闡述一種技術成熟度高的核能作為接力能源的可能性，重點介紹核能發電的基本原理和核堆型式的分類，分析小型核反應堆的安全性優勢，并借鑒俄羅斯在建浮動式核電站的經驗，剖析核能在海洋油氣勘探開發領域應用的可能性，認為小型核反應堆供電在未來海洋石油工程領域的應用前景廣闊。

◇ 引 言

近些年，中國大力推行發展海洋經濟的方針政策，海洋經濟不斷繁榮發展。然而，中國最大海上油氣田渤海油田卻面臨著伴生氣量遞減與電力需求增加的矛盾和渤海油田稠油熱采所需熱能成本增加與提高采收 率的矛盾。當前，渤海油田開發所需電力主要來源于天然氣透平或原油發電機自發電。作為主要燃料的油田伴生氣和氣田氣井氣將隨著油氣開采產量減少逐步降低，若采用柴油替代天然氣作為燃料供電又將帶來高昂的燃料成本。因此，電能來源將成為制約渤海油田開發的瓶頸[1]。

核能作為一種技術成熟度高的替代能源，利用核反應堆核裂變釋放的熱能進行發電，具備熱電聯產的功能，其成本遠低于燃煤成本，而且核燃料反應所釋放的能量也遠高于化石能源燃燒所釋放的能量，因此可向采油平臺供給熱能供稠油熱采使用以提高原油采收率，可有效解決渤海灣油田伴生氣量遞減與電力需求增 加之間的矛盾，推動渤海油田在低油價新形勢下的高效開發。

經過二十余年的高速發展，中國在核能利用方面已取得極大進步。據不完全統計，截至2017年底，國內投入商業運行的核電機組共37臺，裝機容量高達35807 MW。從國家整個發電占比來看，核能的利用較一些領先國家還存在較大差距。比如，核能發電占比法國高達78%，日本為30%，美國為19%，而中國核能發電在2009年僅占全國發電總額的1.95%。《國家核電發展專題規劃》已于2007 年獲批，這標志著中國的核能發展進入了新階段。

本文主要分析小型核反應堆的安全優勢，并充分借鑒俄羅斯核電站建設的經驗，剖析小型核反應堆在海洋油氣開發領域應用的可能性，為渤海油田的高效開發提供技術支持。

1 核能供電的基本原理和分類

核電站是利用核動力反應堆所產生的熱能來發電或發電兼供熱的動力設施。反應堆是核電站的關鍵設 備，鏈式裂變反應就在其中進行。核反應堆分類：根據燃料類型分為天然氣鈾堆、濃縮鈾堆和釷堆;根據中子 能量分為快中子堆和熱中子堆分類：根據冷卻劑(載熱劑)類型材料分為水冷堆、氣冷堆、有機液冷堆和液態 金屬冷堆;根據慢化劑(減速劑)類型分為石墨堆、重水堆、壓水堆、沸水堆、有機堆、熔鹽堆和鈹堆;根據中子 通量分為高通量堆和一般能量堆;根據熱工狀態分為沸騰堆、非沸騰堆和壓水堆;根據運行方式分為脈沖堆 和穩態堆;等等。

目前，世界上核電站使用最多的是壓水堆和沸水堆。

壓水堆是使用加壓輕水(即普通水)作冷卻劑和慢化劑，且水在堆內不沸騰的核反應堆，燃料為低濃鈾。

20世紀80年代，壓水堆被公認為是技術成熟、運行安全、經濟實用的堆型。壓水堆采用二回路發電(見圖1)，一般堆芯內氣壓為10～20 MPaG，溫度為300 ℃左右，高壓使得冷卻水在此溫度下也不會汽化(中國秦山一期核電站反應堆壓力容器設計參數為：工 作壓力 15.20 MPaG，設計壓力 17.17 MPaG，設 計溫度350 ℃)。當冷卻水帶著熱量來到蒸汽發生器時，通過數以萬計的傳熱管把熱量傳給二回路中的冷卻水，使二回路的水沸騰，產生的蒸汽帶動汽輪機發電。

沸水堆同樣是輕水堆的一種。沸水堆核電站工作流程是：冷卻劑(水)從堆芯下部流進，在沿堆芯上升的 過程中，從燃料棒得到熱量，使冷卻劑變成蒸汽和水的混合物，經過汽水分離器和蒸汽干燥器，用分離出的高溫蒸汽推動汽輪發電機組發電，如圖2所示。來自汽輪機系統的給水進入反應堆壓力容器后，沿堆芯圍筒與 容器內壁之間的環形空間下降，在噴射泵的作用下進入堆下腔室，再折而向上流過堆芯，受熱并部分汽化。

汽水混合物經汽水分離器分離后，水分沿環形空間下降，與給水混合;蒸汽則經干燥器后出堆，通往汽輪發電機做功發電。蒸汽壓力約7 MPa，干度不小于99.75%。汽輪機乏汽冷凝后經凈化、加熱再由給水泵送入反應堆壓力容器，形成一閉合循環。再循環泵的作用是使堆內形成強迫循環，其進水取自環形空間底部，升壓后再送入反應堆容器內，成為噴射泵的驅動流。某些沸水堆用堆內循環泵取代再循環泵和噴射泵。

沸水堆控制棒從堆芯底部引入，因此發生“在某些事故時控制棒應插入堆芯而因機構故障未能插入”的 可能性比壓水堆大，即在停堆過程中一旦喪失動力，控制棒就會停在中間某處，最終可能導致臨界事故發生; 而壓水堆的控制棒組件安裝在堆芯上部，如果出現機械或者電氣故障，控制棒可以依靠重力落下，一插到底， 阻斷鏈式反應。另外，對于控制棒向上引入的反應堆，其堆芯上部的功率高于底部，當反應堆喪失冷卻動力后，會導致產生熱量大的堆芯部位溫度持續上升，使上部的燃料發生熔毀的概率增加。

當沸水堆遇緊急情況停堆，冷卻動力喪失時，燃料溫度增加，冷卻水逐漸汽化，回路壓力增加，必須進行釋壓處理，否則會導致帶有放射性的氣體進入大氣，同時還需啟用備用電源進行主動注水冷卻;當壓水堆冷 卻動力喪失時，可以用應急水泵對蒸汽發生器進行噴淋，并調節穩壓器壓力，保證一回路不出現局部沸騰，依靠一、二回路的溫差實現自然循環，讓堆芯慢慢退熱。

沸水堆與壓水堆不同之處在于沸水堆沒有蒸汽發生器，一回路水通過堆芯加熱變成約285 ℃的蒸汽并直接引入汽輪機，常規島布置有一回路的冷卻劑管道，管道失效可能引起冷卻劑泄漏。壓水堆的一回路和蒸 汽系統通過蒸汽發生器分隔開，而且蒸汽發生器安置在安全殼內，只要蒸汽發生器完整，放射性物質不會釋放到環境中，即使蒸汽發生器因故障破損，利用安全殼貫穿件關閉安全殼，放射性物質也不會釋放到環境中。 因此，壓水堆的安全性高于沸水堆。中國在運和在建的所有核電站均為壓水堆式核電站。

2 中、小型堆的發展現狀和應用前景

2.1 中、小型堆特點

與大堆相比，小型堆核能系統的固有安全性將大幅提高。以目前廣泛采用的一體化小型堆為例，其在安全性方面具有以下技術特點：

(1)取消主冷卻系統內大尺寸管道，從根本上消除威脅反應堆安全的大破水、失水事故，是提高核反應堆固有安全性的主要因素。

(2)將反應堆堆芯放置在壓力容器底部偏上，壓力容器中下部不開孔，確保在系統失水時壓力容器內的堆芯處于被淹沒狀態。

(3)在主冷卻劑系統設計中采用自然循環原理，堆芯衰變熱可采用非能動余熱排除以提高安全性。

4)采用改進的耐高溫燃料和結構材料，增加反應堆安全裕量。

(5)簡化系統設計，減少不必要的閥門和管道，以提高安全性[2]。

2.2 中、小型堆發展現狀

近年來，中、小型反應堆憑借初始投資小、建造周期短、可有效解決中小電網輸電問題的優勢得到了世界各國的關注。中、小型核電機組是指發電功率在300 MW 以下的機組。目前，中國正在研究的小型堆在技術水平、核安全、換料周期和經濟性上都屬于世界先進水平。

中國已經開始研制可在海上應用的小型堆，并取得階段性的成果。海上小型堆主要技術參數見表1。 小型堆采用新的第3代壓水堆技術，在設計上擁有非能動性或稱自主能動性安全冷卻體系，擁有類似水塔性質的蓄水裝置，置于安全殼上層，可依靠重力完成冷卻水注入實現冷卻。如果將小型堆應用在海洋上，海洋 將是巨大的天然蓄水池，能有效地防止類似日本福島核電站事故的發生，是反應堆冷卻劑的最好來源，另外堆芯有排氣管道與外界連通，壓力可以得到控制。

2.3 小型堆在海上的應用

核能在海洋環境中的應用已近70年，1954年“鸚鵡螺”號核動力艦船服役開啟了海上核能應用的先河。目前，全球共有300多艘核潛艇服役，在役約160多艘，98%采用小型壓水堆。全世界共裝備12艘核動力航母，均配備小型壓水堆。自20世紀50年代初，俄羅斯開始制造核動力艦船，迄今共建成9艘核動力破冰船。其中第1艘核動力破冰船“列寧”號于1959年下水，1989年退役。目前，俄羅斯是世界上唯一擁有核動力破冰船的國家[3]。

同時，俄羅斯正在其最大的造船廠波羅的海造船廠建設全球首個浮動式核電站，據悉，該浮動核電站將于2018年投入使用。該浮動式核電站暫時被命名為“羅蒙諾索夫”號，配有兩座35 MW 的 KLT-40S 反應堆，排水量為2.15萬t，壽命為40 年，換料周期為3～4 年，總體布置圖[4]如圖3 所示。據估計，該浮動核電站投入使用后將為東西伯利亞遠東地區近20萬人供電。按照規劃，俄羅斯還將建設一批浮動式核電站，為大型工業項目、港口城市、海上油氣鉆探平臺提供能源。除了發電和發熱外，上述浮動核電站所發電力還能用于海水淡化，每天可生產24萬 m3 淡水。

2.4 小型堆在中國海洋領域的發展前景

中國海洋國土面積近300萬km2，海岸線長達1.8萬km，海洋資源相對豐富，對海洋資源的開發和利用也日益迫切。但是，中國海上島嶼分散，水下情況復雜，大型船艇往往無法使用，常規動力的小型船艇也因續航能力有限、補給困難而難堪重用，而小型核動力船艇因其有可長時間運行、1 次裝料可運行幾年、可不依賴空氣運行的優點，特別適合于海洋開發、海洋領土守衛等。

中國地域廣闊，各地經濟發展不平衡，很多地區發展大規模電站存在困難。另外，在中國能源構成中火力發電占大部分，為了減少 CO2 排放，發展利用中、小型核動力也是一種有益的嘗試。

目前，渤海灣地區是中國海洋油氣產量最大的區域，已達到3000 萬t油當量，已建150 多座采油平臺、6艘FPSO。單區域油氣田群用電量約150 MW，若采用核能供電，單堆功率在25～100 MW，可滿足油田群區域發電。同時，核能的蒸汽透平能產生200 ℃以上高溫蒸汽，可通過與生產水換熱進行稠油熱采，有效提高渤海灣稠油采收率[5]。如若俄羅斯在建的浮動式核電站能夠安全、穩定地運行，其將成為中國發展海上浮動式核電站的經驗借鑒，也將為海洋石油開采提供有力的電能保障，成為提高稠油采收率的有效措施。但是，目前全世界范圍內還沒有一座成熟應用的海上核電站用于海上油田的開發，技術上還存在許多難題有待 解決，如海上核電站的結構型式，海上核電站的安全性、環保性，海上核電站的設計、建造、運行等所依據和使用的標準、規范等難題，還需各行業的專家繼續探索研究。

3 結論與建議

核能供電方式是能夠從根本上解決海洋油氣田開發電能需求的有效方案，該技術若能成熟發展，必將在探索深水油氣田的道路上大有可為，成為人類發展海洋經濟的有力保障。為推進核電在海洋油氣開發中的 應用，建議深入進行核電海上應用的適應性研究，解決海上核反應堆的運行、換料等問題，同時開展耐高溫、高壓海管和單點系泊系統的研究，為示范工程的實施打下堅實的基礎。核能行業、海洋石油行業和其他相關 行業專家，必須齊心協力，通過不斷的實踐檢驗共同開發出能適應海洋環境的核能供電設施。

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