[解密中国] 海上浮动核电站:远洋油气开采、离岸核能利用的未来

发布时间:2016/2/17 14:27:46

致力于升级海洋经济、探索能源问题解决之道的中国正将目光投向海洋开发的又一重器——海上浮动核电站。这种小型的、可移动式的核电站将陆上核电站的缩小版安装在船舶上,既可为偏远岛屿供应安全、有效的能源供给,也可为远洋作业的海上石油、天然气开采平台提供电力、热力和淡水资源,有用电需求时将电站拉过来,不需要便可用船将电站拉走。

眼下这个国际公认的海洋世纪里,海洋经济已成为全球经济发展的盛宴。沉睡在海底的战略性资源,其分布之广、品位之高、储量之大,远远超乎人类现今的需求与想象。对于拥有18000多公里海岸线和300万平方公里管辖海域、多年蝉联能源消费总量世界第一的中国而言,蓝色国土的开发、利用与安全,与国家安全和长远发展息息相关。海上浮动核电站,无疑是未来海上能源保障的重要选项。

提到海洋、核电站,很多人往往想到的还是其安全性。海上浮动核电站(也称浮动堆)究竟安不安全?其实,离岸小型模块化浮动堆的安全性优于目前在运的陆基核电站。首先,浮动堆功率较小,设计上采用更先进的理念,本身固有的安全性就很高;其次,浮动堆处于远离陆地的海上,不易受地震和海啸影响,即便发生地震,震源的地震波也不会被海水传递。而且海洋本身也可以作为一个应急的散热器,在极端事故情况下,浮动堆可将海水引入船体内,阻止堆芯熔化进程,保证反应堆安全。由于浮动平台体积小,它们可被牵引到专门的场所进行集中维护和处理。

技术原理并不神秘

听起来似乎有些不可思议,但海上浮动堆并不是什么新鲜事。早在上世纪50年代,船舶核动力及一系列实验性反应堆发电的成功,使得基于船舶平台的小型核电装置进入人类设想。

浮动核电站的技术原理其实并不神秘,只是将原本建造在陆地上的核电站安装在船舶平台上。但是,由于陆地和海上条件差异很大,相关的技术要求不尽相同,海上浮动核电站的设计、建造和运行都面临特殊的技术难题。

可查资料显示,1963年,美国马丁·马丽艾塔公司为美国军方设计了MH-1A核电装置,为缺电的巴拿马运河区供电,放置在第二次世界大战期间建造的自由号轮船上。MH-1A1968年工作到1975年,后来由于运行费用过高及军队反应堆计划的终止而退役。

1972年,美国佛罗里达州在核电厂选址时遭遇难题,美国西屋电气公司设想了一种放置在大型驳船上,可由拖船拖曳的离岸核电厂方案,这种浮动式核电站可以起航沿着美国东部大西洋沿岸地区漂浮,且可以很方便地向沿岸城镇输送电力。但由于政府批准的延迟、投资减少等原因,这个方案最终遭致扼杀。
海上民用浮动核电站的设想,最终由俄罗斯人付诸实践。为了给俄罗斯远东或北极地带一些边远地区、油气田开发供电,俄罗斯原子能公司(Rosatom2009年开工建造了罗曼诺索夫号浮动核电站,计划将于2016年交付、2018年投入使用。

罗蒙诺索夫号排水量为2.15万吨,装配有两个KLT-40型核反应堆,能提供70兆瓦的电力以及300兆瓦的热力供应,保障一个人口达20万的城市电力及热水供应。此外,通过重新设置,罗蒙诺索夫号还能变成海水淡化处理厂,每天生产24万立方米的淡水。根据规划,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。

与常规柴油发电相比经济性明显

随着中国海洋战略的实施,海洋资源开发活动日益频繁,海上浮动堆的技术攻关步伐提速,各大核电企业纷纷加快小型核反应堆研发和推广,起步时间虽有不同,但发电、供热、海水淡化等工业化和市场推广早已是业内共识。
2015
1231日,国家发改委复函同意ACPR50S海洋核动力平台纳入能源科技创新十三五规划。ACPR50S系列是由中国广核集团(下称中广核)自主研发、自主设计的海上小型堆技术,单堆热功率200MW,可为海上油气田开采、海岛开发等领域的供电、供热和海水淡化提供电力。目前,中广核正在开展ACPR50S小型堆示范项目的初步设计工作,预计2017年启动示范项目建设,2020年建成发电。

“ACPR50S海上小型堆的技术先进性体现在,采用模块化设计,易于现场安装、运行及换料检修;紧凑型布置,反应堆压力容器与蒸汽发生器之间采用短套管连接,基本消除大破口事故发生;基于大型压水堆成熟经验开展小型化设计,依托成熟核级设备供应链。中广核小型堆总设计师芮旻对澎湃新闻表示。

据芮旻介绍,ACPR50S海上小堆采用全非能动安全系统,半潜式深吃水设计,海水可作为最终热阱(注:即接受反应堆排出余热的场所),安全性上超过了三代核电安全标准。根据用户需求提供特定的热力及电力供应,小型堆可广泛应用于偏远地区中小型电网、海水淡化、工业供热、居民供暖等领域。

由于海上浮动小型堆换料检修周期长,可长期运行、持续不断地进行电能、热能、海水淡化等综合能源供给,用于海上资源开发时比利用柴油发电机实惠得多。后者不仅功率小,且燃料补给困难、使用维护成本高。

在一些特殊需求上,比如为海岛供电,柴油发电机的电价高达每度电5块钱,小堆在经济上就有很好的竞争力。在去年的国际核电小堆发展高峰论坛上,国家核安全局反应堆处处长朱立新举例说。

另有数据显示,目前渤海海上石油开采所需能源为原油或有限的伴生气,原油发电成本大约2.0/千瓦时,而海上核能发电成本约0.9/千瓦时。

根据中广核测算,ACPR50S核发电系统 与海上常规能源(柴油发电)相比,ACPR50S首台机组在经济性方面就具有一定的竞争力,批量化(4台以上)建设后,建造成本预计下降25%,经济性会更好。

这种经济性上的优势体现在小型堆建造运行全生命周期的各个环节:首先,模块化建造大幅减少了现场安装和调试工作,建造工期大为缩短,可有效降低建设成本;与大型商用压水堆相比,ACPR50S热功率小,源项低,系统设计优化,使得工程建造成本和电厂运行维修成本降低;换料检修周期长,可用率高,燃料经济性较好;批量化建设后,经济性优势将进一步突显,通过选用成熟的设备技术,并与主要设备供应商结成产业联盟,可有效支撑未来发展。产业联盟雏形初现。

125日,中广核与中国船舶重工集团公司(下称中船重工)签署战略合作协议,拟就共同推进海上核动力平台项目建设开展合作。中船重工是国内最大的船舶集团和海军装备研制主体,在海上核动力平台方面实力不俗。据公开报道,目前中船重工下属的719所已完成了海洋核动力平台的两种技术方案,一种为浮动式核电站,即将核电站布置于浮动式平台上,另一种为可潜式核电站,除满足浮动式核电站性能要求外,还可满足在恶劣海况下,平台下潜至水下工作的需求。

再稍早前,中广核还与中国最大的海上石油及天然气生产商中国海洋石油总公司(下称中海油)签署了战略合作框架协议,充分发挥各自在海洋石油工程技术领域和核电技术领域的优势,推动海洋石油工业与核电工业的有机融合。中广核、中船重工、中海油,尽管合作仍处于早期阶段、尚未有更多细节流出,但各方角色鲜明、专业优势突出,联盟的形成将大大推动海上小型堆技术在海上核动力平台领域的应用和推广。

到底安不安全?

这或许是大多数人最关心的问题。海洋、核反应堆,五年前发生于日本福岛县的核事故至今让人对这些词汇组合心有余悸。

日本福岛核事故,主要是地震后海啸引起全厂断电,机组冷却系统失效而导致的严重事故。ACPR50S基于成熟压水堆和三代核电技术,借鉴国内外小型堆先进设计理念,是自主开发的适用于海洋环境的核电站。按照我国最新核安全设计要求,ACPR50S采用全非能动安全系统设计,事故情况下不需要厂外电力,7天内可不需要人员干预;半潜式深吃水的设计充分利用海水作为最终热阱并提供天然的辐射屏蔽,可有效避免由于冷源损失造成类似福岛事故的严重后果。” 芮旻对澎湃新闻说。

具体到ACPR50S半潜式深吃水设计,芮旻介绍称,主要是针对反应堆堆芯布置,堆芯活性段位于海平面以下,可以实现以海水作为最终热阱的设计;在极端事故情况下,核电站可通过引入海水,阻止堆芯熔化进程,充分保证反应堆的安全,实质消除放射性物质的释放,不会给厂区外公众造成辐射危害。

为了防止出现核泄漏等事故,俄罗斯罗蒙诺索夫号在设计时也较多考虑了安全因素。罗蒙诺索夫号的最核心部件——KLT-40核反应堆,已成功应用于多艘核动力破冰船。核动力破冰船在俄罗斯已长期使用,并通过了50年北极严酷自然环境的考验。海上浮动核电站的设计还采用了极高的安全标准,除核反应装置的设计能够抵御海啸等自然灾害的破坏外,核反应装置也符合所有国际原子能委员会的要求,并对环境不产生污染。

按功能划分,海上浮动堆可分为核反应堆和海上浮式平台两部分。芮旻对澎湃新闻称,核反应堆的设计以中国陆基核设施规范标准为基础,并考虑海洋环境的特殊要求和发电要求;海上浮动平台的设计参照具有特殊用途的海上浮式装置遵循的设计规范,以及国际海事组织、国际劳工组织、国内外船级社的相关规范标准,并以最终海上核电站能通过国家相关技术审查部门的审核为要求开展。目前,国际上正在建立一套适用于小型核动力厂的安全要求,中国国家核安全局也正在牵头编制《模块式小型压水堆浮动电站安全审评原则》,用以指导海上小型堆核电站安全审评工作。

与核潜艇有何不同?

1954年,美国鹦鹉螺号核动力舰船服役开启了海上核能应用的先河。中国核动力平台的研发已有近50年历史,虽然已拥有多艘核动力潜艇,但水面核动力船舶建造尚无先例。浮动核电站与核潜艇有何不同?尽管原理相似,但由于工作的海洋环境条件和用途目地的不同,两者在技术上存在较大差别。芮旻说,核动力潜艇是利用核能来提供推动力,主要考虑各种灵活机动的变功率工况设计。而ACPR50S设计采用的是中国民用核设施法规标准,利用海上浮动平台作为核电站承载平台,主要为用户提供稳定的电力、热力等综合能源,关注的是民用核安全性和高效的经济性。

127日国务院新闻办公室举办的《中国的核应急》白皮书发布会上,面对外国记者提出的中国建设和部署海上核电站的考量问题,中国国家原子能机构主任、国家国防科技工业局局长、国家核事故应急协调委员会副主任委员许达哲回答称:海上浮动电站的问题,我们正在规划当中,必须经过严格的、科学的论证。中国也是致力于要建设海洋强国,所以海洋资源一定要充分的挖掘利用,这时候如何利用好核能是我们探讨、研究、规划、发展的内容。
许达哲称,中国首先是坚持和平利用核能,是坚持安全为前提的条件下发展核能,中国的核安全观已经明确地阐述了这一点。在我们周边的海域开发海洋资源,造福人类,这绝对是应有的选项。