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核能是滿足能源供應(yīng)、保證國(guó)家安全的重要支柱之一。核能發(fā)電在技術(shù)成熟性、經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)性等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)相較于水電、光電、風(fēng)電具有無(wú)間歇性、受自然條件約束少等優(yōu)點(diǎn)，是可以大規(guī)模替代化石能源的清潔能源。目前核能主要用于發(fā)電，只有少數(shù)反應(yīng)堆應(yīng)用于核能供熱和海水淡化。隨著技術(shù)的發(fā)展，尤其是第四代核能系統(tǒng)技術(shù)逐漸成熟和應(yīng)用，核能有望超脫出僅僅提供電力的角色。

1.1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

核能是滿足能源供應(yīng)、保證國(guó)家安全的重要支柱之一。全球發(fā)電總量中，核能發(fā)電比例為?10.4%，截至?2019?年?3?月，全球有?449?座商用核動(dòng)力反應(yīng)堆在?30?個(gè)國(guó)家運(yùn)行，總裝機(jī)容量達(dá)?396?GW，在建核電機(jī)組?55?座，在建核電機(jī)組裝機(jī)容量?57?GW。此外，還有大約?240?座研究堆運(yùn)行在?56?個(gè)國(guó)家，180?座動(dòng)力堆為大約?140?艘艦船、潛艇提供著動(dòng)力。

核能發(fā)電在技術(shù)成熟性、經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)性等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)相較于水電、光電、風(fēng)電，具有無(wú)間歇性、受自然條件約束少等優(yōu)點(diǎn)，是可以大規(guī)模替代化石能源的清潔能源。根據(jù)中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至?2018?年?12?月31日，我國(guó)投入商業(yè)運(yùn)行的核電機(jī)組?44?臺(tái)（不含我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)），總裝機(jī)容量?44.6?GW，在建的核電機(jī)組?11?臺(tái)，總裝機(jī)容量?11?GW。

2018?年?1—12?月，我國(guó)核電機(jī)組累計(jì)發(fā)電量為?2?865.11?億千瓦時(shí)，占總發(fā)電量的?4.22%。核電設(shè)備平均利用小時(shí)數(shù)為?7?499.22?小時(shí)，設(shè)備平均利用率為?85.61%。與燃煤發(fā)電相比，核能發(fā)電相當(dāng)于減少燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤?7?646.8?萬(wàn)噸，減少排放二氧化碳?20?034.6?萬(wàn)噸，減少排放二氧化硫?65.0?萬(wàn)噸，減少排放氮氧化物?56.6?萬(wàn)噸。

在確保安全的基礎(chǔ)上高效發(fā)展核電，是當(dāng)前我國(guó)能源建設(shè)的一項(xiàng)重要政策，對(duì)保障能源供應(yīng)與安全、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局在《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確了“十三五”時(shí)期我國(guó)能源發(fā)展的路徑和重點(diǎn)任務(wù)，提出努力構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030?年）》也明確提出我國(guó)將繼續(xù)深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，完善核能領(lǐng)域科技研發(fā)體系，支持小型模塊化堆、第四代核能系統(tǒng)、核能制氫等領(lǐng)域的科研工作，使核能為建設(shè)“美麗中國(guó)”貢獻(xiàn)更多力量。

1.2 核能利用的優(yōu)勢(shì)

從能源效率的觀點(diǎn)來(lái)看，直接使用熱能是更為理想的一種方式，發(fā)電只是核能利用的一種形式。隨著技術(shù)的發(fā)展，尤其是第四代核能系統(tǒng)技術(shù)的逐漸成熟和應(yīng)用，核能有望超脫出僅僅提供電力的角色，通過(guò)非電應(yīng)用如核能制氫、高溫工藝熱、核能供暖、海水淡化等各種綜合利用形式，在確保全球能源和水安全的可持續(xù)性發(fā)展方面發(fā)揮巨大的作用。

核能制氫與化石能源制氫相比具有許多優(yōu)勢(shì)，除了降低碳排放之外，由于第四代核反應(yīng)堆可以提供更高的輸出溫度，生產(chǎn)氫氣的電能消耗也更少。目前，工業(yè)生產(chǎn)中約?20%?的能源消耗用于工藝熱應(yīng)用，高溫工藝熱在冶金、稠油熱采、煤液化等應(yīng)用市場(chǎng)的開發(fā)將很大程度上影響核能發(fā)展。用核熱取代化石燃料供暖，在保證能源安全、減少碳排放、價(jià)格穩(wěn)定性等方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，也是一個(gè)重要的選項(xiàng)。

目前，全球飲用水需求日益增長(zhǎng)，而核能用于海水淡化已被證明是滿足該需求的一個(gè)可行選擇，這為缺少淡水的地區(qū)提供了希望。核能海水淡化還可用于核電廠的有效水管理，提供運(yùn)行和維護(hù)所有階段的定期供水。

2.1 第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的特點(diǎn)及國(guó)際研究現(xiàn)狀

未來(lái)核能的發(fā)展趨勢(shì)之一是小型模塊化反應(yīng)堆（SMR），其電功率通常為數(shù)十兆瓦到百兆瓦，建設(shè)周期短、布置靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、選址成本低。此外，SMR?還可以節(jié)約資金成本，并降低環(huán)境和金融風(fēng)險(xiǎn)。

第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)主要包括高溫氣冷堆、鈉冷快堆、熔鹽堆、超臨界水堆和鉛冷快堆，而顛覆傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的小型模塊化第四代核反應(yīng)堆，因其具備固有安全性高、核燃料可循環(huán)、物理防止核擴(kuò)散和更優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，成為核能研發(fā)和投資的熱點(diǎn)。例如，美國(guó)和加拿大近年陸續(xù)成立了十幾家新型核能公司，包括加拿大地球能源（Terrestrial Energy）、美國(guó)泰拉能源（TerraPower）等，并已經(jīng)開始與電力公司和國(guó)立研究機(jī)構(gòu)合作，推進(jìn)小型模塊化第四代核反應(yīng)堆的示范應(yīng)用。

第四代核能系統(tǒng)主要特征是經(jīng)濟(jì)性高、安全性好、廢物產(chǎn)生量小，并能防止核擴(kuò)散。而核能制氫、高溫工藝熱利用、核能供暖、海水淡化等非電應(yīng)用則是第四代核能系統(tǒng)的主要應(yīng)用目標(biāo)。

作為下一代先進(jìn)核能系統(tǒng)，針對(duì)第四代核能技術(shù)的發(fā)展，第一屆“第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇（Generation IV International Forum，GIF）”于?2002?年提出了第四代核電的?6?種堆型和研究開發(fā)路線圖。2012?年?11?月在圣地亞哥、2015?年?5?月在日本分別舉辦了第二、三屆研討會(huì)。第四屆?GIF?研討會(huì)于?2018?年?10?月16—17?日在法國(guó)巴黎舉行，議題包括第四代核能系統(tǒng)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因素、第四代核能系統(tǒng)演示和部署的創(chuàng)新和研發(fā)支持、從研究到項(xiàng)目示范、從示范到市場(chǎng)化?4?個(gè)方面。GIF?也與國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）保持著長(zhǎng)期的合作關(guān)系。第?11?屆?GIF-IAEA?創(chuàng)新型反應(yīng)堆項(xiàng)目（INPRO）對(duì)接會(huì)議于?2017?年?2?月在奧地利維也納舉行，議題涵蓋了核能經(jīng)濟(jì)、安全、物理保護(hù)、防止擴(kuò)散評(píng)估方法、通用先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)信息交換等方面的合作，預(yù)計(jì)未來(lái)將擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，如先進(jìn)反應(yīng)堆的特殊安全要求，先進(jìn)反應(yīng)堆的未來(lái)市場(chǎng)條件/要求（如與可再生能源的整合）等。

2.2 釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)

釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（TMSR）是第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)?6?個(gè)候選之一，包括釷基核燃料、熔鹽堆、核能綜合利用?3?個(gè)子系統(tǒng)。釷基核燃料儲(chǔ)量豐富、防擴(kuò)散性能好、產(chǎn)生核廢料更少，是解決長(zhǎng)期能源供應(yīng)的一種技術(shù)方案。

熔鹽堆分為液態(tài)燃料熔鹽堆（MSR-LF）和固態(tài)燃料熔鹽堆（MSR-SF），后者也被稱為氟鹽冷卻高溫堆（FHR）。熔鹽堆使用高溫熔鹽作為冷卻劑，具有高溫、低壓、高化學(xué)穩(wěn)定性、高熱容等熱物特性，并且無(wú)須使用沉重而昂貴的壓力容器，適合建成緊湊、輕量化和低成本的小型模塊化反應(yīng)堆；熔鹽堆采用無(wú)水冷卻技術(shù)，只需少量的水即可運(yùn)行，可用于干旱地區(qū)實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電。熔鹽堆輸出的?700℃?以上高溫核熱可用于高效發(fā)電，同時(shí)由于其使用高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定的無(wú)機(jī)熔鹽作為傳蓄熱介質(zhì)，非常適合長(zhǎng)距離的熱能傳輸，從而大幅度降低對(duì)于核能綜合利用的安全性顧慮，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的核能制氫，同時(shí)為合成氨等重要化工領(lǐng)域提供高品質(zhì)的工藝熱，進(jìn)而有效緩解碳排放和環(huán)境污染問(wèn)題。

保證反應(yīng)堆的安全可靠運(yùn)行是核能發(fā)展中最重要的先行目標(biāo)。作為第四代核能系統(tǒng)，熔鹽堆具有很高的固有安全性，堆內(nèi)工作環(huán)境為近常壓，極大地降低了主容器、堆內(nèi)構(gòu)件及安全殼等的承壓需求，一些在水堆內(nèi)發(fā)生的事故將可以得到避免，如大破口及雙端斷裂事故、管道破口導(dǎo)致的冷卻劑閃蒸噴發(fā)現(xiàn)象等。熔鹽的沸點(diǎn)高至?1?400℃?左右，而堆內(nèi)運(yùn)行溫度在?700℃，安全閾值很高：當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，反應(yīng)堆底部的冷凍塞會(huì)因過(guò)高溫自動(dòng)熔化，摻混了核燃料的熔鹽流入應(yīng)急儲(chǔ)存罐與中子反應(yīng)區(qū)分離，核反應(yīng)隨即終止。熔鹽可作為反應(yīng)堆的一層安全屏障，溶解滯留大部分裂變產(chǎn)物，特別是氣態(tài)裂變產(chǎn)物（如?Cs-137、I-131?等）；熔鹽化學(xué)穩(wěn)定性高，不與其他物質(zhì)作用，防止了新的衍生事故發(fā)生，可在很大程度上降低事故后的環(huán)境影響。熔鹽堆可以在線后處理，是能夠高效利用釷的唯一堆型。熔鹽堆可靈活地進(jìn)行多種燃料循環(huán)方式，如一次利用、廢物處理、燃料生產(chǎn)等，不需要特別處理而直接利用鈾、釷和钚等所有核燃料，也可利用其他反應(yīng)堆的乏燃料。

3.1 高效發(fā)電

對(duì)于高運(yùn)行溫度的第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)，現(xiàn)階段較為成熟的熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要包括蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)（基于朗肯循環(huán)）以及閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)（基于閉式布雷頓循環(huán)）。相比較傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)，高溫條件下的熱循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，能夠更充分地利用?700℃?以上核能系統(tǒng)的高品質(zhì)熱量，實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電。蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展已有百年以上，成熟度最高，但其系統(tǒng)較為龐大和復(fù)雜，在運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中需要不斷補(bǔ)充循環(huán)水，因此在水資源匱乏的地區(qū)不宜采用。

目前，火力發(fā)電常用的蒸汽輪機(jī)功率等級(jí)均在?300?MW?以上，多采用超臨界及超超臨界機(jī)組，溫度范圍?538℃—610℃，壓力范圍?24—32?Mpa，效率約41%—44%。700℃?超臨界是蒸汽輪機(jī)現(xiàn)階段發(fā)展的瓶頸，因耐高溫高壓材料問(wèn)題很難在短時(shí)間內(nèi)突破且成本昂貴。

閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)特別適用于中高溫?zé)嵩?，進(jìn)而獲得較高的熱功轉(zhuǎn)換效率，具有熱源靈活、工質(zhì)多樣性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。相比蒸汽輪機(jī)，閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)功率密度大，因而尺寸小、投資少；并且由于可以少用水，在選址上具有很大靈活性。20?世紀(jì)中期，以空氣為工質(zhì)的閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)曾廣泛應(yīng)用于發(fā)電領(lǐng)域，技術(shù)成熟度較高。后隨著高溫核能概念的興起，氦氣輪機(jī)獲得了極大的重視，并完成了非核領(lǐng)域的工業(yè)示范。

針對(duì)出口溫度為?700℃?以上的第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)，常用工質(zhì)閉式布雷頓循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)性能比較如下：氣體工質(zhì)（氦氣、氮?dú)狻⒖諝饣蚧旌瞎べ|(zhì)）閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)熱效率可接近?40%，超臨界二氧化碳工質(zhì)效率可接近?50%。但從技術(shù)成熟度來(lái)看，超臨界二氧化碳輪機(jī)目前還處于中試階段，缺乏工業(yè)示范驗(yàn)證，而且其高溫材料問(wèn)題也是技術(shù)難點(diǎn)。

3.2 核能制氫

第四代核能反應(yīng)堆制氫方面的研究，其核心都是基于高溫堆的工藝熱。從核反應(yīng)堆的角度來(lái)看，熔鹽堆、超高溫氣冷堆等出口溫度都超過(guò)?700℃，所提供的工藝熱都可以滿足高溫制氫過(guò)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(xué)循環(huán)制氫和高溫電解制氫。

3.2.1 熱化學(xué)循環(huán)制氫

熱化學(xué)循環(huán)制氫是通過(guò)水蒸氣熱裂解的高溫?zé)峄瘜W(xué)循環(huán)過(guò)程來(lái)制備氫氣。這一過(guò)程中主要利用反應(yīng)堆提供的高溫?zé)?，在上百條熱化學(xué)循環(huán)路線中，主要有?I-S?循環(huán)、Cu-Cl?循環(huán)、Ca-Br?循環(huán)、U-C?循環(huán)等可以與四代堆相匹配的技術(shù)路線。

I-S?循環(huán)制氫效率受溫度影響較大，在?900℃?以上效率可超?50%，但隨著溫度降到?800℃?以下，效率急劇下降。同時(shí)也需指出的是，熱化學(xué)循環(huán)是一個(gè)典型的化工過(guò)程，其工藝的規(guī)?；糯筮€存在一定風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，高溫下的強(qiáng)腐蝕性對(duì)材料和設(shè)備也提出了較高的要求，生產(chǎn)廠房的占地面積也較大。因此，熱化學(xué)循環(huán)制氫技術(shù)主要挑戰(zhàn)在于優(yōu)化技術(shù)路線、提高整個(gè)過(guò)程的效率、解決反應(yīng)器腐蝕等問(wèn)題。

目前日本原子能機(jī)構(gòu)完成?I-S?循環(huán)制氫中試，制氫速率達(dá)到?150?L/h；清華大學(xué)建立了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模?I-S?循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（60?L/h），并已實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行。

3.2.2 高溫電解制氫

高溫電解水蒸氣制氫氣（HTSE）以固體氧化物電解池（SOEC）為核心反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)水蒸氣高效分解制備氫氣。由于高溫電解制氫技術(shù)具有高效、清潔、過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外研究者及企業(yè)的重視，已經(jīng)成為與核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源聯(lián)用來(lái)制氫的重要技術(shù)。

因高溫電解制氫技術(shù)可與核能或可再生能源結(jié)合，用于清潔燃料的制備和二氧化碳的轉(zhuǎn)化，在新能源領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。此外，由于可再生能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能等）有很大的波動(dòng)性，并且受地域的限制，在傳輸上遇到很大困擾，而利用高溫電解制氫技術(shù)為可再生能源的能源轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存提供了重要途徑，是未來(lái)新型能源網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的重要組成。

高溫電解制氫技術(shù)主要包括電解質(zhì)與電極材料、電解池、電解堆和系統(tǒng)?4?個(gè)層面。目前高溫電解制氫技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)包括電解池長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的性能衰減問(wèn)題、電解池的高溫連接密封問(wèn)題、輔助系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題、大規(guī)模制氫系統(tǒng)集成問(wèn)題。SOEC?是?HTSE?技術(shù)中的核心反應(yīng)器。電解池（堆）中的電極/電解質(zhì)材料在運(yùn)行中存在著諸多分層、極化、中毒等問(wèn)題，是導(dǎo)致系統(tǒng)衰減的重要原因。因此，需要針對(duì)?SOEC?工藝的特性，重點(diǎn)攻關(guān)電解池材料在高溫和高濕環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題；同時(shí)提升?SOEC?單電池生產(chǎn)裝備的集成化和自動(dòng)化水平，提高單電池良品率和一致性。大力發(fā)展千瓦級(jí)SOEC?制氫模塊的低成本和輕量化設(shè)計(jì)，提高規(guī)?；杉夹g(shù)水平，開發(fā)電解池堆的分級(jí)集成技術(shù)。解決了這些問(wèn)題，就可以使其在經(jīng)濟(jì)上具備一定的競(jìng)爭(zhēng)力，從而更快進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，美國(guó)、德國(guó)、丹麥、韓國(guó)、日本和中國(guó)等國(guó)家都在積極開展相關(guān)方面的研究工作。德國(guó)?Sunfire?公司和美國(guó)波音公司合作，建成了國(guó)際規(guī)模最大的?150?kW?高溫電解制氫示范裝置，其制氫速率達(dá)到?40?Nm3/h。中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所在?2015?年研制?5?kW?高溫電解制氫系統(tǒng)基礎(chǔ)上，以及中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，于?2018?年開展了?20?kW?高溫電解制氫中試裝置的研制，并計(jì)劃于?2021?年建成國(guó)際首個(gè)基于熔鹽堆的核能制氫驗(yàn)證裝置，設(shè)計(jì)制氫速率達(dá)到?50?Nm3/h。

3.3 海水淡化

淡水和能源資源對(duì)于人類社會(huì)生存和發(fā)展至關(guān)重要，是不可或缺的必須條件。海水淡化是獲取淡水資源的一種重要途徑，規(guī)模化的海水淡化需要大量的能量消耗。因此未來(lái)從環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展等角度考慮，基于核能的海水淡化技術(shù)將占有越來(lái)越重要的位置。

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(lái)，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(jí)閃蒸法（MSF）是經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐后認(rèn)為適用于大規(guī)模海水淡化的成熟技術(shù)。上述幾種海水淡化技術(shù)都是利用熱能或者電能來(lái)驅(qū)動(dòng)，因此在技術(shù)上都可以實(shí)現(xiàn)并適用于與核反應(yīng)堆耦合。在核反應(yīng)堆和海水淡化工廠的耦合過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮以下?3?個(gè)問(wèn)題：

如何避免淡化后的水被放射性元素影響

如何避免海水淡化系統(tǒng)給核反應(yīng)堆帶來(lái)額外的影響

如何將兩者的規(guī)模更合理的匹配起來(lái)

過(guò)去十幾年來(lái)，許多國(guó)家對(duì)核能海水淡化的技術(shù)給予越來(lái)越多的關(guān)注，IAEA?也在推進(jìn)核能海水淡化的過(guò)程中起到了重要的組織和協(xié)調(diào)作用。包括中國(guó)在內(nèi)的許多成員國(guó)參加了由?IAEA?組織的國(guó)際合作研究計(jì)劃，提出了各自不同的高安全性核反應(yīng)堆方案以應(yīng)用于海水淡化系統(tǒng)。

目前，我國(guó)已建和在建的海水淡化系統(tǒng)累計(jì)海水淡化能力約為?600?000?噸/天，成本大約為?4—5?元/噸。海水淡化技術(shù)正在逐漸走向成熟，隨著成本的不斷降低，其經(jīng)濟(jì)性也在不斷提升。國(guó)內(nèi)核電站大多建于沿海地區(qū)，為推動(dòng)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(yáng)核電站、徐大堡核電站、田灣核電站，以及未來(lái)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。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(guó)被廣泛推廣和使用。

3.4 核能供熱

我國(guó)?60%?以上的地區(qū)、50%?以上的人口需要冬季供熱。目前的供熱方式主要為集中供熱和分布式供熱；其中，集中供熱主要來(lái)自于燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)或者燃煤鍋爐，每年需要消耗?5?億噸煤炭。為了緩解用煤導(dǎo)致的嚴(yán)重環(huán)境污染和霧霾天氣，我國(guó)部分地區(qū)率先開始“煤改氣”“煤改電”的工程，但這也導(dǎo)致了天然氣資源稀缺、電網(wǎng)負(fù)擔(dān)加重等困難。

核能作為清潔能源，在未來(lái)會(huì)成為重要的供熱資源。核能供熱的一大優(yōu)勢(shì)就是低碳、清潔、規(guī)?；Ｒ砸蛔?400?MW?的供熱堆為例，每年可替代?32?萬(wàn)噸燃煤或?1.6?億立方米燃?xì)?，與燃煤供熱相比，可減少排放二氧化碳?64?萬(wàn)噸、二氧化硫?5?000?噸、氮氧化物?1?600?噸、煙塵顆粒物?5?000?噸。

目前核能供熱主要有兩種方式：低溫核供熱和核熱電聯(lián)產(chǎn)。20?世紀(jì)?80?年代，瑞典的核動(dòng)力反應(yīng)堆?Agesta?已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)供熱，是世界上第一個(gè)民用核能供熱核電站的示范。此后，俄羅斯、保加利亞、瑞士等國(guó)也開始研發(fā)、建造核能供熱系統(tǒng)。我國(guó)于?20?世紀(jì)?80?年代也開始了核能供熱反應(yīng)堆的研發(fā)；1983?年，清華大學(xué)在池式研究堆上實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次核能低溫供熱實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，在低溫核供熱技術(shù)層面已經(jīng)逐漸形成了池式供熱堆和殼式供熱堆兩種主流類型。池式供熱堆以游泳池實(shí)驗(yàn)堆為原型，殼式供熱堆由目前主流壓水堆核電站技術(shù)演進(jìn)而來(lái)。核熱電聯(lián)產(chǎn)的最大優(yōu)勢(shì)是節(jié)能，實(shí)現(xiàn)了能源資源的優(yōu)化配置，熱電聯(lián)產(chǎn)的綜合能源利用率可以達(dá)到?80%，具有較高的綜合能源利用率；其缺點(diǎn)是熱電不能同時(shí)兼顧，因此需要同核供熱協(xié)同形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

近年，核能供熱產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)獲得極大的關(guān)注。2017?年，由國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局、環(huán)保部等十部門共同制定的《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017—2021?年）》就明確提出，研究探索核能供熱，推動(dòng)現(xiàn)役核電機(jī)組向周邊供熱，安全發(fā)展供暖示范。中核集團(tuán)推出了“燕龍”泳池式低溫供熱堆，中廣核集團(tuán)和清華大學(xué)推出了殼式低溫供熱堆，國(guó)家電投提出了微壓供熱堆，上述核能供熱試點(diǎn)目前已經(jīng)在黑龍江、吉林、遼寧、河北、山東、寧夏、青海等多個(gè)省區(qū)開展了相關(guān)廠址普選和產(chǎn)業(yè)推廣工作。

核能供熱戰(zhàn)略布局可以有效解決我國(guó)北方多地的缺熱情況。另外，引入大溫差長(zhǎng)途輸熱技術(shù)后，我國(guó)核能供熱將不再受困于遠(yuǎn)距離輸熱的限制，核反應(yīng)堆因此可以安置在核安全距離以外，并為城市提供安全、穩(wěn)定的熱能。

3.5 核能高溫工藝熱利用

合成氨、煤氣化和甲烷蒸氣重整等化工過(guò)程都需要?700℃??以上的高溫?zé)?，這些傳統(tǒng)化工行業(yè)的能耗巨大，而對(duì)于合成氨、煤液化以及石油裂解產(chǎn)物（如乙烯）的需求正在逐漸增長(zhǎng)。面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)苛的碳排放要求以及傳統(tǒng)能源資源的日益匱乏，探索新的工業(yè)能源供給和耦合十分重要。如果能夠直接利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的高溫?zé)幔梢詫?shí)現(xiàn)節(jié)能?30%?左右，在降低能源消耗總量的同時(shí)，提高了核能的經(jīng)濟(jì)性。

以熔鹽堆為代表的第四代核反應(yīng)堆，其出口溫度可以達(dá)到?700℃?以上。未來(lái)可使用反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱可直接作為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的熱源，用于天然氣的蒸汽重整、煤的氣化和液化、合成氨、乙烯生產(chǎn)等高耗能領(lǐng)域，而節(jié)約下來(lái)的化石燃料可以用作化工原料。

高溫工藝熱利用面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是安全防護(hù)及管理和許可問(wèn)題，需要消除管理者和公眾對(duì)于核能和化工耦合利用的擔(dān)憂；同時(shí)，對(duì)于不同類型的工藝熱利用，需要執(zhí)行新的管理規(guī)定，申請(qǐng)新的許可。

2019年5月在日本召開的第27屆國(guó)際核工程大會(huì)（ICONE27）核能-可再生能源復(fù)合能源系統(tǒng)分會(huì)上，與會(huì)科學(xué)家提出基于先進(jìn)核能系統(tǒng)，結(jié)合核能綜合利用技術(shù)，打通核能和可再生能源的壁壘，構(gòu)建面向未來(lái)的多能融合新能源體系。

面對(duì)未來(lái)的能源低碳化需求，核能和可再生能源是實(shí)現(xiàn)零碳排放的重要途徑。可再生能源具有資源豐富、清潔、可再生等優(yōu)點(diǎn)，但是可再生能源的波動(dòng)性或間歇性導(dǎo)致其與目前的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施缺乏良好的兼容性，大規(guī)模使用時(shí)，需要提供穩(wěn)定的基荷能源調(diào)控電力輸出。核能由于其可持續(xù)、高效、可靠，是唯一能夠提供可調(diào)度基荷電力的清潔能源。因而構(gòu)建核能-可再生能源融合的復(fù)合能源系統(tǒng)（HES）是實(shí)現(xiàn)能源低碳清潔高效利用的重要解決方案。

對(duì)于第四代核能系統(tǒng)，可以通過(guò)熔鹽傳蓄熱和高溫制氫技術(shù)，將核能和可再生能源的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮，協(xié)同利用。因此，需要從經(jīng)濟(jì)和能源安全的角度來(lái)評(píng)估各種清潔能源在全國(guó)乃至全球能源體系中的份額，制定合理的技術(shù)路線，開展多能融合的核能-可再生能源復(fù)合能源系統(tǒng)示范，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。解決并克服這兩種技術(shù)耦合使用時(shí)的問(wèn)題，對(duì)于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步具有重要意義，也是目前核能綜合利用發(fā)展的重要趨勢(shì)。

當(dāng)前，以華龍一號(hào)、AP1000、EPR?等為代表的第三代核能系統(tǒng)已經(jīng)開始大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，可滿足當(dāng)前和今后一段時(shí)期核電發(fā)展的基本需要。建議加快以熔鹽堆為代表的第四代核能系統(tǒng)及相關(guān)的核能制氫、高溫?zé)崂玫染C合利用技術(shù)研發(fā)，充分調(diào)動(dòng)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的優(yōu)勢(shì)力量，加大政策支持和投入保障力度，將相關(guān)任務(wù)列入國(guó)家科技重大專項(xiàng)，落實(shí)并建設(shè)核能制氫、核能供熱等綜合利用示范項(xiàng)目的建設(shè)。

（文章源自：王建強(qiáng), 戴志敏, 徐洪杰. 核能綜合利用研究現(xiàn)狀與展望. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 2019, 34(4): 460-468.）