用核能给居民供热,靠谱不?-瞭望智库
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用核能给居民供热,靠谱不?

何方 |

发布日期:2019-12-12

上世纪60年代,当核电技术渐渐成熟后,那些为寒冷苦恼的国家,就开始研究核能供热。

冬天一到,取暖就成为人类的大问题。一直以来,我国北方地区主要以燃煤热电联产供热、燃煤锅炉供热作为主要供热方式。这已经成为影响我国冬季北方空气质量的主要因素之一。

在各种可替代煤炭等化石燃料进行供热的清洁能源中,核能优势明显。

上世纪60年代,当核电技术渐渐成熟后,那些为寒冷苦恼的国家,就开始研究核能供热。2019年11月15日,山东海阳核能供热一期工程第一阶段正式投用,开始为周边70万平方米建筑供热。这是我国首个核能商业供热项目,标志着我国正式进入“核能供热”时代。

核能是如何供热的,其优势在哪,是不是真的安全?库叔为大家一一解答。

1.不是啥黑科技

核能供热,听名字似乎是一个高大上,甚至略感硬核的黑科技,实则不然。

在核电站中,反应堆的作用是进行核裂变将核能转化为水的热能,至于这些热能用来“生汽”,即将水变为水蒸气推动汽轮机发电,还是用来“烧水”,即加热供暖管网的水,那就要看实际需要了。后一种形式,就是我们今天要说的“核能供热”。

核能供热可以简单地分为两种方式:

第一种方式:热电联供,即反应堆的核能,一部分用来发电,同时另一部分用来供热。

第二种方式:以专用低温核反应堆供热。

我们知道,核电站可以大致分为两个部分。第一部分当然是核电站的标志性设备—反应堆了。以压水堆核电站为例(我国商用核电站均为压水堆核电站),反应堆就像一个大锅炉,核裂变能将堆芯的水不断加热,堆芯的水再加热二回路的水,使之变成高温水蒸气。高温水蒸气会进入核电站的第二个部分——汽轮机,推动汽轮发电机发电,发电做功后水蒸气会冷凝成水,再次回到反应堆被加热为水蒸气,完成一个循环。汽轮发电机发的电直接进入千家万户,这就是核电站最基本的运转原理。

供热是如何实现的呢?同样是反应堆加热高温水蒸汽,不同之处在于,一部分高温蒸汽被抽出来,用来加热热水,并将热水送到供暖管网中,这样就实现了核电站在发电的同时供热,称为“热电联供”。

在“热电联供”之外,还有一种核电供热的模式,即用专用低温堆供热。专用低温堆供热可分为池式和壳式两种类型。

所谓池式低温堆,就是将反应堆布置在一个像游泳池的大水池中,当反应堆运行时,加热池水,这些池水再通过热交换器加热二回路中的水,二回路中的热水再通过二到三级换热,将热水输入供暖管网实现为居民供热。

(池式反应堆外观)

所谓壳式低温堆,就是将反应堆布置在一个承压的压力容器内,通过增加一回路压力,让反应堆一回路的出口水温升高。这些热水再用来加热二回路的水,产生高温蒸汽,高温蒸汽加热热水,实现供热。

2.也并非新概念

上世纪60年代,瑞士就成功实现了民用核能供热。此后,前苏联也以其VK-50反应堆技术为基础研究核能供热。

(瑞士瑞士Beznau核电站,已持续供热近40年)

前联邦德国在60年代中期,利用其加压重水堆,在生产53兆瓦发电功率的同时,还向用户提供20兆瓦的供热功率。

加拿大在上世纪70年代末开始大规模应用核能供热。布鲁斯A核电站是加拿大核供热站的典型,该电站有4台75万千瓦功率的核电机组,它向附近地区提供约18兆瓦的采暖供热功率。

1980年开始,瑞士的贝兹瑙核电站开始为11个社区供热至今。目前,俄罗斯也建立了部分热电联供核电站,向该国的北部居民区供电。与此同时,保加利亚,罗马尼亚,斯洛伐克,匈牙利等国,也设计、开发出了很多核能供热系统,让核能成为区域供热或工业供热的热源,并积累了丰富的运行经验。

目前,国外约有58座核电机组采取热电联产方式为区域居民供热,供热建筑面积已经达到了7000多万平方米。核能供热已经是一个技术成熟的产业。

在我国,核能供热也早已开始尝试。国内一些科研院所,30多年前就开始利用自己的试验反应堆进行核能供热。

1983年11月,清华大学经过改造后的游泳池式屏蔽反应堆(901堆)正式开始运行,对核能研究所的三座实验大楼进行供暖。实践证明,在50多天的试验时间里,核能供热能保证室内温度达到16~18℃,比燃烧同热当量的煤温度高4~5°,且没有任何污染。

这并不是唯一的探索。2017年,中核集团原子能科学研究院改造了其已运行了超过50年的反应堆(49-2堆),开展核能供热研究,并成功实现了核能供热。改造后的池式反应堆向两栋办公楼和一座厂房,共计约1万平方米的建筑进行供热,供热效果良好。

(中核集团展示其池式低温供热堆)

在开展核能供热试验的同时,我国也规划利用新建的大型商用核电站开展商用核能供热。例如,以901堆供热为基础,清华大学研发了NHR200壳式低温供热堆;以492堆供热为基础,中核集团研发了“燕龙”泳池式低温供热堆。国家电力投资集团有限公司也于2015年开始进行微压供热堆HAPPY200的研发。此外,国家电投下属的上海核工院也在其先进小型反应堆技术如“和美五号”、“和海一号”上,设计了核能供热功能。此外,规划中的辽宁徐大堡核电站已将核能供热列入计划。

3.环保、经济、安全

相比于传统的供暖方式,核能供暖最突出的优势是环保。

数据显示,一座400兆瓦的核能供热堆,每年可以替代32万吨燃煤或1.6亿立方米天然气,相比煤炭核能供热可减少烟尘排放3200吨,减少灰渣10万吨,减排二氧化碳52万吨,减排二氧化硫6000吨,减排氮氧化物2000吨。

如果采用核能供热,可大量替代区域锅炉房和分散的小锅炉房,有效缓解我国冬季雾霾情况。

核能供热成本会高吗?其实核能供热经济性也挺不错。热电联产模式的核能供热,它只将原本用于发电的能量用于供热,电费收入变成了供暖收入。

专为供热研究的低温堆,根据测算,其成本也低于当前的传统供暖方式。

核能供热堆的主要成本体现在建设投资上,其建设投资是同等规模燃煤锅炉的2~3倍。不过,因为核能能量密度高,热效率高,其运行成本远低于燃煤锅炉,且使用寿命可达60年,是燃煤锅炉的2~4倍。

根据初步估算,以一座400兆瓦池式供热堆建成后可供热面积约1000万至2000万平方米,相当于能为40万至80万人口供暖,整个供暖季供热价格仅为燃气供暖(27-30元/平方米)的一半,甚至更低。

核能供热规模化应用后,将具有明显的经济和环境效益。

核能供热技术成熟,环保、经济优势明显,那么最关键问题来了,核能供热技术安全吗?

(核能供热的换热过程 来源:国家电投微信公众号)

事实上,核能供热的安全是可以保障的。

首先,反应堆裂变产生的热量加热热水,这些热水并不是直接进入供暖管网,而需要通过多级换热,才能到达普通供热管网,而且水蒸气与反应堆堆芯是实体隔离的,蒸汽本质上和高压锅中的蒸汽一样并不具备放射性。

其次,在设计方面,这些换热管网随着级数的增加,压力不断提高,也就是说,换热站中下一级管道的压力要比上一级管道的压力要高,这样即使换热站管道有破损,也只会是下一级的水进入上一级管道,而不是相反,这种设计彻底消除了普通人担心的放射性污染风险。

换句话说,核能供给居民的热量和核电站供给家庭的电一样安全,与辐射无关。

目前,我国是世界上核电发展最快,在建规模最大,并同时掌握多种先进核电技术的国家。

从数量看,我国目前已经建成大型商用核电机组48台(不包含台湾),在建核电机组10台,核电规模位居世界第三,并拥有世界上数量最多的三代核电机组。这种依然在快速增长的核电规模,将成为我国经济发展的强大引擎。

从技术看,我国掌握国和一号和华龙一号等完全自主知识产权的三代核电技术,拥有多个低温供热堆技术、多用途小堆技术、先进快堆技术、大型先进高温气冷堆技术,并且还在积极研究多种概念性反应堆技术。这些技术,是核能服务于我国经济和环保的技术基础。

而以山东海阳核能供热一期工程投运为标志,利用已建成的大型商用核电站进行汽机抽气供热,因为其工作过程安全,简单,或成为我国未来一段时间内实现核能供暖最可靠最先行的方式。

未来,核能供热将与核能发电以及核能其他应用一起,成为我国不断发展和居民生活提高的基础能源。随着我国北方核电的规模不断壮大,核能冬季供热将成为一种趋势。

来源:瞭望智库

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