核能在海水淡化中的应用

核能在海水淡化中的应用

赵河立　初喜章　阮国岭

(国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所,天津300192)

摘要:文章介绍了采用核动力的海水淡化技术概念及核能与海水淡化的结合方式,分析了各种结合方式的优缺点,指出采用核能进行大规模海水淡化将成为今后沿海地区解决淡水资源短缺的主要方式之一。

关键词:核能;海水淡化;核电站;低温核反应堆

中图分类号:P747+115 文献标识码:A 文章编号:100322029(2002)0420017205

1　概述

我国水资源总量居世界第6位,但人均水资源占有量列世界第108位,仅为世界人均水资源占有量的1 4,是世界21个严重缺水国之一。我国沿海地区经济发达,人口众多,对水资源的需求量大,而沿海城市人均水资源量大部分低于500m3,水资源严重匮乏。为了解决我国沿海城市的水资源问题,除了采取节水、蓄水、调水外,海水淡化将成为解决沿海城市淡水资源短缺的重要途径。

大规模的海水淡化装置将需要大量的廉价能源,在众多的能源解决方案中,核能是理想的能源之一。核能是一种高效、清洁、安全的能源,代表着未来能源技术的发展方向,随着技术的不断进步,核能的成本可不断降低。利用核能进行海水淡化将一举多得;首先核能可为海水淡化提供大量的廉价能源,可降低海水淡化的成本;其次利用核能可缓解能源供求矛盾,优化能源结构;同时利用核能可解决大量燃烧化石燃料造成的环境污染问题[1]。

2　核能技术的现状

211　核电站

核电站是利用原子核裂变发出的巨大能量,把水加热成蒸汽,再利用汽轮机进行发电的电站。核电站的不同类型主要体现在核反应堆上,通常根据反

收稿日期:2002209214应堆上用来降低中子速度的慢化剂对反应堆进行分类。使用普通水作为慢化剂的反应堆叫做轻水堆;使用重水作为慢化剂的反应堆叫做重水堆;使用石墨作为慢化剂的反应堆叫做石墨堆。对于轻水堆来说,水在反应堆内呈沸腾状态的叫做沸水堆;加以高压,使高温水保持液态的叫做压水堆。作为电力家族的重要一员,核电站经过40余年的发展,已经形成多种类型并存的格局。目前世界上正在运行的核电机组中,56%以上是压水堆,21%是沸水堆,7%是重水堆。早期建造的石墨堆,今后将陆续退役。我国正在运行和正在建造的核电机组中,主要是压水堆。

截止2000年,全世界有433座核电站在运行,总装机容量为3148亿k W(电功率),核电占全球电力生产量的1611%,是世界能源结构的重要组成部分之一。

全世界共有17个国家的核电在国家电力生产中的比例超过25%,按照正在运行的核电机组数目来排列是,美国(104)、法国(59)、日本(53)、英国(35)、俄国(29)、德国(19)、韩国(16)、加拿大(14)、乌克兰(14)、印度(11)、瑞典(11)。我国(不包括台湾在内)有3座核电机组在运行,核电占全国电力生产总量的1115%。我国台湾还有6座核电机组在运行,核电占台湾电力生产总量的25%[2]。

据经济合作与发展组织(O ECD)预测,到2020年,全球电力总装机容量将需要增加一倍。火电站燃烧煤、石油、天然气等化石燃料向大气排放二氧化碳引起全球气候变暖造成的重大环境后果已经成为国际社会关注的首要问题;水电的开发受到地域、移民等许多限制;太阳能和风能很难满足作为电力基荷

第21卷　第4期2002年12月

海　洋　技　术

OCEAN T ECHNOLO GY

V o l121,N o14

D ec,2002

的要求。因此,世界能源组织(W EC)的最新报告结论是:“核能是唯一可替代燃碳(煤、石油、天然气)能源,并可满足作为电力基荷要求的能源。它拥有多样化资源,快堆的使用可使铀资源的利用扩大100倍,核聚变的利用将拥有取之不尽的资源”。

212　低温核反应堆

核反应堆是利用原子受控裂变的原理提供能源和动力的技术,按照核反应堆的压力可分为高温(高压)核反应堆和低温核反应堆,前者主要用于核电站的建设,后者主要用于供热工程。

核电站采用了较高的操作压力和温度,反应堆的投资十分昂贵,对系统安全性和操作水平的要求也很高。低温核反应堆的温度较低,系统安全保障方

。

我国对低温核反应堆技术进行了多年的研究,并形成了两种不同的技术:壳式核反应堆和池式核反应堆。

21211　壳式堆

壳式堆是在核电站用反应堆的基础上升级改造而成,它的主要特点是将反应堆的堆芯放在一个带壳的钢混容器中,利用堆壳的密封压力提高反应堆的工作温度,使它能够输出适当温度的热能。

反应堆的主换热器布置在压力壳内,系统压力由壳内上部气和汽空间维持。主回路系统没有主循环泵,冷却剂依靠壳内热区和冷区的密度差,形成自然循环。钢制安全壳“紧贴”压力壳(两壳间的间隙较小),且能承受较高的压力,安全壳的外边为主生物屏蔽层。

反应堆堆芯放置在压力壳内下部,为了增强自然循环的驱动力,在堆芯上部设有较长的水力提升段(或称烟囱),主回路冷却剂对堆芯吸收核裂变产生的热量后,经水力提升段进入主换热器,将所载带的热量传给中间回路,然后,再返回堆芯。中间回路水在蒸汽发生器中将热量传给蒸汽供应回路以产生蒸汽,通过蒸汽发生器产生的蒸汽提供给用户,蒸汽冷凝水作为给水再返回蒸汽发生器。因此主输热系统由三重回路构成,且中间回路的压力高于主回路压力,这种实体隔离与压力屏障可防止放射源的水泄漏到中间回路,从而保证了蒸汽供应回路不被放射源污染[3]。

21212　池式堆

池式堆的主要特点是将反应堆的堆芯放在深水池中,利用水的静压提高反应堆的工作温度,使它能够在常压之下,输出适当温度的热能。

池式核反应堆的主体为反应堆水池,反应堆水池为圆柱形,由钢筋混凝土制成。内表面为不锈钢衬里,外表面有碳钢制的防渗外壳。水池顶部有不密封的顶盖,池水表面为大气压。

堆芯进口水温约为70℃,进入堆芯后受热,水温升至约100℃,从堆芯上部流出,进入放射性衰减筒,然后流出水池,经过热交换器及循环泵后,再返回水池。当水泵故障时,依靠温差形成的密度差来驱动池水继续流动,保持堆芯剩余功率的冷却。

堆芯冷却循环水通过热交换器将热量转传递给中间回路,中间回路再传递给供热管网中的循环水。中间回路水的压力高于池水压力,即使热交换器出现泄漏,中间回路水可能漏入池水,而带有放射性的池水不会进入中间回路。热交换器和循环水泵是多台并联,分别形成环路。当出现故障时,可单独对任何一间泵房进行检修,而不致中断供热或供汽。

3　核能与海水淡化的耦合方式

目前已商业化的海水淡化方法主要有蒸馏法与反渗透法,蒸馏法又分为多级闪蒸、多效蒸馏、压汽蒸馏等几种方法,这几种方法都能与核能进行耦合,下面分别对核电站及低温核反应堆与海水淡化的耦合方式进行简述。

311　核电站与海水淡化工程的耦合方式

核电站与海水淡化厂的耦合方式比较灵活。核电站可以为海水淡化工程提供淡化需要的廉价能源,如蒸汽与电力;另外,海水淡化装置可以使用核电站的海水取水、排水设施及其他公用设施,从而降低海水淡化厂的工程造价。基于上述优点,全世界现有13座核电站和海水淡化装置联合建设,而且有逐渐增加的趋势。

蒸馏法中的多级闪蒸与低温多效蒸馏都可以与核电站耦合。不同之处在于多级闪蒸需要110℃左右的饱和蒸汽,而低温多效蒸馏可以使用70℃左右的饱和蒸汽。从发电角度来看,多级闪蒸需要的蒸汽品位较高,乏汽的成本要高;从动力消耗来看,多级闪蒸的动力消耗大,耗费的电力多;从设备的制造成本来看,多级闪蒸的传热系数较小,同样传热量所需的传热面积较大从而制造成本较高[4];因此,相比较

81 海　洋　技　术 第21卷