既要供暖又不想要霧霾你可能需要一座核反應(yīng)堆

2018-04-09 16:04:56 了不起的中國(guó)制造　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

每到供暖季，北方都要面對(duì)一個(gè)哈姆雷特式的難題：要暖氣還是要無霧霾的空氣？一個(gè)好消息是：近日，中國(guó)研發(fā)成功了不冒煙的鍋爐——泳池式低

每到供暖季，北方都要面對(duì)一個(gè)哈姆雷特式的難題：要暖氣還是要無霧霾的空氣？

一個(gè)好消息是：近日，中國(guó)研發(fā)成功了“不冒煙的鍋爐”——泳池式低溫供熱堆，未來北方將有望用核能來供暖，徹底跟取暖帶來的污染說拜拜。

（一）核能供暖，早已不是什么新概念

采用核能供暖并不是中國(guó)首創(chuàng)的技術(shù)。早在半個(gè)世紀(jì)前，北歐就有民用核能供暖的核反應(yīng)堆。蘇聯(lián)在勃涅日涅夫時(shí)期，為了城市集中供暖的需要，也興建過核能供熱反應(yīng)堆，而且還在部分社會(huì)主義國(guó)家得到應(yīng)用。此外，德國(guó)、法國(guó)、瑞士、加拿大等國(guó)也都進(jìn)行過核供熱堆的研究與開發(fā)。

不過，除了蘇聯(lián)/俄羅斯一直在推動(dòng)核能供熱，以此解決冬季的供暖問題之外，世界上還沒有特別成功的核能供熱反應(yīng)堆商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的先例。

中國(guó)于上世紀(jì)80年代初期開始研發(fā)核能供熱反應(yīng)堆。本次成功研發(fā)出泳池式低溫供熱堆，是技術(shù)不斷積累改進(jìn)的最新成果。雖然并非革命性的技術(shù)進(jìn)步，但其在經(jīng)濟(jì)性、安全性和熱功率等方面都有不小的提升。

（二）一座400兆瓦的供熱堆，能給20萬戶三居室供暖

眾所周知，核反應(yīng)堆在核裂變過程中會(huì)釋放巨大的能量，核電站會(huì)用這些能量來發(fā)電，而低溫供熱堆則是將這些能量用于供暖。

這里的低溫并不是普通人認(rèn)知中零下幾度的那種低溫，而是指這種供熱堆的工作溫度可以被控制在200攝氏度以下，而這個(gè)溫度在核反應(yīng)堆中屬于低溫范疇。

（低溫供熱堆基本結(jié)構(gòu)）

上圖為低溫供熱堆基本結(jié)構(gòu)，供熱堆可以簡(jiǎn)單分為外殼和堆芯。

從圖中可以看出，低溫供熱堆有兩層外殼，一層是安全殼，一層是壓力殼，這二者共同構(gòu)成了反應(yīng)堆的雙重安全屏障。反應(yīng)堆堆芯是供熱的核心部分，安裝在壓力殼內(nèi)，堆芯內(nèi)有核燃料棒。核燃料棒周圍是控制棒，控制棒內(nèi)裝有碳化硼，可以有效吸收中子，這樣就能控制核裂變，進(jìn)而控制核反應(yīng)堆的功率。

壓力殼內(nèi)充滿去離子水，反應(yīng)堆核裂變產(chǎn)生的能量以壓力殼中的水為媒介，通過熱交換器帶出去，然后通過中間回路、熱網(wǎng)/蒸汽回路等將熱能送往千家萬戶。

泳池堆是低溫供熱堆中的一種，顧名思義，整個(gè)供熱堆就像一個(gè)小游泳池，其供熱原理就是將反應(yīng)堆堆芯放置在一個(gè)常壓水池的深處，利用水層的靜壓力提高堆芯出口水溫以滿足供熱要求，而熱量通過兩級(jí)交換傳遞給供熱回路，再通過熱網(wǎng)將熱量輸送給用戶。

中國(guó)研發(fā)成功的這款泳池式低溫供熱堆代號(hào)為DHR-400，其中DHR是指區(qū)域供熱反應(yīng)堆，400則是指核反應(yīng)堆熱功率達(dá)400MW（兆瓦）。1兆瓦等于1000000瓦，而400兆瓦的供熱堆已經(jīng)是目前全球在研最大的供熱核反應(yīng)堆。

據(jù)測(cè)算，這樣的一座低溫供熱堆，供暖建筑面積可達(dá)約2000萬平方米，相當(dāng)于20萬戶三居室，預(yù)計(jì)2020年后在北方進(jìn)行推廣。

（三）用核能供暖，安全性如何保證？

在日常生活中，人們總是談“核”色變，對(duì)核技術(shù)非常恐懼。甚至，現(xiàn)實(shí)中還發(fā)生過僅僅因?yàn)槊种袔?ldquo;核電”，某單位搬遷到一地后，直接導(dǎo)致周邊房?jī)r(jià)下降的情況。那么，用核電供暖，真的不會(huì)有安全隱患嗎？

中國(guó)的泳池式低溫供熱堆從設(shè)計(jì)之初就充分考慮了固有安全性，可以從理論上排除發(fā)生類似切爾諾貝利核電站、福島核電站這樣事故的可能。

首先，供熱堆采用非能動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)，裝備兩套獨(dú)立、冗余的余熱排出系統(tǒng)，每套系統(tǒng)均可將反應(yīng)堆停堆后的剩余發(fā)熱通過自然循環(huán)由空氣冷卻器排向大氣，不需要?jiǎng)恿υ矗簿捅苊饬烁u核事故中因斷電導(dǎo)致余熱排出系統(tǒng)癱瘓的情況。這種設(shè)計(jì)有效確保了反應(yīng)堆的安全。

其次，低溫供熱堆壓力容器內(nèi)裝有大量欠熱水，單位熱功率水容積約為壓水堆核電廠的15倍，對(duì)堆芯余熱排出、防止堆芯失水和緩解其它事故后果均有較大益處。

此外，低溫供熱堆的堆芯位于水池底部，始終處于淹沒狀態(tài)。即便發(fā)生意外，供熱堆中的1800噸水也可以確保20多天堆芯不裸露，實(shí)現(xiàn)“零堆熔”。而且，本次研發(fā)成功的泳池式低溫供熱堆采用雙層承壓殼設(shè)計(jì)，即使壓力容器底部發(fā)生破裂，也不會(huì)導(dǎo)致堆芯失水。

最后，低溫核供熱堆采取了多種措施設(shè)置多重實(shí)體屏障，防止放射性物質(zhì)污染熱用戶。比如在含放射性的一回路和熱網(wǎng)之間設(shè)置中間隔離回路。

中間回路將主回路傳來的熱量傳輸給熱網(wǎng)/蒸汽回路，同時(shí)又將帶有放射性的主回路水與熱網(wǎng)/蒸汽回路水隔離開來。熱網(wǎng)/蒸汽回路獲得熱量后，再將此熱量傳輸給用戶。在設(shè)計(jì)中，中間隔離回路的工作壓力高于冷卻劑回路，這就保證在主換熱器泄漏的情況下放射性也不會(huì)進(jìn)入熱網(wǎng)。

此外，DHR-400泳池式低溫供熱堆還具備操作簡(jiǎn)便、寬容期長(zhǎng)、運(yùn)行參數(shù)低、冷卻劑不含硼溶液等一系列優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)都提升了反應(yīng)堆的安全性。

（四）供暖的同時(shí)，解決霧霾和淡水缺乏

每年冬天，北方肆虐的霧霾不僅影響了人們的身體健康，還對(duì)出行和工作生活造成了不便。而使用核能供熱堆取代燃煤鍋爐房，則能有效降低各種污染物的排放，對(duì)于解決城市霧霾問題具有積極意義。

以DHR-400泳池式低溫供熱堆為例，如果用這種核供熱堆來取代同等功率的燃煤鍋爐房，每年可減少32萬噸煤炭使用量，這樣，每年少排放52萬噸二氧化碳、0.6萬噸氧化硫、0.2萬噸氧化氮、0.32萬噸煙塵和10萬噸灰渣。

這里必須強(qiáng)調(diào)的是，其實(shí)不僅核反應(yīng)堆會(huì)泄露出放射性物質(zhì)，像燃煤鍋爐房也會(huì)隨煙灰和爐渣排放放射性物質(zhì)，而以相同規(guī)模的核供熱堆與燃煤鍋爐來說，核供熱堆泄露出的放射性物質(zhì)僅為燃煤鍋爐的不足三十分之一。

在供熱熱價(jià)上，未來中國(guó)的DHR-400泳池式低溫供熱堆可做到40元/GJ（吉焦，1吉焦等于10億焦），與燃煤供暖鍋爐熱價(jià)相當(dāng)。

此外，將核供熱堆與高溫多效蒸餾工藝相結(jié)合，還可以用于海水淡化，一座200兆瓦核供熱堆可日產(chǎn)淡水約16萬噸，而成本只有約每噸5元。

在國(guó)外缺水地區(qū)，這個(gè)價(jià)格還是很有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的。

同樣的，中國(guó)北方一些城市的淡水供應(yīng)嚴(yán)重依賴各種大型工程，比如天津“引灤入津”工程的引水長(zhǎng)度達(dá)234公里，大連“引英入連”輸水管線工程全長(zhǎng)達(dá)114.5公里，目前這些工程的成本由財(cái)政承擔(dān)，并沒有被計(jì)入淡水價(jià)格中。

如果將引水工程的真實(shí)成本計(jì)入淡水水價(jià)中，核供熱堆用于海水淡化在中國(guó)北方的部分缺水城市，也具備一定經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

結(jié)語

中國(guó)DHR-400泳池式低溫供熱堆具有非常高的固有安全性，且經(jīng)濟(jì)性也優(yōu)于燃?xì)夤幔梢宰龅胶蛡鹘y(tǒng)燃煤鍋爐相當(dāng)。在退役后，廠址還可實(shí)現(xiàn)綠色復(fù)用，因而非常適合在北方內(nèi)陸地區(qū)使用，是中國(guó)北方冬季綠色供暖的一個(gè)新選擇。

一旦這種低溫供熱堆開始大規(guī)模取代燃煤鍋爐，將有助于解決冬季霧霾問題，天會(huì)更藍(lán)，空氣會(huì)更加清新，生態(tài)環(huán)境也會(huì)更加宜居。

原標(biāo)題:既要供暖又不想要霧霾，你可能需要一座核反應(yīng)堆

責(zé)任編輯：李鑫

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