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　壳式堆核电站利用什么发电
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
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而言，低温多效和核电站结合是一种更理想的海水淡化方式，并被国际原子能机构所首推。
反渗透法海水淡化与核电站进行耦合时，需要核电站提供淡化过程所需的电能。由于电厂自用电的价格优势，与使用电网电相比，其造水成本较低。
由于核电站同时能提供电能和蒸汽，将蒸馏法与反渗透海水淡化结合起来可以降低反渗透法海水淡化的成本。在多级闪蒸与多效蒸馏海水淡化的造水过程中，都需要排出一定量的冷却水，这部分水的含盐量与海水基本相同，但水温可以达到30℃以上，远高于原料海水的水温。而反渗透膜的产水量与温度有关，原料海水温度每升高1℃，反渗透膜的产水量可以提高3%[5]。如果使用蒸馏法海水淡化的
，
可大大增加造水量，从而降低造水成本。据国际原子能机构有关官员介绍，印度在Kalpakkam依托一座170 MW的核电站建设一座日产淡水6300m3的多级闪蒸与反渗透联合运行的海水淡化厂，预计将于今年年底建成投产。
312　低温核反应堆与海水淡化工程的耦合方式与核电站相比，低温核反应堆不发电，仅提供蒸汽，低温核反应堆仅可以与蒸馏法海水淡化耦合，难以与反渗透海水淡化耦合。由于低温核反应堆的类型不同，与之相适应的蒸馏淡化工艺也有所不同。31211　壳式堆与海水淡化工程的耦合方式
基于壳式低温核反应堆的特点，最适合与之耦合的淡化方式是多效蒸馏，其中垂直管式蒸发工艺可以取得最低的造水成本。垂直管式蒸发工艺(V T E)是一种高温多效蒸馏工艺，它利用壳式堆提供的125℃的饱和蒸汽，可以达到20以上的造水比(产品水量与蒸汽量之比)。
采用塔式布置的垂直管式蒸发工艺是一种相对经济的造水方案。它可利用重力从上而下输送咸水，因而不需要效间泵，这可减少投资以及运行和维护费用，也提高了系统的设备利用率。但塔式多效蒸馏缺乏大型产业化的实践经验，建设与低温核反应堆结合的大型工程有一定的技术风险，需要进行中间试验，以保证达到设计要求。
31212　池式堆与海水淡化工程的耦合方式
池式低温核反应堆提供的蒸汽温度比较低，约为70～100℃。与池式核反应堆最适合的海水淡化方式是低温多效蒸馏。低温多效蒸馏与高温多效蒸馏相比，其蒸发温度较低，效数也较少。与池式低温核反应堆耦合的低温多效装置，其造水比可以达到13左右。
低温多效蒸馏是一种成熟的海水淡化工艺，它在上世纪80年代初首先由以列I D E公司成功将此海水淡化方法应用于产业化，至今为止已有数百台装置分布在世界各地。我国自主设计、制造、施工的山东青岛黄岛电厂3000m3 d低温多效海水淡化工程正在施工，预计将于明年建成投产。
与壳式堆相比，池式堆的特点是投资低，对于一座200MW的低温核反应堆，壳式堆的投资需要5亿多元，据有关专家介绍池式堆只需要115亿元。由于池式堆温度更低，有可能使用核电站的核废料，进一步降低运行费用。
4　典型设计案例
根据清华大学核能研究院完成的预可行性研究报告[3]，将在山东省烟台市建设核能海水淡化厂，该工厂包括一个壳式低温核反应堆和垂直管塔式多效蒸馏海水淡化装置，海水淡化系统流程如图1所示。造水能力为160000m3 d，与之配套的壳式低温核反应堆的功率为20万k W。反应堆的参数如表1所示。
表1　反应堆的参数
序号参  数单　位参数值
1反应堆功率104k W20
2设计寿命a40(可延至60)
3
反应堆冷却剂
系统压力M Pa215
4压力壳内径m4182
5安全壳内径m5
112(下部) 710(上
部)
6燃料材料烧结UO2
海水淡化厂的简要流程如下[6]：经过前处理的海水，首先冷却进入末级冷凝器的来自第30效的蒸汽，并同时被加热。经过在真空条件下脱气，全部作为蒸发器的给水由给水泵送到各级给水预热器进一
91
　第4期              　赵河立等：核能在海水淡化中的应用                  　
图1　海水淡化系统流程图
步由各效蒸汽冷凝加热，有一部分给水在第16效进入蒸发器系统，剩余的给水经过余下的预热器加热成为第一效给水，其温度接近第一效的饱和温度。
由反应堆蒸汽发生器供给的加热蒸汽进入第一效蒸发器壳侧，加热蒸汽在第一效蒸发器中被海水冷凝，其凝结水作为供热堆蒸汽发生器的给水返回蒸汽发生器，从而实现蒸汽供应回路的闭合循环。
同时，在第一效内管内的海水蒸发产生的蒸汽作为第二效蒸发器的热源，经过除湿后进入其壳侧被海水冷凝成为淡水。以后各效进行同样的蒸发冷凝过程，上效产生的蒸汽是下效的热源，冷凝的蒸汽成为该效生产的淡水。上效产生的淡水经过回水弯进到相邻的下一效闪蒸达到与该效压力平衡。
上效变浓的海水进到相邻的下一效上管板上部的咸水接收池，经过分配孔板进入该效内，在经过分配孔板后同样也有闪蒸的过程出现。海水在管内加热产生的蒸汽进入到相邻的下一效。
上述蒸发与冷凝过程连续进行到第30效，离开第30效的蒸汽进到末级冷凝器预热海水。离开第30效的浓缩3倍的、温度为32℃的废咸水排入大海或送到晒盐场。来自各效和末级冷凝器温度为31℃的淡水，被泵打入纯水储存和饮用水后处理系统。
每个机组的两塔之间设有泵，分别把第一个塔生产的淡水和咸水送到第二个塔的顶部。第15效生产的蒸汽由管道送到第16效壳侧。
海水淡化厂的总体参数如表2所示。
表2　海水淡化厂的总体参数
序号参  数单　位参数值
1淡化厂设计生产能力m3 d160000
2淡化工艺类型M ED-V T FE
3淡化系统布置方式垂直、塔式
4淡化厂机组数2
5每个机组的塔数2
6每个机组的效数30
7
蒸汽温度(蒸汽发生器
出口)
℃126
8蒸汽压力M Pa0124
9蒸汽流量t h16411×2
10设计造水比2116
11淡水品质,TD S≤20
12最高咸水温度设计值℃120
13水厂海水总取水量m3 h12117
此工程总投资为145381万元，其中低温核反应堆部分投资为55578万元，多效蒸馏海水淡化部分投资为89803万元。吨水总成本为3173元，其中水厂固定资产折旧费(不含核供热堆部分)为0145元，热能费用为1164元，电力费用为0180元，其他费用为0184元。建成后不仅可解决区域供水问题，还可以对我国的核反应堆及海水淡化技术起到较大的推动作用。
5　结论
(1)核能是一种安全、可靠、清洁、廉价的能源，适合为大型的海水淡化厂提供动力，用于城市供水。
(2)核电站与低温核反应堆都可以与淡化装置耦合，海水淡化厂与核电站结合可以取得更低的造水成本。海水淡化厂与低温核反应堆合建更有灵活性的优势，它可以在任何需要淡水的沿海地区建造，不必依附于核电站。
(3)核能海水淡化作为一种新技术，在国内缺乏实例，迫切需要国家投入建立示范工程，加快发展步伐。
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A pp licati on of N uclear T echno logy in Seaw ater D esalinati on
Zhao H eli  Chu X izhang  R uan Guo ling
(Institu te of S eaw a ter D esa lina tion and M u ltip u rp ose U n itiz a tion ,SOA ,T ianj in ,300192)
Abstract :T he concep t and app licati on of nuclear energy seaw ater desalinati on are discu ssed in the paper .T he advan tage and disadvan tage of nuclear pow er app lied in desalinati on techno logy is also analyzed .N uclear energy desalinati on is one w ay of large -scale desalinati on techno logy that can be u sed to p rovide freshw ater fo r coastal areas .
Key words :nuclear energy ;seaw ater desalinati on ;nuclear pow er stati on ;low tem peratu re nuclear reacto r .
海水是镁和溴取之不尽的天然宝库
海水蕴藏着丰富的化学资源，在我们的地球上已发现的109种化学元素中，海水中就含有80多种。海盐、溴素、钾盐、镁盐是其中的四大主体要素，因为它们是世界各国国民经济发展的重要的基础化工原料；也是21世纪的重要战略物资。
其中镁是机械制造业重要的金属材料，在飞机、船舶、汽车、武器、核设施的制造上都离不开镁。其含量约为1800万t 。目前世界上已有数十个大型海水制镁厂，主要分布在美国、英国和日本等国。溴是所有非金属元素中唯一在常温下呈液状的元素。在医学、工农业、国防等方面广泛应用。在农业上是杀虫剂的重要原料，在工业上可制造燃料抗爆剂。目前全世界80%的溴从海水中提取。
(唐琳虹)
12　第4期              　赵河立等：核能在海水淡化中的应用                  　

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