聴いていてとてもワクワクします！この線より南の中国では、冬への希望がある。

最近、「浙江省海塩市の3つのコミュニティが集中型原子力エネルギーを暖房に利用している」というニュースが微博で話題になった。

この暖房プロジェクトは、秦山原子力基地のユニットの冬季の余剰熱電力を利用し、ユニットの安全性能に影響を与えることなく、海塩の公共施設、住宅コミュニティ、工業団地に大規模で安全かつゼロカーボンで経済的な原子力暖房を提供します。

これを聞いた他の南部の都市の住民も大きな必要性を表明し、原子力暖房方法に興味を持つようになった。

1938年、ドイツの科学者オットー・ハーンが初めて原子核分裂の現象を発見したとき、彼はそれが後に人間が暖を取るための魔法の道具になるとは想像もしていなかったでしょう。

では、原子力エネルギーはどのようにして暖房を提供するのでしょうか?南部の人々にとって冬はもう寒くも雨も降らないのでしょうか?

テキスト |何芳

編集者 |謝芳、Outlookシンクタンク

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「古い」技術

中性子が原子核に衝突すると、原子核はいくつかの破片に分裂します。これらの破片を集めて重さを量ってみると、破片の質量が原子核の元の質量よりも小さいことに驚くでしょう。品質は理由もなく失われることはありません。アインシュタインの質量エネルギー方程式が予測したように、失われた質量はエネルギーに変換されます。このエネルギーは原子力エネルギーです。

原子力エネルギーには良いも悪いもありません。鍵となるのは、人間がそれをどう使うかです。

1942年12月2日、物理学者フェルミはシカゴで世界初の原子炉、シカゴ原子炉1号機を稼働させました。それ以来、世界に新たなエネルギー源が加わり、核時代が始まりました。

1954年6月27日、ソ連が建設した世界初の商用原子力発電所であるオブニンスク原子力発電所が発電を開始しました。総出力はわずか5,000キロワットであったが、ここから原子力発電所の歴史が始まり、原子力の平和利用が現実のものとなった。オブニンスク原子力発電所は50年近く安全に稼働し、2002年に「廃止」され、2004年にロシアの博物館および科学技術博物館に生まれ変わりました。

オブニンスク原子力発電所以来、世界各国で原子力発電所建設の波が始まっている。ソ連、アメリカ、イギリス、フランス、ドイツなどの国々は、多数の原子力発電所を建設してきました。

原子力発電の実現可能性、経済性、安全性が実証されると、化石燃料が不足し、寒い冬に悩まされていたヨーロッパ諸国は、暖房に原子力エネルギーを利用する研究を始めました。

1964年、スウェーデンの原型原子力発電所アジェスタが完成し、稼働を開始しました。これは原子力エネルギーを民生暖房に利用した世界初の原子力発電所でした。それ以来、ヨーロッパ諸国は暖房に原子力エネルギーを使い始めました。

原子力暖房は主にコジェネレーションの形態を採用しています。この原子炉は通常時は発電に使用されます。暖房シーズンになると、電力が増加し、暖房を実現するために原子力暖房設備が始動します。現在、世界中の400基以上の原子炉のうち50基以上が原子力暖房サービスを提供しています。

しかし、コージェネレーションリアクターの主な目的は電気を生成することであり、熱生成はリアクターの機能の延長にすぎません。つまり、当時は原子力発電所が建設された場所では、原子力発電所を改造することによってのみ暖房が可能だったのです。結局のところ、原子力発電所は投資コストが高く、安全性の要件も高く、暖房専用の原子力発電所を建設することは不可能です。

では、建設コストが低く、建設速度が速く、安全レベルの高い加熱炉を建設することは可能でしょうか?

答えはイエスです。

原子力エネルギーはエネルギー密度が高く、エネルギーコストが低いです。カナダ、フランス、ソ連、アメリカ、スイスなどの原子力開発途上国はいずれも低温加熱炉の研究を行い、一連の加熱炉タイプを開発してきました。たとえば、カナダは 1987 年に 2 MW の SLOWPOKE (SDR) 大気圧プール加熱炉を建設し、建物の暖房用に 2 年間稼働させました。

1970年代までに、各国の原子力暖房に関する技術研究が成熟し、原子力暖房の安全性と信頼性も検証されました。当時、各国は原子力加熱の長年の運用経験を蓄積しており、原子力事故や安全事故は発生していませんでした。技術の成熟度や安全性の観点から、原子力加熱技術を推進する上で根本的な問題はないといえる。

しかし、21 世紀になるまで、単一の原子炉加熱炉が商業化されることはほとんどありませんでした。現在主流となっている原子力暖房は、依然として元々の原子力発電所を利用し、蒸気抽出加熱設備を追加し、熱電併給を実現するというものである。

原子力加熱技術の推進は、主に以下の2つの側面に限定されます。

一つは経済的な理由です。原子力暖房の燃料費は比較的低いが、原子炉建設場所の選定、設備の安全レベル、および支援安全設備のコストは比較的高い。化石エネルギーと比較すると、経済的な利点はありません。

2つ目は、核技術の機密性であり、これも主な理由です。原子力問題は、もともと単なる技術的な問題であったが、核兵器の拡散に関わり、国民が原子力技術に敏感であることから、政治問題へと発展し始めており、それが原子力加熱技術の推進と応用を妨げている。

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熱電併給

我が国の原子力暖房技術は遅れて始まりましたが、研究は継続されており、技術は向上し続けています。現在、我が国の原子力加熱技術は商業応用できる技術的能力を備えていますが、機密性と経済的な理由から、原子力加熱炉の建設計画は非常にゆっくりと進んでいます。

北京昌平にある清華大学原子核研究所には、暖房に原子力エネルギーを利用する建物が３棟ある。

1983年、中国の科学技術陣がシールドルーム試験炉を改造し、低温加熱試験炉に改造し、我が国の原子力加熱技術の研究が始まりました。原子炉は1989年に正式に稼働し、総面積15,000平方メートルの建物に暖房を供給することに成功しました。これを基に、我が国は5メガワットの低温核加熱炉を建設し、熱電併給発電を実現しました。それ以来、我が国は200MW商用原子炉NHR200-Iの主要技術研究を継続して完了させ、2003年にはより高い運転パラメータを備えた低温原子炉NHR200-IIを開発しました。

原子力暖房の歴史を振り返ると、既存の原子力発電所を利用し、これに暖房設備を追加し、コジェネレーションの形で原子力暖房を実現するのが最も便利な方法であることが容易にわかります。

原子炉の構造は複雑ではありません。わが国本土で最も広く建設されている加圧水型原子炉を例に挙げると、コンパクトな核燃料集合体が密集して「積み重ねられ」、その中に原子炉の出力を制御するための制御棒が挿入され、原子炉の主要構造である炉心を形成しています。次に、コアを水に「浸し」、コアで発生した熱を高速で流れる水によって奪います。これが加圧水型原子炉の基本的な構造です。

これらの高速で流れる水流は、「熱交換器」と呼ばれる一連のパイプを通過してパイプの壁を加熱します。パイプ壁の外側の「二次回路」と呼ばれる空間では、別の水流が加熱されたパイプ壁を高速で洗い流し、熱を奪って高温の蒸気に変換します。この形式の「チューブ壁交換」を利用することで、原子炉は放射性物質をすべて保持しながらエネルギーを安全に「転送」します。したがって、二次回路で生成される高温蒸気は、火力発電所のボイラーで生成される蒸気と本質的に変わりません。

蒸気が蒸気タービンに入ると、蒸気タービン発電機を駆動して安定した電力供給を行うことができます。このプロセスは火力発電所のプロセスとほぼ同じです。このとき、タービンを駆動する蒸気の一部を取り出し、加熱パイプ内の水を加熱する熱源として利用すれば、原子力暖房が可能になります。これは、現在我が国で使用されている商業用原子力暖房の技術的方法でもあります。

この方法を核加熱に使用すると、原子炉の改造や核の安全性の問題は発生しません。技術の実装が簡単で、建設の難易度が低く、経済性が高い。

現在、世界で稼働中の400基以上の原子炉のうち10分の1以上が熱電併給を実現しており、年間合計約1,000基が安全に稼働しています。

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北には山東海陽、南には浙江海塩がある。

住宅都市農村開発省の最新データによると、わが国の冬季暖房面積は年間平均約10％増加しています。 2019年末現在、全国の集中暖房面積は110億平方メートルに達し、北部の都市の暖房エネルギー消費量は標準石炭換算で1億9100万トンとなり、建物全体のエネルギー消費量の約4分の1を占めている。

専門家の中には、北部の暖房需要は急速に伸びているが、熱源は減少しており、原子力暖房を含むクリーンエネルギー暖房を積極的に開発する必要があると指摘する人もいる。

2019年、山東海陽原子力発電所は蒸気の一部を抽出することで初めて原子力加熱を実現した。

約2年間の開発期間を経て、今年11月初旬、海陽原子力発電所の原子力暖房商業実証プロジェクトの第2期450万平方メートルが正式に稼働しました。海陽市は石炭火力暖房に完全に別れを告げ、中国初の「ゼロカーボン」暖房都市となり、20万人の住民がその恩恵を受けている。同時に、このプロジェクトの稼働により、国内の商業用原子力エネルギー暖房における「ゼロブレークスルー」も達成されました。

原子力エネルギーの応用は、伝統的な火力発電会社の変革とアップグレードを促進しました。

海塩市のエネルギー会社のトップは、原子力暖房の後、元々のボイラーや環境保護設備は使われなくなったと語った。かつては3交代制で9人のチームが必要だったボイラー室は、定期的な点検のみを必要とする無人の熱交換ステーションになりました。暖房シーズン1回あたり、彼の会社は環境保護、電力消費、労働などのコストを最大300万元節約できます。

山東省エネルギー局の阮建局長は、山東省は膠東半島に数千万キロワットの原子力発電所基地を建設することに重点を置き、同時に原子力エネルギーの暖房への総合利用を推進していくことを明らかにした。 2030年までに稼働中の設備容量規模は1,300万キロワット以上に達し、条件が整った膠東半島全域で原子力暖房が実現すると予想されています。

北には山東省海陽市、南には浙江省海塩市があります。

秦嶺・淮河線の南側の都市は、違法な集中暖房地域に位置しているため、毎年冬になると湿気と寒さに悩まされることが多い。人々の生活水準が向上し続けるにつれて、南部の人々は冬場の暖房の強化を求めている。

これまで、エネルギー不足やインフラ不足などの要因により、南部での集中暖房運用は十分に実施されていませんでした。今日、原子力エネルギーはクリーンエネルギーとして、南部の人々に希望をもたらしています。

浙江省海塩県は秦嶺淮河線の南に位置しており、県内には集中暖房を行っている暖房会社は存在しない。しかし、秦山原子力発電所は海塩県が所有している。

1991年12月15日、秦山原子力発電所が電力網に接続され、中国本土の原子力のない歴史に終止符が打たれた。我が国はまた、原子力発電所を独自に設計、建設、運営できる7番目の国となりました。

秦山原子力発電所は今年12月3日、既存の商用原子力発電所に暖房設備を増設し、蒸気の一部を熱源として取り出して暖房システムを加熱することで、4,000世帯に原子力暖房を提供した。これは我が国南部における初の原子力暖房プロジェクトであり、南部の暖房における画期的な出来事です。

秦山原子力発電所の原子力暖房プロジェクトは、建設開始から完成、稼働開始まで5か月もかからなかったことは注目に値する。

秦山原子力発電所原子力加熱実証プロジェクト。写真提供：著者

現在、海塩県はプロジェクトの第 1 フェーズを運用しており、3 つのコミュニティでのみ原子力暖房を実施しています (この 3 つのコミュニティにはすでに暖房パイプラインがあるため)。秦山原子力発電所の原子力暖房プロジェクトの計画によると、2022年冬までに、海塩県の主要市街地の西部と北部で原子力暖房が実現される予定です。将来的には、秦山原子力発電所の原子力暖房プロジェクトは海塩県全域と県内の周辺の街路や町にまで波及し、海塩県は南部の原子力暖房のランドマーク都市となるでしょう。

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経済と環境のアカウント

それで、原子力暖房は高価なのでしょうか?

核暖房は高価ではありません。当時、西側諸国が原子力暖房を開発した重要な理由の一つは、化石エネルギー暖房のコストの高さでした。現在、我が国では原子力発電所を利用して、コジェネレーション方式で熱と電力を生成し、原子力エネルギーによる暖房を実現しています。暖房パイプラインの敷設と維持にかかる費用を除けば、原子力発電所の主なコストは燃料費です。つまり、冬季の暖房に原子力エネルギーを使用する場合、原子力発電所は原子炉の「炉」を少しだけ強力に燃焼させるだけでよく、核燃料のコストは化石エネルギーのコストに比べてかなり経済的です。

山東海陽原子力暖房プロジェクトの運営状況から判断すると、原子力熱輸送パイプラインのコストを除けば、原子力暖房のコストは石炭燃焼のコストと同等である。秦山原子力発電所の原子力暖房プロジェクトでは、原子力暖房サービスを実現したコミュニティのユーザーの暖房コストも以前に比べてある程度減少しました。

海塩県の住民によると、同地域ではもともと暖房に天然ガスボイラーを使用しており、暖房シーズンごとに1平方メートルあたり46元の料金がかかっていた。現在は原子力暖房に変わりました。外部配管網の交換を除き、室内暖房設備は従来と同じですが、価格は1平方メートルあたり30元に引き下げられます。彼らの家の面積は70平方メートルで、暖房シーズンの費用は当初3,220元だったが、現在は2,100元に減り、1,120元を節約できた。

原子力エネルギー暖房は、非常に効率的でクリーンな暖房方法として、経済的な考慮に加えて、環境面の考慮も必要です。

秦山原子力発電所の原子力暖房プロジェクトを例にとると、プロジェクトが全面的に稼働すると、電気暖房に比べて年間1億9,600万kWhの電力消費を節約できます。石炭火力発電所と比較すると、標準石炭の消費量を年間約24,600トン削減でき、それに伴い二酸化硫黄排出量を年間1,817トン、窒素酸化物を年間908トン、二酸化炭素排出量を年間59,000トン削減できます。これは郡に奉仕するプロジェクトにすぎません。今後の原子力発電プロジェクトが本格的に推進されれば、我が国のカーボンピークとカーボンニュートラルにとって大きな意義を持つことになるだろう。

現在、我が国の炭素排出権取引市場は徐々に構築されつつあり、原子力発電所も炭素排出権取引市場に参入し始めています。これは一方では原子力発電会社の原子力暖房への参加意欲を刺激することができ、他方では原子力暖房のコストをさらに削減することができる。

しかし、前述のように、現在の原子力暖房は、既存の原子力発電所を改造し、原子力の安全性に影響を与えることなく暖房システムを設置することで実現されています。我が国の商業用原子力発電所はすべて沿岸地域に位置しており、北部沿岸地域に位置するのはわずか数か所であるため、内陸部で原子力による暖房を実現するのは困難です。

2021年10月31日現在、中国本土には建設中および稼働中の原子力発電所が71基あり、そのうち52基が稼働中である。画像出典: 国立原子力安全局

長距離熱伝送技術の進歩により、将来的には沿岸部の原子力発電所から半径200キロメートル以内での原子力暖房が可能になると期待されています。この観点から、商業用原子力発電所に加熱システムを追加することで原子力加熱を実現することには、まだ大きな開発の余地があります。

既存の原子力発電所のコジェネレーション方式を利用して暖房用の原子力エネルギーを供給することで、安全性、経済性、効率性を確保できることに留意すべきである。しかし、広大な国土を前に、現在の原子力エネルギーによる暖房は、主に化石エネルギーに依存している我が国の冬の暖房方法を変えるのにほとんど効果がありません。将来的には、多目的小型原子炉を積極的に開発することによってのみ、原子力暖房は低炭素排出削減と国民への奉仕においてより良い役割を果たすことができる。

現在、我が国は先進的な小型原子炉の様々なモデルを研究しています。同時に、我が国は山東省で第4世代先進ガス冷却炉プロジェクトを建設し、海南省では玲龍1号小型原子炉プロジェクトの建設を開始しました。これらの先進的な原子炉はモジュール方式で建設されており、建設期間が短縮されます。また、必要に応じて発電、蒸気供給、加熱、さらには海水淡水化などの機能も実行できます。これらの設計は従来の原子力発電所よりも安全で、先進的かつ経済的です。

将来、これらの小型原子炉が大規模に建設されれば、原子力加熱の主力となるだろう。

参考文献:

1. フェルミ: 原子時代の先駆者 |郭世聡。サイエンスワールド。 2002年(03)

2. 第1シーン：初の原子力発電所「無事故」の秘密を探る |陳暁偉、謝亜紅。人民日報オンライン。 2014-06-26

3. 南部で最初の原子力暖房プロジェクトが稼働しました。複製して宣伝することはできますか? |ヤンヤン。論文。 2021-12-05

4. 「芯が温まる」！海陽市が中国初の「ゼロカーボン」暖房都市に |王昊、静毅。ペニンシュラメトロポリスデイリー。 2021-11-15