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用核能給居民供熱,靠譜不?

何方 |

發布日期:2019-12-12

上世紀60年代,當核電技術漸漸成熟后,那些為寒冷苦惱的國家,就開始研究核能供熱。

冬天一到,取暖就成為人類的大問題。一直以來,我國北方地區主要以燃煤熱電聯產供熱、燃煤鍋爐供熱作為主要供熱方式。這已經成為影響我國冬季北方空氣質量的主要因素之一。

在各種可替代煤炭等化石燃料進行供熱的清潔能源中,核能優勢明顯。

上世紀60年代,當核電技術漸漸成熟后,那些為寒冷苦惱的國家,就開始研究核能供熱。2019年11月15日,山東海陽核能供熱一期工程第一階段正式投用,開始為周邊70萬平方米建筑供熱。這是我國首個核能商業供熱項目,標志著我國正式進入“核能供熱”時代。

核能是如何供熱的,其優勢在哪,是不是真的安全?庫叔為大家一一解答。

1.不是啥黑科技

核能供熱,聽名字似乎是一個高大上,甚至略感硬核的黑科技,實則不然。

在核電站中,反應堆的作用是進行核裂變將核能轉化為水的熱能,至于這些熱能用來“生汽”,即將水變為水蒸氣推動汽輪機發電,還是用來“燒水”,即加熱供暖管網的水,那就要看實際需要了。后一種形式,就是我們今天要說的“核能供熱”。

核能供熱可以簡單地分為兩種方式:

第一種方式:熱電聯供,即反應堆的核能,一部分用來發電,同時另一部分用來供熱。

第二種方式:以專用低溫核反應堆供熱。

我們知道,核電站可以大致分為兩個部分。第一部分當然是核電站的標志性設備—反應堆了。以壓水堆核電站為例(我國商用核電站均為壓水堆核電站),反應堆就像一個大鍋爐,核裂變能將堆芯的水不斷加熱,堆芯的水再加熱二回路的水,使之變成高溫水蒸氣。高溫水蒸氣會進入核電站的第二個部分——汽輪機,推動汽輪發電機發電,發電做功后水蒸氣會冷凝成水,再次回到反應堆被加熱為水蒸氣,完成一個循環。汽輪發電機發的電直接進入千家萬戶,這就是核電站最基本的運轉原理。

供熱是如何實現的呢?同樣是反應堆加熱高溫水蒸汽,不同之處在于,一部分高溫蒸汽被抽出來,用來加熱熱水,并將熱水送到供暖管網中,這樣就實現了核電站在發電的同時供熱,稱為“熱電聯供”。

在“熱電聯供”之外,還有一種核電供熱的模式,即用專用低溫堆供熱。專用低溫堆供熱可分為池式和殼式兩種類型。

所謂池式低溫堆,就是將反應堆布置在一個像游泳池的大水池中,當反應堆運行時,加熱池水,這些池水再通過熱交換器加熱二回路中的水,二回路中的熱水再通過二到三級換熱,將熱水輸入供暖管網實現為居民供熱。

(池式反應堆外觀)

所謂殼式低溫堆,就是將反應堆布置在一個承壓的壓力容器內,通過增加一回路壓力,讓反應堆一回路的出口水溫升高。這些熱水再用來加熱二回路的水,產生高溫蒸汽,高溫蒸汽加熱熱水,實現供熱。

2.也并非新概念

上世紀60年代,瑞士就成功實現了民用核能供熱。此后,前蘇聯也以其VK-50反應堆技術為基礎研究核能供熱。

(瑞士瑞士Beznau核電站,已持續供熱近40年)

前聯邦德國在60年代中期,利用其加壓重水堆,在生產53兆瓦發電功率的同時,還向用戶提供20兆瓦的供熱功率。

加拿大在上世紀70年代末開始大規模應用核能供熱。布魯斯A核電站是加拿大核供熱站的典型,該電站有4臺75萬千瓦功率的核電機組,它向附近地區提供約18兆瓦的采暖供熱功率。

1980年開始,瑞士的貝茲瑙核電站開始為11個社區供熱至今。目前,俄羅斯也建立了部分熱電聯供核電站,向該國的北部居民區供電。與此同時,保加利亞,羅馬尼亞,斯洛伐克,匈牙利等國,也設計、開發出了很多核能供熱系統,讓核能成為區域供熱或工業供熱的熱源,并積累了豐富的運行經驗。

目前,國外約有58座核電機組采取熱電聯產方式為區域居民供熱,供熱建筑面積已經達到了7000多萬平方米。核能供熱已經是一個技術成熟的產業。

在我國,核能供熱也早已開始嘗試。國內一些科研院所,30多年前就開始利用自己的試驗反應堆進行核能供熱。

1983年11月,清華大學經過改造后的游泳池式屏蔽反應堆(901堆)正式開始運行,對核能研究所的三座實驗大樓進行供暖。實踐證明,在50多天的試驗時間里,核能供熱能保證室內溫度達到16~18℃,比燃燒同熱當量的煤溫度高4~5°,且沒有任何污染。

這并不是唯一的探索。2017年,中核集團原子能科學研究院改造了其已運行了超過50年的反應堆(49-2堆),開展核能供熱研究,并成功實現了核能供熱。改造后的池式反應堆向兩棟辦公樓和一座廠房,共計約1萬平方米的建筑進行供熱,供熱效果良好。

(中核集團展示其池式低溫供熱堆)

在開展核能供熱試驗的同時,我國也規劃利用新建的大型商用核電站開展商用核能供熱。例如,以901堆供熱為基礎,清華大學研發了NHR200殼式低溫供熱堆;以492堆供熱為基礎,中核集團研發了“燕龍”泳池式低溫供熱堆。國家電力投資集團有限公司也于2015年開始進行微壓供熱堆HAPPY200的研發。此外,國家電投下屬的上海核工院也在其先進小型反應堆技術如“和美五號”、“和海一號”上,設計了核能供熱功能。此外,規劃中的遼寧徐大堡核電站已將核能供熱列入計劃。

3.環保、經濟、安全

相比于傳統的供暖方式,核能供暖最突出的優勢是環保。

數據顯示,一座400兆瓦的核能供熱堆,每年可以替代32萬噸燃煤或1.6億立方米天然氣,相比煤炭核能供熱可減少煙塵排放3200噸,減少灰渣10萬噸,減排二氧化碳52萬噸,減排二氧化硫6000噸,減排氮氧化物2000噸。

如果采用核能供熱,可大量替代區域鍋爐房和分散的小鍋爐房,有效緩解我國冬季霧霾情況。

核能供熱成本會高嗎?其實核能供熱經濟性也挺不錯。熱電聯產模式的核能供熱,它只將原本用于發電的能量用于供熱,電費收入變成了供暖收入。

專為供熱研究的低溫堆,根據測算,其成本也低于當前的傳統供暖方式。

核能供熱堆的主要成本體現在建設投資上,其建設投資是同等規模燃煤鍋爐的2~3倍。不過,因為核能能量密度高,熱效率高,其運行成本遠低于燃煤鍋爐,且使用壽命可達60年,是燃煤鍋爐的2~4倍。

根據初步估算,以一座400兆瓦池式供熱堆建成后可供熱面積約1000萬至2000萬平方米,相當于能為40萬至80萬人口供暖,整個供暖季供熱價格僅為燃氣供暖(27-30元/平方米)的一半,甚至更低。

核能供熱規模化應用后,將具有明顯的經濟和環境效益。

核能供熱技術成熟,環保、經濟優勢明顯,那么最關鍵問題來了,核能供熱技術安全嗎?

(核能供熱的換熱過程 來源:國家電投微信公眾號)

事實上,核能供熱的安全是可以保障的。

首先,反應堆裂變產生的熱量加熱熱水,這些熱水并不是直接進入供暖管網,而需要通過多級換熱,才能到達普通供熱管網,而且水蒸氣與反應堆堆芯是實體隔離的,蒸汽本質上和高壓鍋中的蒸汽一樣并不具備放射性。

其次,在設計方面,這些換熱管網隨著級數的增加,壓力不斷提高,也就是說,換熱站中下一級管道的壓力要比上一級管道的壓力要高,這樣即使換熱站管道有破損,也只會是下一級的水進入上一級管道,而不是相反,這種設計徹底消除了普通人擔心的放射性污染風險。

換句話說,核能供給居民的熱量和核電站供給家庭的電一樣安全,與輻射無關。

目前,我國是世界上核電發展最快,在建規模最大,并同時掌握多種先進核電技術的國家。

從數量看,我國目前已經建成大型商用核電機組48臺(不包含臺灣),在建核電機組10臺,核電規模位居世界第三,并擁有世界上數量最多的三代核電機組。這種依然在快速增長的核電規模,將成為我國經濟發展的強大引擎。

從技術看,我國掌握國和一號和華龍一號等完全自主知識產權的三代核電技術,擁有多個低溫供熱堆技術、多用途小堆技術、先進快堆技術、大型先進高溫氣冷堆技術,并且還在積極研究多種概念性反應堆技術。這些技術,是核能服務于我國經濟和環保的技術基礎。

而以山東海陽核能供熱一期工程投運為標志,利用已建成的大型商用核電站進行汽機抽氣供熱,因為其工作過程安全,簡單,或成為我國未來一段時間內實現核能供暖最可靠最先行的方式。

未來,核能供熱將與核能發電以及核能其他應用一起,成為我國不斷發展和居民生活提高的基礎能源。隨著我國北方核電的規模不斷壯大,核能冬季供熱將成為一種趨勢。

來源:瞭望智庫

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