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海上核能发电—值得拥有的“充电宝”!

2018-12-12 17:07admin中国电力时空网

据俄罗斯原子能集团下属电力公司新闻处表示,世界首个漂浮式核能热电站俄“罗蒙诺索夫院士”号浮动核电机组定于2017年上半年启动,该漂浮式核能热电站将在俄楚科奇自治区投入运行。

海上核能发电—值得拥有的“充电宝”!

该漂浮式核能热电站将帮助取代2019年前退役的楚科奇地区的比利比诺核电站和洽翁热电站,这对于稳定保障该地区的能源安全具有重要意义。

主管国防装备的俄罗斯副总理罗戈津早在2015年参观波罗的海造船厂视察“罗蒙诺索夫院士”号建造进度时就曾兴奋地表示:

"我们很快就要建成漂浮核电站了,我认为我们不会转让技术,但我们可以出口成品。因此考虑到我们的需求和可能的订单,15个这样独一无二的产品在未来10至15年可能很有市场。

海上核能发电—值得拥有的“充电宝”!

罗戈津还暗示,中国可能对漂浮式核能热电站很感兴趣。

而据国内媒体报道:

中国船舶重工集团公司也计划建造20台浮动核电站。许多专家认为,浮动核电站的出现,将大大提升中国在南海争议地区的实力。

海上核能发电—值得拥有的“充电宝”!

海上核电站可根据不同地区以及环境的差异提供不同等级的电力支持,而核电站所用的反应堆性能可靠,其中最小的一种也就价值2000万美金。

这种反应堆每12年才需更换一次核燃料,使用寿命为50年,符合国际原子能机构不扩散条约的要求。而较大的KLT-40C反应堆(功率70 MW)可满足5万人的电力需求。

海上核能发电—值得拥有的“充电宝”!

种种迹象表明,海上核能发电,已然成为未来各国竞相发展的重要领域。

(一)美国最先发明海上移动核电站

作为美国军事核能计划的一部分,美国于1963年开始建造世界上第一座漂浮核电站,命名为“斯特吉斯”号。

“斯特吉斯”号漂浮核电站的电功率为10兆瓦,其核心是美国马丁·马丽艾塔公司为美国军方设计了MH-1A核电装置,主要用途是为边远地区和特殊地区提供电力和热源。

1968至1975年间,由于越南战争爆发和苏伊士运河关闭的缘故,美国通过限制水力发电量来提高巴拿马运河的航运能力,从而导致该地区电力供应不足。

这个期间,“斯特吉斯”号漂浮核电站便被派往巴拿马运河地区服役,为当地提供电力。1976年,由于美国军事核能计划的停止和高昂的运行费用等缘故,“斯特吉斯”号宣布退役。此后,美国再无建造漂浮核电站的计划。

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美国控制的巴拿马运河

而在1969年,美国西屋电气公司就曾设想过在水上建造民用核电站,而且在佛罗里达杰克逊维尔港口还建造了停靠码头,那里浮动核电站可以起航沿着美国东部大西洋沿岸地区漂浮,而且可以很方便的向沿岸的城镇输送所需的电力。

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西屋公司还专门成立一家名为“离岸能源系统”的子公司,负责漂浮核电站的设计和建造,并计划于1980年左右建成8座漂浮核电站。但后来,伴随着1973年的欧佩克石油禁运而来的能源保护政策扼杀了这项计划。

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1974年,美国原子能委员会提出了发电容量为3000干瓦的海底发电厂的设计方案。这座海底发电厂包括反应堆、发电机、主管道、废热交换器、沉箱等五大部分。它采用的是一种安全性非常好的铀氢化锆反应堆。

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这种反应堆的特殊之处就在于它的发电能力在极短的时间内能由零迅速上升到几百万千瓦,以后又自动迅速地降落下来。所以,人们将这种反应堆叫做脉冲反应堆。意思是说,它像那汽车转弯的指示灯,一闪一闪地变化很快。

别看脉冲反应堆这么一升一降,可它的发电能力大为提高。就以这座发电厂来说,它在稳定时的发电能力虽然只有3000千瓦,可是其脉冲发电能力最高可达600万千瓦,是原来的2000倍。核反应堆用的冷却剂,是取用方便的海水。整个核电厂在海底安全运行四年后,浮出水面,进行换料检修,然后再沉入海底继续使用。

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福岛核电站泄漏事故后,为了应对海啸带来的种种问题,由麻省理工学院科研团队与来自威斯康星州立大学和芝加哥桥梁和钢铁公司的研究人员一起,开发了一款新的海上浮动式核电站(OFNP)。

该核电站安装在一个浮动式甲板上,类似于石油工业的海上平台,采用圆柱形平台能够规避海底地震,海啸,波浪和风的载荷影响能更好地保护反应堆,加强了对飞机撞击和船舶碰撞的防护。

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该核电站虽然目前仅处于概念研发阶段,但是也较好地展示了海上移动核电站的几大优点:

1、无须有选址烦恼

当前,找到合适的核电站建筑地址越来越困难并且造价昂贵。核电站通常毗邻海洋,湖泊,河流或需提供冷却水,而沿海地价又都非常高。相比之下,浮动核电站可以靠近海洋,又不靠近人口服务中心,不必受地址限制。

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2、退役无后顾之忧

在浮动核电站的最后使用周期,其“退役”可以通过简单地拖离中央设备,正如目前海军的航母和潜艇的核反应堆一样,这可以使其迅速恢复到原始使用条件。

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3、大大减少投入成本

通常来说建造新核电站都不经济,而船厂施工允许海上电站的施工能更好的标准化和模块化,而几乎不采用混凝土施工也大大减少了施工周期和成本投入。

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此外,据麻省理工大学科研团队表示,在水深100米处,他们的概念设计不会受到地震的影响,也较易经受海啸在离岸10公里处引起的浪涌。它可以设置于接近电力需求的中心,而无需使用宝贵的土地资源,只要该区域没有航道且不会经常遭受严重风暴的袭击。

(二)法国的海上核电站标新立异

和其他国家设计的海上漂浮核电站不同,法国的设计显示了其浪漫和天马行空的民族特色,是下沉式的核电站Flexblue。

Flexblue是一款下潜式,柱状,全模块化和可运输的海上核电站。其运行不受海啸,地震和恶劣天气的影响。隐蔽在海底,更高效的防护飞机撞击和船舶碰撞。

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海底核电厂采用核潜艇技术,每艘“潜艇”可提供50兆瓦至250兆瓦电力,比陆地核发电厂的1650兆瓦电力低许多。核电厂造价估计介于1亿欧元至10亿欧元之间。它不能充作军事用途,而且遭受恐怖袭击及发生核灾难的可能性较低。

Flexblue核发电厂是一个胶囊状的设施,长100米,直径为12至15米,重1万2000吨。研建成功后计划将该设施安置在水面下100米的海床上。

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法国国防部和海军舰船建造机构(DCNS)表示,此类称为Flexblue的海底核电厂,能为有10万人的大城市,或有100万人的发展中国家城市供应电能。

一旦该设施受到攻击,Flexblue还可启动安全机制,让核反应堆隔层注水,避免发生爆炸。在理论上,类似1986年乌克兰切尔诺贝尔核电厂泄漏事故的灾难不会发生,不过这需要在未来研究中证实。

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1986年乌克兰切尔诺贝尔核电厂泄漏事故

然而,法国反核组织Sortir du Nucleaire将该计划称之为“荒谬”之举。该组织代表说,辐射在水中的扩散速度比在空气中更快,而且控制泄露的方法更少。

(三)英国也较早提出过海底核电站设想

英国研究海底核电厂也较早,是在70年代初期“石油危机”后开始研制试验的。

1978年,为了开采海底石油,英国几家公司联合提出了海底核电厂的设计方案。 英国的方案与美国的海底核电厂的主要区别是,装置了两座反应堆舱。这样,在一座反应堆停堆换料或检修时,另一堆可照常供电,保证采油平台连续用电的需要。

反应堆安置在长60米、直径为10米的耐压舱内,而耐压舱可在500米深的海底长期稳定工作。 耐压舱的外壳是用双层5至7厘米厚的钢板制成的,中间灌注混凝土,其厚度为0.5至1.5米并随水深而增大。汽轮发电机共装备了3台,也分别密封在耐压舱内,以确保电气供应的需要。

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英国是发展、使用核电较早的国家,1956年就已开始使用。1962年至1971年建成了一批Magnox气冷核反应堆。Magnox是一种以镁为主,掺有少量铝、铍、钴的非氧化性合金,得名于非氧化镁,在气冷核反应堆中用来包括铀。

Magnox有两大缺陷,这种材料限制了最高温度,影响了电站热效率;而且会与水反应,因此不能在水中长期贮存乏燃料。 因此,英国1976年至1988年又新建了7座先进气冷核反应堆,以取代Magnox反应堆。

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但先进气冷核反应堆计划将在2019至2023年间退役,届时将造成巨大的用电缺口。因此,英国新建核电站势在必行。届时,海底核电站计划或将再次浮出水面。

(四)韩国的海上核电站—漂浮在海上的混凝土构件

韩国的海上核电站设想采用混凝土重力基础结构作容器和支持结构,其现场工厂设施充分采用模块化设计。

当GBS(混凝土重力基础结构)和发电设施部件完成后,GBS模块下水,被拖往安装点。随后通过压舱系统将该模块置放于海床,最后GBS模块通过钢栓、紧缩钢缆和粘结剂等紧密地固定在一起。

从这一点来说,GBS模块充当一个固定结构,以减少管道和缆绳的事故风险,该海上核电站集成了KAIST自主开发的小型模块化反应堆SMART,该堆型热功率330MWt,电功率90-100MWe,具备40000吨/天的海水除盐能力。

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作为一个土地面积有限的半岛国家,韩国的自然资源相对稀缺,97%的能源靠进口。世界核协会的资料指出,1990~2006年,韩国的电力需求每年增速超过9%,之后才下降到2.8%以下;2011年,韩国为进口能源支出了1700亿美元,占该国进口额的1/3。

2012年,韩国的人均电力消耗为9600千瓦时/年,是1980年的11倍还多。为了满足随高速发展而激增的用电需求,押宝核电是早期就确定的能源政策。因此,韩国的核电之路走得非常积极。

2014年,韩国的核电站贡献了149太瓦时(1太瓦时=1000吉瓦时=10亿千瓦时)的电力,紧随美、法、俄3国之后,核电比重高达30.4%。

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截至2015年7月,韩国的7座核电站中共有23台现役核电机组,居全球第五位,装机容量21677兆瓦,约占韩国总装机容量的1/4。

据韩国电力公社(KEPCO)官网介绍,从2001年起,韩国核电技术的自主化率达到了95%以上。

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这样一个重视核能的国家,相信其海上核电站计划很快将上马实现。

(五)全球首座海上浮动核电站

2016年7月,世界上首座海上浮动核电站,俄罗斯“罗蒙诺索夫院士”号进入下海测试阶段,并将于2017年上半年完成测试后正式投入使用。

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“罗蒙诺索夫院士”号长140米,宽30米,高10米,排水量21500吨,能配备70名左右船员。在这座“全球最强移动电源”上,装备的两座KLT- 40型核反应堆,可输出70兆瓦电功率或300兆瓦热功率,供20万人使用。船上的海水淡化设备则可为居民提供每天24万立方米的淡水。

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除了为俄罗斯在西伯利亚北部的堪察加半岛威尔尤欣斯基镇提供稳定的清洁电力和饮用水之外,“罗蒙诺索夫院士”号还将为海上石油平台供应电力。

根据计划,俄罗斯将打造一支海上浮动核电站船队,为大型工业项目、港口城市、海上油气钻探平台提供能源。

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“罗蒙诺索夫院士”号安全标准不亚于陆地上的核电站,有多重措施防止核泄漏,能在海啸等其他自然灾害情况下,保证反应堆的安全,寿命可达35-40年。

实际上,海上浮动核电站一般采用小型核反应堆,安全性高。 并且,浮动反应堆往往和陆地保持一定距离,即使发生地震,地震波也不会被海水传递,从而受地震、海啸影响不大。

海上核能发电—值得拥有的“充电宝”!

美国最早提出海上核电站设想,俄罗斯却能率先将图纸变成现实,这得益于其在建设核能破冰船方面的领先技术。俄罗斯目前是世界上唯一拥有核能破冰船和船队的国家,因此一直保持着技术垄断。

可以说,每艘核能破冰船都是一个小型核电站,可以承担向城市和工厂输电的任务。

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1959年,前苏联成功建成世界上第一艘民用水面核动力舰艇“列宁”号,作为北边海域的破冰船和货运船使用。“列宁”号拥有3台OK-150核反应堆,总长134米,宽16.1米,排水量1.6万吨。

此后,从1959-2007年间,前苏联和俄罗斯先后建造了10艘民用水面核动力舰艇,其中9台为破冰船,一台为货运船兼破冰船。2012年8月,俄罗斯国家原子能公司又签下了建造世界上最大的核动力破冰船的订单。

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而俄罗斯的漂浮核电站计划是从上世纪90年代开始。当时,俄罗斯远东和西伯利亚地区出现了能源危机,俄罗斯联邦政府发文征集远东和西伯利亚地区能源危机的解决方案。

1993年,俄罗斯原子能委员会的专家们向联邦政府提交了将核反应堆安装在船上运往远东和西伯利亚地区的解决方案。这一建议得到了联邦政府的支持,经过多次讨论之后,联邦政府决定建造两艘漂浮核电站,用于远东和西伯利亚地区的能源供给以及北极地区石油勘探。

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2000年,俄罗斯国家原子能公司选择阿尔汉格尔斯克地区的谢夫马什造船厂作为俄罗斯第一艘漂浮核电站“罗蒙诺索夫院士”号的建造方。“罗蒙诺索夫院士”号漂浮核电站总投资约10亿卢布(约3.4亿美元),计划于2016年建成。

2007年,漂浮核电站建造计划开始启动,但由于成本上升以及谢夫马什造船厂周围河水泛滥等缘故,建设工作不久便停止。2010年1月,“罗蒙诺索夫院士”号的建设在圣彼得堡波罗的海造船厂重新开始。

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“罗蒙诺索夫院士”号的最核心部件—“核反应堆”,采用的是已成功应用于多艘核动力破冰船的KLT-40核反应堆。KLT-40核反应堆属于压水堆技术,采用了高富集度核燃料(富集度在30%以上),热功率范围在135-171兆瓦。

此次应用于“罗蒙诺索夫院士”号漂浮核电站的KLT-40核反应堆,将改为使用低富集度的核燃料,以满足国际原子能机构的核燃料管理条例。

按照设计方案,“罗蒙诺索夫院士”号漂浮核电站将拥有2台KLT-40核反应堆,电功率为70兆瓦,可以满足20万人口的用电需求,同时也可以改造为每天生产24万立方米淡水的海水淡化装置。

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俄罗斯计划在近10年内建设20座浮动核电站,部署在靠近北冰洋的地区和远东地区,以解决当地的电力供应问题。此外,俄罗斯还雄心勃勃要开启海上漂浮核电站的国际市场。

据掌握,印度尼西亚和马来西亚等亚太国家都对浮动核电站充满兴趣。俄罗斯在推销浮动核电站时主要突出了它的两大特点:

1、机动性强

“浮动核电站”犹如一个巨大的、游动的蓄电池。按照设计规划,当地面需要电力时,浮动核电站可以停靠在码头,与陆上的高压电网连接,实现电力传输。

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2、造价低

浮动核电站的造价约1.2亿至1.8亿美元,仅为在陆地建设核电站费用的1/10。投入运营后,每年可以节省20万吨煤和10万吨取暖燃油。此外,淡化海水是浮动核电站的一大卖点,出口型的核电站将集发电、供暖和淡化海水等功能于一身。

按照设计,核电站每天可以淡化20万至40万立方米海水。对淡水紧张的国家来说,这是个不小的诱惑。所以说,浮动核电站的推广和应用蕴藏着极其丰厚的经济利益。如果投入商业化运营,凭借着对技术的垄断,俄罗斯将坐收源源不断的红利。

(六)中国的海上核电之路

作为拥有18000多公里海岸线和300万平方公里管辖海域的“蓝色大国”,中国对于海洋经济的开发和基础设施的建设一直在紧锣密鼓地布局。尤其是近年来南海一直成为美盟向我进行战略施压的命门,开发和建设南海迫在眉睫,海上核电正是开发建设海洋的推进剂。

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中国核工业集团公司(下称:中核集团)和中国广核集团(下称:中广核)是国内最早出拳海上小型反应堆的先行者,其各自的ACP100S和ACPR50S项目都被发改委纳入能源科技创新“十三五”规划。

它们都是中国自主研发、自主设计的海上小型反应堆技术,能为海上油气田开采、海岛开发等领域的供电、供热和海水淡化提供可靠、稳定的电力。

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2016年11月4日,中广核与东方电气股份有限公司签署《“中广核ACPR50S实验堆平台项目”压力容器采购协议》。这意味着其海上小型堆ACPR50S建设正式启动,中国海上核电站建设进入新时代。而中核将于2016年底启动示范堆建设,2019年建成运行。

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ACPR50S是中广核自主研发、自主设计的海上小型堆技术,单堆热功率为20万千瓦,相当于沿海百万千瓦核电大机组的1/5。

ACPR50S海上小型堆的特点是模块化设计、紧凑型布置,能实现在易于安装、运行和检修的同时,消除大破口事故的发生。

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而作为海上核反应堆的载体和平台,中国首艘海洋核动力平台于2016年内在中船重工集团旗下渤船重工进行总装建造,而中船重工未来将批量建造近20座海洋核动力平台。

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中国的海洋核动力平台是海上移动式小型核电站,是小型核反应堆与船舶工程的有机结合,可为海洋石油开采和偏远岛屿提供安全、有效的能源供给,也可用于大功率船舶和海水淡化领域。

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海洋核动力平台实现批量建设后,预计每座海洋核动力平台的投资约为20亿元。20座海洋核动力平台总造价大约为400亿元,比打造一个航母舰队造价便宜。

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有评论称:

如果中国每座南海岛礁搭配海洋核动力平台,就相当于是一座核动力航母,西沙永兴岛、南沙永暑礁就是两座搭载作战飞机和导弹系统的海上航母。其在军事上的优势远远大于美国远途而来的航母舰队。

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俄罗斯专家则认为:

如果在建有飞机跑道和雷达站的南沙人工岛上出现这些浮动站,将大大提升中国军队作战指挥和潜艇监控方面的能力。

中俄在海上核电站领域的合作也值得期待。2014年5月份,在俄罗斯总统普京访华期间,中俄两国签署了《全面核电合作谅解备忘录》,决定合作建造漂浮核电站。如果中俄能够合作建造漂浮核电站,将有助于我国掌握水面核动力装置的设计和建造技术,从而进一步推动我国漂浮核电站的发展。

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(七)关于海上核电站的几点担忧

1、一旦发生核污染将迅速扩散

国际环保组织担心浮动核电站可能给地球带来的毁灭性灾难。漂浮在水面的核电站是超级危险的核污染源。虽然核反应堆本身可确保安全,但一旦核电站与轮船相撞或承载核反应堆的驳船发生事故,其后果都将是全球性的,全球生态系统将遭到灾难性的打击。而鱼类和海洋动物的洄游将进一步扩大污染,直至抵达地球的每一片水域。

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2、担心配套安保设施更加复杂昂贵

孤零零漂浮在水面的核设施极易成为恐怖分子的袭击目标,若要保证其安全,需要配备防空和防水下破坏的安保设施。但并不是所有的潜在买家都愿意支付配套安全设施高昂的成本。

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3、质疑其经济性

在经济性上,有学者认为采用海上核能发电的成本目前尚无定论,均在科学研发阶段,如果能够将成本控制在低于传统的原油或伴生气发电价格,则经济性可以接受,反之不可。

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2010-2040年世界各地区核电净发电量

新生事物的发展总是伴随质疑与担忧,海上核电站的未来是阳光明媚还是阴云笼罩,自会有实践和时间检验!

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