核能与炼化“跨界合作”，除了发电，核能还能做什么？

本文转自：人民网-科普中国

2024年6月19日，我国首个工业用途核能供汽项目——“和气一号”项目在位于江苏连云港的田湾核电基地建成投产。项目建成了20余公里长的蒸汽管网，提供温度超过248℃、压力达1.8MPa的过热蒸汽，每年可为连云港石化基地提供480万吨工业蒸汽，相当于每年减少燃烧标准煤约40万吨。这标志我国核能综合利用从单一发电、满足城市居民供暖，拓展进入工业供汽领域。

2024年3月，我国首个以供汽供热为主要目的的核动力厂——江苏徐圩核能供热厂一期工程的环境影响报告书（选址阶段）获原则通过。徐圩核能供热厂一期工程位于江苏省连云港市徐圩新区西陬山，拟建设2台华龙一号压水堆机组、1台HTR-PM600S高温气冷堆机组及配套设施，将为石化基地提供更高质量的工业蒸汽。

供汽，为什么选择核能？

1、高质量蒸汽——炼化工艺的重要帮手

石油是现代社会最为重要的化石资源，被誉为“工业的血液”。在炼化厂里，原油经过一系列的物理和化学过程，转化为石油产品（汽油、煤油、柴油等）和基础化工原料（烯烃、芳烃）。而在这一系列的工艺过程中，水蒸气是重要的帮手。

热能供应：比如，原油炼化的第一道工序——常压/减压蒸馏，简单来就是将原油加热到沸腾，再根据沸点的不同分离出不同的馏分。此外，炼化过程的很多化学反应也需要高温环境。在这些过程中水蒸气通过加热套或内置热交换元件，为反应器、蒸馏塔提供热量。

动力供应：具有一定压力的水蒸气也是很好的动力源，它可以驱动汽轮机组发电，作为炼化厂的电力供应，也可以驱动其他大型转动设备，例如压缩机等。

化学原料：高温水蒸气在炼化过程中重要的化工原料，例如在750℃以上的高温的水蒸气的条件下，烃类物质可以发生分子断裂和脱氢反应，产生乙烯、丙烯等低分子烯烃。水蒸气也被用来驱动重整反应器，将天然气等碳氢化合物转化为合成气或氢气。

其他：在以上几种应用方式之外，水蒸气还可以被用作稀释剂、清洁剂，在消防安全场景中也有重要作用。

由此可见，石油化工的过程中，高温高压的水蒸气是必不可少的部分。按照压力需求，炼化厂用蒸汽一般可分为超高压（10MPa、520℃）、中压（4.2MPa、400℃）和低压（1MPa）三种，适用于发电、动力、供热等场景。以一个1600万吨/年炼油、150万吨/乙烯、200万吨/年芳烃项目为例，项目用电负荷700MW、超高压和高压蒸汽需求量合计1200t/h、全厂燃料气消耗合计220万吨/年。

这样的炼化厂往往需要配备一套燃煤锅炉，用于供应电力和蒸汽，但在双碳目标的要求下，碳排放较高的传统燃煤锅炉逐渐被叫停，探索蒸汽供应的低碳新途径成为迫切需求。

2、核能供汽——高质量蒸汽供应的新选择

核能是一种清洁高效的能源形式，被广泛用作动力装置和发电装置。长期以来，核能发电是核反应堆的主要民用形式，截至2023年底，我国在运核电机组55台，装机容量5703万千瓦，累计发电量占比达到4.86%，并继续迅速增长。随着技术和市场的不断成熟，我国核能的综合利用正在从单一发电、满足城市供暖，拓展到工业供汽领域。

以“和气一号”项目为例，田湾3、4号机组的二回路蒸汽作为热源，通过多级换热器和工业用汽管网输送到连云港石化基地，可以提供温度约248℃、压力1.8MPa的过热蒸汽，解决炼化企业热源和动力源的需求。发电工况下，压水堆堆芯产生的热量通过一回路、二回路驱动蒸汽轮机做工发电。在供汽状态下，二回路中的蒸汽热量则通过换热装置输送出厂，替代传统的燃煤锅炉供汽。

相比压水堆，徐圩核电计划使用的高温气冷堆具有更高的堆芯出口温度（最高可达750℃），冷却剂压力超过13MPa、温度超过550℃，对外可以供应更高温度和压力的蒸汽。徐圩核电一期工程的环评报告显示，两台华龙一号压水堆机组和一台HTR-PM600S高温气冷堆的供热组合可为炼化基地供应中压、次中压和低压三类蒸汽。

徐圩核电设计供汽参数（环保部公开信息）

核能综合利用还有那些用途？

作为发电装置和动力装置的反应堆可以成为动力堆，主要是利用反应堆产生的热能，最终转化为动能和电能。除了作为动力堆外，核能还有很多种利用方式。

1、研究试验

研究试验堆的主要作用是帮助科研人员获取新知识，例如验证新的物理设计方案，考验新的材料、元件和组件，开展物理、化学、生物和医药等方面的研究。其作用如同航天工程中的风洞、船舶工程中的水池。研究试验堆的结构、功率、中子通量等各异，往往集成了多种复杂的测试回路、辅助设施，用于开展多种不同的研究。

我国核领域的各科研机构都建成了多种研究试验堆，例如中国原子能科学研究院的中国实验快堆工程（CEFR），清华大学的5MW低温供热实验堆、中国核动力研究设计院的高通量工程实验堆（HFERT）等。

2、同位素生产

同位素生产堆的作用是利用高通量的中子照射靶材，通过核反应产生多种同位素。这些同位素经过物理或化学手段分离提纯后，可以用于工业、医疗、能源等多个领域。美国橡树岭国家实验室的高通量同位素反应堆（HFIR）用于生产超铀元素，如钚238、锎252等。中国核动力研究设计院正在建设溶液型医用同位素对可实现钼99、碘131等医用同位素的生产。

作者：科普作者苏豪展

审核：广州大学机电学院副院长梁忠伟