中国作为全球第二大能源消费国、碳排放第二大的国家[1]，国家各部委联合印发行业高质量发展的指导意见，推进能源密集行业炼油、化工、钢铁、建筑等与“绿电”、“绿氢”等产业耦合示范。
一、核能多用途利用
核能分为两种类型裂变能和聚变能，核裂变反应堆按照中子能量不同、燃料不同、慢化剂和冷却冷不同，分为多种类型，其核能转化为电能的过程是相似的，即核能－热能－高温水和蒸汽内能－发电机转子机械能－电能。
美国、俄罗斯、法国、英国等国家开展了核能多用途利用的科研与示范，2023年3月美国九英里峰核电站作为美国首个1兆瓦核能制氢示范堆每天可生产560千克氢气。俄罗斯、瑞曲等国家将核能作为集中供热和工业供热，取代化石能源。我国的应用案例包括秦山海盐、山东海阳、红沿河的供热供暖示范项目。
供热与热电联产，核能供热主要有两种方式，分别是热电联产和单一核能供热。大型压水堆可以实现从二回路的汽轮机或主蒸汽管道中抽取部分热量，作为供热的热源。对于居民采暖也可以采用单一核能供热的低温池式供热堆专门供热。
供汽，核能的本质是发热,热也可以产生高温蒸汽。在蒸汽发生器将一回路热和二回路的热进行交换，产生高温蒸气。供汽方式可采用蒸汽转换系统，利用二回路主蒸汽抽汽加热形成工业蒸汽。
制氢，核能制氢主要是通过低温电解水制氢和高温热化学方式制氢，核能为制氢提供电和高温热和蒸气。
供水，核电站与海水淡化的耦合方式比较灵活，海水淡化厂利用核电厂提供的廉价能源蒸汽和电力，采用蒸馏法与反渗透法淡化工艺提供淡水。
二、不同类型反应堆工艺特征
几个先进堆型的技术参数不同。压水堆华龙一号反应堆出口温度为286°C－350°C，冷却剂为水，主要用于发电。钠冷快堆出口温度为530-550°C，冷却剂为钠，主要用于发电和提取锕系元素。熔盐堆700-800°C，冷却剂为熔融氟化物，主要用于发电和提取锕系元素。高温气冷堆HTR750～950°C，冷却剂为气体氦气，主要用于发电、制氢。所有堆型均可用于供热。
三、能源密集型行业需求分析
我国二氧化碳排放量排名前四位的行业分别是电力1597亿吨、钢铁57亿吨、化工45亿吨、建材28亿吨。从源端、过程端和终端等环节对能源的需求包括电力、工艺热、蒸气、氢气。
（一）炼油行业能源需求与工艺要求
炼油行业将原油经过蒸馏、催化、裂化、裂解、加氢精制等工艺过程，其使用的能源主要是炼油过程产生的副产品和天然气。这些能源转化为生产所需的工艺热、蒸汽等，对工艺热和蒸汽需求量大。其设备运行电力，一是电网，二是利用炼油厂燃料热电联产提供部分电力。世界上大约四分之一的氢气供应用于将石油加工成汽油和柴油等燃料，大部分炼油所需氢气是通过天然气制氢、炼油的副产品氢气和外购氢气来满足，其氢气成本便宜但污染严重。
（二）化工行业能源需求与工艺要求
化工行业规模庞大，门类繁多、工艺复杂、生产了数以万计的产品。其使用的燃料主要是天然气，其次是工艺副产品废气和煤炭。这些能源转换为生产所需的蒸汽和工艺热。其蒸汽在主工艺生产中的需求占比是最大的，达43.6%以上，其次是工艺热，电力需求相对较小，主要用于机器运转，其电力主要电网供电，少部分由现场热电联产供应。氢是化工行业中是重要的化学反应工艺，如，利用氢气生产甲醇，化肥行业利用氮气和氢气反应生产氨。化工行业使用的氢气是通过蒸汽甲烷重整生产提供的。
（三）钢铁行业能源需求与工艺要求
钢铁厂对原材料进行各种工艺加工，其使用的能源主要是天然气、焦碳、以及工艺副产品高炉和焦碳炉产生的煤气。这些能源转换成生产所需的工艺热、蒸汽等，同时为设备运行需提供外部电力供应。其大量的高温热需求占比最高，其生产工艺需要提供1100°C至2200°C以上的高温。目前在整个行业中广泛使用设备电弧炉，电弧炉工作需要大量电力。钢铁行业为降低碳排放，正在研究将炼钢所需的还原剂由煤碳转向氢，即氢冶金。
（四）建筑行业能源需求与工艺要求
石灰和水泥是建筑工程和装饰应用的重要材料。其使用的能源主要是煤碳、天然气、以及工艺副产品石油焦碳等。其工艺生产所需的能源主要是水泥制造过程加热，占消耗能源比例的85%以上。其蒸汽使用量最低。其电力主要用于机器驱动和过程加热，主要来自电网。
四、集成能源系统
核能技术的进步为这些部门生产和获得可靠、低成本的清洁能源创造了新的机会，针对不同的行业对电、热、汽、氢气、淡水的需求不同，不同类型不同功率的反应堆提供的热、蒸汽的温度也是不同，通过不同的工艺流程可向外输出不同比例的热、电。即可以单独供应电、热、汽、氢气、淡水，也可以热电联产、核能制氢、水-热同输等同时运作。
考虑不同反应堆的特点，电力各种堆型均可满足，热与蒸气，可以分成低、中、高和超高四大类别，低供热的温度<200°C，中供热的温度400°C ~200°C，高供热的温度850°C ~400°C，超高供热的温度>850°C，可由不同的堆型组合匹配。
（一）技术集成方案
1.供汽方案
蒸汽发生器是一回路和二回路交换热能的设备，工业供汽可以选择以蒸汽发生器作为热交换设备，用二回路的高温高压蒸气直接向外供应。也可以采用蒸汽转换系统，对于提供高于二回路温度压力的蒸汽可利用二回路主蒸汽抽汽再加热形成工业蒸汽，实现与反应堆的双重隔离。
华龙一号额定功能1200MWe，出口蒸汽温度283°C，出口蒸汽流量591.6kg/s。在单纯供汽的方式下，可提供5.2 MPa、266°C的饱和蒸汽，1.6 MPa、266°C的过热蒸汽、过热度65°C。在纯供热方式下，其供汽能力最大约4000 t/h，在热电联产方式下，考虑汽轮机连续稳定运行，最大供汽能力约为2900 t/h。
高温气冷堆反应堆出口氦气温度高达 750到950°C，高温氦气进入蒸汽发生器对二回路的水进行加热产生高温蒸汽。将主蒸汽直接通过换热器对外供应高压蒸汽，将高压缸抽汽或排汽通过换热器供应中压、低压蒸汽。我国石岛湾HTR-PM600S，60万千瓦高温气冷堆，蒸发器出口压力13.9MPa 温度571°C，最大外供蒸汽量 1800t/h。
2.制氢方案
利用核能制氢主要有两种方式，低温电解制氢和高温电解制氢，反应堆机组为电解水提供热和电，通过电解设备分离出氢气。核能电解水制氢最终的总效率只有30%，与其他制氢方式相比成本最高很难规模化推广应用。
高温电解制氢即热化学制氢，将反应堆与热化学循环制氢装置耦合，使水在800°C到1000°C 下催化热分解，从而制取氢，热能至氢能的转换率达60%以上，目前最优的方案是碘硫循环。主要利用核反应堆提供的工艺热和电能。
（二）安全性与稳定性
由于四大高能耗行业均为连续运行，设备非正常停机将导致巨大损失甚至发生安全事故，因此，对电力和蒸汽的需求均需要持续稳定不间断提供。可靠持续供汽供热，可考虑商业应用压水堆和示范应用的高温汽冷堆多台组合的方式，当一台停堆或换料进，其他机组运行仍可满足工厂运转要求。具体配置机组数量由供汽需求量决定，并考虑一定的冗余，确保单台设备故障时供汽能力不受影响。
设计瞬态响应满足负荷调节能力，针对不频繁的负荷计划性变化，反应堆具有一定的调节能力，使得堆、机功率与计划负荷达到重新匹配。负荷快速波动，将引起控制系统动作，需要调节堆功率、发电功率以达到新的平衡。目前采取的方案是机组优先采用稳定供汽方案，各等级工业蒸汽供汽参数、供汽流量保持在设计值不变，设置供汽分配站，以热耗或旁排的形式分配多余蒸汽，从而保持堆功率、发电功率不随热负荷波动而发生变化。
安全性分析对放射性释放担扰，首先与一回路间的双道隔离，二回路主蒸直接供给用户，通过蒸转换装置换热后将热能传递给工业蒸汽侧，确保运行状态下，放射性不会污染园区厂区。
结语
通过核能多用途利用提供清洁供暖、工业供热供汽、绿色制氢、海水淡化与他们的生产工艺进行耦合，提供清洁低碳的电力，实现生产方式绿色低碳转型。
参考文献
[1]国际能源统计局发布的2022年 《BP世界能源统计年鉴》。
