前言：近几年来世界能源增长需求放缓，全球大型核电站建设减弱，随着“碳达峰”、“碳中和”目标的提出，各行业亟需零碳能源替代原有高碳能源，“零碳排放”的核电越来越受关注，如何多途径、多元化利用核能，成为近几年的热点。
核电作为安全高效的清洁能源，在能源转型中发挥不可替代作用，而核能综合利用将改变核能单一供电用途，通过核能的多用途应用，将有效减少煤炭消耗，为实现碳达峰、碳中和目标提供重要支撑。
1 核能综合利用的发展及优势
1.1核能综合利用的发展
核能除了单一供电用途之外，利用核能供热的历史可追溯至二十世纪60年代，世界上第一个实现民用核能供热的核电站——瑞典原型核动力反应堆Agesta实现连续供热10年。二十世纪70年代，俄罗斯、保加利亚、瑞士、罗马尼亚等国也建造了很多核供热系统，作为区域集中供热或工业供热热源。1983年，清华大学池式研究堆完成了我国第一个核能低温供热实验。
在确保安全的基础上高效发展核电，是当前我国能源建设的一项重要政策，对保障能源供应与安全、保护环境、实现可持续发展具有十分重要的意义。国家发展改革委、国家能源局《能源技术革命创新行动计划（2016—2030 年）》也明确提出我国将继续深入实施创新驱动发展战略，完善核能领域科技研发体系，支持小型模块化堆、第四代核能系统、核能制氢等领域的科研工作，使核能为建设“美丽中国”贡献更多力量。[1]2021年3月，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》已明确提出开展核能综合利用示范。
1.2核能综合利用的优势
从能源效率的观点来看，直接使用热能是更为理想的一种方式，发电只是核能利用的一种形式。[1]随着技术的发展，除了降低碳排放之外，核能有望超脱出仅仅提供电力的角色，通过核能供热、制氢、海水淡化等多用途应用，消纳富余核能，提高核电站综合盈利，在确保全球能源可持续性发展方面有着巨大的作用。
目前约20%的能源消耗用于工艺热应用，应用市场的开发将很大程度上影响核能发展。核能在保证能源安全、减少碳排放方面具有巨大的优势，且核能用于海水淡化已被证明是满足该需求的一个可行选择，还可用于核电厂的有效水管理，提供运行和维护所有阶段的定期供水。
2 核能综合利用的发展前景
2.1环保优势
近几年来有建设特高压装置解决远距离供电问题，但随着节能减排要求的提高，火电发展趋势不容乐观。而核能发电低碳清洁，若能对核能技术进一步开发利用，促进核能供热和制冷、氢气制造、能源储存、水热同传等其他核能综合利用项目的发展，便可以实施绿色低碳能源发展战略，带来显著环保效益。
2017年发改委、能源局等十部委已联合发布规划，指出“研究探索核能供热，推动现役核电机组向周边供热”；《打赢蓝天保卫战三年行动计划》种要求“有效推进北方地区冬季清洁取暖”，国家从政策上开始推进核能综合利用的发展。
2.2降低消耗
核电初投资虽然高于同等功率的燃煤电站（供热站），但其使用寿命长达燃煤锅炉的3-4倍，而且后期运行费用等多项因素低于燃煤。
一座400MWt的泳池式低温供热堆每年可替代32万吨燃煤，泳池式低温供热堆供热价格为30～40元／GJ，与热电联产（25～40元／GJ）、燃煤（约30～40元／GJ）基本相当，且通过导管向堆芯内放入辐照靶材，可以低成本生产放射性同位素，用于材料辐照考验、核仪器仪表考验等领域，拓展其发展用途。
2.3海上应用
核能可以用于海岛开发等供给能源，未来也可以拓展到核动力破冰船、核动力商船上，在负荷高峰期间供电，峰谷期间海水淡化。反应堆压力容器高7.4m，内径2.5m，工作温度为310°C，它设计用于安装在驳船上作为浮动核电站（FNPP）现已在2020年投用。
2.4能源开发
氢做为一种清洁能源近年来得到蓬勃发展，汽车开发规模已经形成一定产业化，氢气作为良好的储能载体得到广泛运用情况下，预计氢燃料汽车将有一定的市场空间，逐步形成与纯电汽车互补的情况，氢能产业能保持目前增长势头，核能大规模制氢前景可期[2]。
3 核能综合利用的途径探究
核能综合利用是从原有的单一供能逐渐走向综合核能，不但包括纵向的能量梯度利用，比如系统更新；还包括了横向与其他能源互补，比如核能供热、海水淡化、工业供汽、制氢、制冷等领域应用。
3.1能量梯度利用
3.1.1系统更新
未来核能的发展趋势之一是小型模块化反应堆（SMR），其建设周期短、布置灵活、适应性强、选址成本低，第四代先进核能系统主要包括高温气冷堆、钠冷快堆、熔盐堆、超临界水堆和铅冷快堆，因其具备固有安全性高、核燃料可循环、物理防止核扩散和更优越的经济性等特点，已经开始与电力公司和研究机构合作。针对第四代核能技术的发展，第四代核能系统演示和部署的创新和研发支持，涵盖了核能经济、安全、物理保护、防止扩散评估方法，预计未来将扩展到其他领域，达到先进反应堆的未来市场条件/要求。
3.1.2核能转化发电
目前约20%的能源消耗用于工艺热应用，应用市场的开发将很大程度上影响核能发展，针对堆内运行温度在700℃以上的第四代先进核能系统，根据工质的不同，闭式循环燃气轮机温度越高，热功转换系统效率越高，高温条件下的热循环发电系统，能够实现高效发电。蒸汽轮机系统技术发展已有百年以上，在运行维护过程中需要不断补充循环水，采用超临界及超超临界机组，压力范围应控制在24—32Mpa，整体效率约41%—44%[3]。
闭式循环燃气轮机系统特别适用于中高温热源，具有热源灵活、工质多样性的技术优势，在选址上具有很大灵活性，以空气为工质的闭式循环燃气轮机为例热效率可接近40%，但其高温材料问题也是技术难点，需要在日后对此加大研究力度。
3.2核能供热
核能供热作为清洁能源供热方式，既有助解决我国北方冬季取暖问题，又能有效改善能源结构，但难免在技术安全性、可靠性方面受到质疑。
核电技术发展过程中，国外的核能供热已有成功的运行经验。北欧和俄罗斯等核能热电联供压水堆装置安全运行1000堆年
目前中国核能供热技术处于起步阶段，在核电站供热方面2017年公开了核电站供热方面的专利，2019年国内首个核能商业供热项目落地应用。在低温核供热堆供热技术方面，在1983年完成的我国第一个核能低温供热实验技术基础上，2017年又完成了泳池式低温核供热堆的供热验证示范。20世纪90年代清华大学开发了第二代壳式轻水低温核供热堆NHR200-I型主要用于城市供热生产120/70℃热网水，NHR200-II型可用于城市热电联产、工业蒸汽、海水淡化等。
根据核能进行发电量与供热量的比例以及核能系统结构特点，核能供热技术可分为三类：（1）低温核供热堆；（2）核电站汽轮机抽汽供热；（3）漂浮式核能热电站。
（1）核电站汽轮机抽汽供热是指核能系统二回路的热媒进入汽轮机，采用汽轮机抽汽进行供热。大致分为两个过程：蒸汽与水换热，热水与冷水换热。核电站与供暖用户之间只有热量的传递，因为中间多道辐射隔离屏障，末端的热用户可以安全用到核电的热量。
城市的热用户不仅限于居民，还有很多化工等生产企业。除核能供热之外，还可以探索水热同传，提高能源效率的同时降低了用能成本，为同步解决城市清洁取暖和用水需求等民生问题提供方案。
（2）低温核供热堆是一种专门供热不发电的核能系统，输送的热量以显热为主。泳池式低温供热堆是在池式堆50多年安全稳定运行的基础上,针对北方地区清洁供热需求开发的一种安全经济、绿色环保的小型堆专用产品,具有低温常压、技术成熟,固有安全性高,＂零堆熔、零排放、易退役＂等特点和优势,能够较好地适应城市供热管网的需求。泳池式低温供热堆是应对碳减排、雾霾治理和环境改善问题理想的供热替代能源,市场前景十分广阔。与国内外其他核能供热技术方案比较，它具有固有安全性高、系统可靠性好、运行稳定、操作简单等等诸多优势，在经济性上与热电联产具有可比性，并远远优于燃气供热。[6]而城市集中供热泳池式低温供热堆虽然固有安全性好，设计灵活，但仅供热季节可以使用，在经济效益和社会理解沟通方面仍有较大工作需要深入。
（3）作为世界首个漂浮式核能热电站的“罗蒙诺索夫院士号”漂浮式核电机组于2020年中投入运营，是俄罗斯先进能源技术之一，证明了该技术的工程可行性，具体技术和国内的应用场景尚待后续论证。
3.3钍基熔盐堆系统
钍基熔盐堆核能系统包括钍基核燃料、熔盐堆、核能综合利用3个子系统，是解决长期能源供应的一种技术方案，也被称为氟盐冷却高温堆。熔盐堆使用高温熔盐作为冷却剂，无须使用沉重而昂贵的压力容器，采用无水冷却技术只需少量的水即可运行，可用于干旱地区实现高效发电，同时由于其使用高化学稳定性和热稳定的无机熔盐作为传蓄热介质，能够大幅度降低对于核能综合利用的安全性顾虑，进而有效缓解碳排放和环境污染问题。熔盐堆具有很高的固有安全性，为了能够保证反应堆的安全可靠运行，需要对堆内构件及安全壳等的承压提出更高的要求，如以熔盐作为反应堆的一层安全屏障，防止新的衍生事故发生，也可灵活地进行多种燃料循环方式，不需要特别处理便可以生成反应堆的乏燃料。
3.4发展核能制氢
从核反应堆的角度来看，工艺热基本可以满足高温制氢过程，如热化学循环制氢通过水蒸气热裂解制备氢气，利用反应堆提供的高温热，包括I-S循环、Ca-Br循环等，在900℃以上效率可超50%，效率急剧下降。热化学循环是一个典型的化工过程，高温下的强腐蚀性对材料和设备也提出了较高的要求，循环制氢技术主要挑战在于优化技术路，解决反应器腐蚀等问题。
高温电解水蒸气制氢气以固体氧化物电解池为核心反应器，近年来受到国内外研究者及企业的重视，电解制氢技术可与核能或可再生能源结合，其能够为再生能源的能源转化和储存提供重要途径，在新能源领域有很好的应用前景，是未来新型能源网络中不可或缺的重要组成部分[4]。电解池（堆）中的电极/电解质材料在运行中存在着诸多分层、极化、中毒等问题，针对SOEC工艺的特性，需要不断提升SOEC单电池生产装备的集成化和自动化水平，大力发展千瓦级SOEC制氢模块的低成本和轻量化设计，开发电解池堆的分级集成技术，从而更快进入实际应用领域。
3.5海水淡化
目前海水淡化领域，应用最为广泛并形成产业化规模的几种方法分别为低温多效蒸馏法、多级闪蒸法、反渗透法。
目前，反渗透丁艺更加符合大型核电海水淡化的工艺要求。用海水淡化目前已经核电站实现工程应用，辽宁红沿河核电站、山东海阳核电站的海水淡化工程均采用反渗透法，主要包括预处理系统和反渗透系统。海水经反渗透装置除盐后，另一路出水为浓盐水，浓盐水进入能量回收装置进行能量回收，以节省电能。当前主流能量回收技术主要有：水力透平式能量回收装置、活塞式阀控压力交换器式能量回收装置、转子式能量交换装置[8]。
随着研究的开放性，海水淡化技术产生了跨学科的毛细力驱动海水淡化技术。新型毛细力驱动海水淡化系统类似打开的环路热管,以毛细芯提供的毛细力为驱动力,抽取海水进入毛细芯发生汽液相变,产生的蒸汽进入冷凝器冷凝成淡水。实验结果表明,使用有效受热面积为50.24cm2的蒸发器,在壁面温度为40℃时,淡水产量91.8g/h，产水含盐约30 mg/L，水质超过饮用水标准。[9]
由于广泛的温度适应性,特别是低温下的海水淡化和物质提纯能力,使得该方法在低品位余热利用,包括核电领域具有很大的优势和潜力。
结束语：
核能是目前世界上最有前途的能源，作为国内领先的技术手段，需要在核安全方面下功夫，不仅要发挥该技术的应用优势，且需要对此不断进行深入拓展，使其成为未来核能综合能源利用的主力军，以此为能源建设提供可靠的承载体。
参考文献：
[1] 王建强,戴志敏,徐洪杰. 核能综合利用研究现状与展望[J]. 中国科学院院刊,2019,34(4):460-468.
[2] 高树超,成亚光. 核能供热书写幸福民生答卷,开启了核能综合利用新纪元——专访吴放[J]. 中国核电,2019,12(6):603-606.
[3] 徐洪杰,戴志敏,蔡翔舟,等. 钍基熔盐堆和核能综合利用[J]. 现代物理知识,2018,30(4):25-34.
[4] 刘思佳,朱贵凤,严睿,等. 小型模块化氟盐冷却高温堆可燃毒物布置方案[J]. 核技术,2020,43(5):61-66.
[5] 韩玮玮,李永安,刘学来. 核能供热在胶东半岛的应用与实践 [J]. 《建筑节能(中英文)》,2021,(4):76-79.
[6] 陈华,向毅文. 核能供热新星——泳池式低温堆简介 [J]. 《区域供热》，2018（1）:19-23.
[7] 徐力,王爽,林学忠,吴元柱,裴启林,李金祥,王海平,孙健,韩磊,卢春田,林令知,赵翠莲,王立恒,王阳.一种基于大型商用核电机组的热电联产系统, 中国,CN107355261A[P].2017.11.17.
[8] 杲家胜 海阳核电海水淡化技术分析 [J]. 《东北电力技术》2018(1):17-22
[9] 章先涛,江浩庆,阚伟民,郑李坤,程婷,陈燕鸣,胡雪蛟 毛细力驱动海水淡化 [J].《中国科学:技术科学》2015(6):654-660.
