 可能性比压水堆大，即在停堆过程中一旦丧失动力，控制棒就会停在中间某处，最终可能导致临界事故发生; 而压水堆的控制棒组件安装在堆芯上部，如果出现机械或者电气故障，控制棒可以依靠重力落下，一插到底， 阻断链式反应。另外，对于控制棒向上引入的反应堆，其堆芯上部的功率高于底部，当反应堆丧失冷却动力后，会导致产生热量大的堆芯部位温度持续上升，使上部的燃料发生熔毁的概率增加。

当沸水堆遇紧急情况停堆，冷却动力丧失时，燃料温度增加，冷却水逐渐汽化，回路压力增加，必须进行释压处理，否则会导致带有放射性的气体进入大气，同时还需启用备用电源进行主动注水冷却;当压水堆冷 却动力丧失时，可以用应急水泵对蒸汽发生器进行喷淋，并调节稳压器压力，保证一回路不出现局部沸腾，依靠一、二回路的温差实现自然循环，让堆芯慢慢退热。

沸水堆与压水堆不同之处在于沸水堆没有蒸汽发生器，一回路水通过堆芯加热变成约285 ℃的蒸汽并直接引入汽轮机，常规岛布置有一回路的冷却剂管道，管道失效可能引起冷却剂泄漏。压水堆的一回路和蒸 汽系统通过蒸汽发生器分隔开，而且蒸汽发生器安置在安全壳内，只要蒸汽发生器完整，放射性物质不会释放到环境中，即使蒸汽发生器因故障破损，利用安全壳贯穿件关闭安全壳，放射性物质也不会释放到环境中。 因此，压水堆的安全性高于沸水堆。中国在运和在建的所有核电站均为压水堆式核电站。

2 中、小型堆的发展现状和应用前景

2.1 中、小型堆特点

与大堆相比，小型堆核能系统的固有安全性将大幅提高。以目前广泛采用的一体化小型堆为例，其在安全性方面具有以下技术特点：

(1)取消主冷却系统内大尺寸管道，从根本上消除威胁反应堆安全的大破水、失水事故，是提高核反应堆固有安全性的主要因素。

(2)将反应堆堆芯放置在压力容器底部偏上，压力容器中下部不开孔，确保在系统失水时压力容器内的堆芯处于被淹没状态。

(3)在主冷却剂系统设计中采用自然循环原理，堆芯衰变热可采用非能动余热排除以提高安全性。

4)采用改进的耐高温燃料和结构材料，增加反应堆安全裕量。

(5)简化系统设计，减少不必要的阀门和管道，以提高安全性[2]。

2.2 中、小型堆发展现状

近年来，中、小型反应堆凭借初始投资小、建造周期短、可有效解决中小电网输电问题的优势得到了世界各国的关注。中、小型核电机组是指发电功率在300 MW 以下的机组。目前，中国正在研究的小型堆在技术水平、核安全、换料周期和经济性上都属于世界先进水平。

中国已经开始研制可在海上应用的小型堆，并取得阶段性的成果。海上小型堆主要技术参数见表1。 小型堆采用新的第3代压水堆技术，在设计上拥有非能动性或称自主能动性安全冷却体系，拥有类似水塔性质的蓄水装置，置于安全壳上层，可依靠重力完成冷却水注入实现冷却。如果将小型堆应用在海洋上，海洋 将是巨大的天然蓄水池，能有效地防止类似日本福岛核电站事故的发生，是反应堆冷却剂的最好来源，另外堆芯有排气管道与外界连通，压力可以得到控制。

2.3 小型堆在海上的应用

核能在海洋环境中的应用已近70年，1954年“鹦鹉螺”号核动力舰船服役开启了海上核能应用的先河。目前，全球共有300多艘核潜艇服役，在役约160多艘，98%采用小型压水堆。全世界共装备12艘核动力航母，均配备小型压水堆。自20世纪50年代初，俄罗斯开始制造核动力舰船，迄今共建成9艘核动力破冰船。其中第1艘核动力破冰船“列宁”号于1959年下水，1989年退役。目前，俄罗斯是世界上唯一拥有核动力破冰船的国家[3]。

同时，俄罗斯正在其最大的造船厂波罗的海造船厂建设全球首个浮动式核电站，据悉，该浮动核电站将于2018年投入使用。该浮动式核电站暂时被命名为“罗蒙诺索夫”号，配有两座35 MW 的 KLT-40S 反应堆，排水量为2.15万t，寿命为40 年，换料周期为3～4 年，总体布置图[4]如图3 所示。据估计，该浮动核电站投入使用后将为东西伯利亚远东地区近20万人供电。按照规划，俄罗斯还将建设一批浮动式核电站，为大型工业项目、港口城市、海上油气钻探平台提供能源。除了发电和发热外，上述浮动核电站所发电力还能用于海水淡化，每天可生产24万 m3 淡水。

2.4 小型堆在中国海洋领域的发展前景

中国海洋国土面积近300万km2，海岸线长达1.8万km，海洋资源相对丰富，对海洋资源的开发和利用也日益迫切。但是，中国海上岛屿分散，水下情况复杂，大型船艇往往无法使用，常规动力的小型船艇也因续航能力有限、补给困难而难堪重用，而小型核动力船艇因其有可长时间运行、1 次装料可运行几年、可不依赖空气运行的优点，特别适合于海洋开发、海洋领土守卫等。

中国地域广阔，各地经济发展不平衡，很多地区发展大规模电站存在困难。另外，在中国能源构成中火力发电占大部分，为了减少 CO2 排放，发展利用中、小型核动力也是一种有益的尝试。

目前，渤海湾地区是中国海洋油气产量最大的区域，已达到3000 万t油当量，已建150 多座采油平台、6艘FPSO。单区域油气田群用电量约150 MW，若采用核能供电，单堆功率在25～100 MW，可满足油田群区域发电。同时，核能的蒸汽透平能产生200 ℃以上高温蒸汽，可通过与生产水换热进行稠油热采，有效提高渤海湾稠油采收率[5]。如若俄罗斯在建的浮动式核电站能够安全、稳定地运行，其将成为中国发展海上浮动式核电站的经验借鉴，也将为海洋石油开采提供有力的电能保障，成为提高稠油采收率的有效措施。但是，目前全世界范围内还没有一座成熟应用的海上核电站用于海上油田的开发，技术上还存在许多难题有待 解决，如海上核电站的结构型式，海上核电站的安全性、环保性，海上核电站的设计、建造、运行等所依据和使用的标准、规范等难题，还需各行业的专家继续探索研究。

3 结论与建议

核能供电方式是能够从根本上解决海洋油气田开发电能需求的有效方案，该技术若能成熟发展，必将在探索深水油气田的道路上大有可为，成为人类发展海洋经济的有力保障。为推进核电在海洋油气开发中的 应用，建议深入进行核电海上应用的适应性研究，解决海上核反应堆的运行、换料等问题，同时开展耐高温、高压海管和单点系泊系统的研究，为示范工程的实施打下坚实的基础。核能行业、海洋石油行业和其他相关 行业专家，必须齐心协力，通过不断的实践检验共同开发出能适应海洋环境的核能供电设施。