北方如何解決既要供暖又不想要霧霾的大難題？你可能需要一座核反應堆

北方燒煤污染，煤改氣沒完工，你還可以靠「核」取暖！

出品| 網易新聞

作者| 鐵流

　　每到供暖季，北方都要面對一個哈姆雷特式的難題：要暖氣還是要無霧霾的空氣？

　　一個好消息是：近日，中國研發成功了「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，早已不是什麼新概念

　　採用核能供暖並不是中國首創的技術。早在半個世紀前，北歐就有民用核能供暖的核反應堆。蘇聯在勃涅日涅夫時期，為了城市集中供暖的需要，也興建過核能供熱反應堆，而且還在部分社會主義國家得到應用。此外，德國、法國、瑞士、加拿大等國也都進行過核供熱堆的研究與開發。

　　不過，除了蘇聯/俄羅斯一直在推動核能供熱，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堆商業化運營的先例。

　　中國於上世紀80年代初期開始研發核能供熱反應堆。本次成功研發出泳池式低溫供熱堆，是技術不斷積累改進的最新成果。雖然並非革命性的技術進步，但其在經濟性、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，核反應堆在核裂變過程中會釋放巨大的能量，核電站會用這些能量來發電，而低溫供熱堆則是將這些能量用於供暖。

　　這裡的低溫並不是普通人認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，而這個溫度在核反應堆中屬於低溫範疇。

　　（低溫供熱堆基本結構）

　　上圖為低溫供熱堆基本結構，供熱堆可以簡單分為外殼和堆芯。

　　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，這二者共同構成了反應堆的雙重安全屏障。反應堆堆芯是供熱的核心部分，安裝在壓力殼內，堆芯內有核燃料棒。核燃料棒周圍是控制棒，控制棒內裝有碳化硼，可以有效吸收中子，這樣就能控制核裂變，進而控制核反應堆的功率。

　　壓力殼內充滿去離子水，反應堆核裂變產生的能量以壓力殼中的水為媒介，通過熱交換器帶出去，然後通過中間迴路、熱網/蒸汽迴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，整個供熱堆就像一個小游泳池，其供熱原理就是將反應堆堆芯放置在一個常壓水池的深處，利用水層的靜壓力提高堆芯出口水溫以滿足供熱要求，而熱量通過兩級交換傳遞給供熱迴路，再通過熱網將熱量輸送給用戶。

　　中國研發成功的這款泳池式低溫供熱堆代號為DHR-400，其中DHR是指區域供熱反應堆，400則是指核反應堆熱功率達400MW（兆瓦）。1兆瓦等於1000000瓦，而400兆瓦的供熱堆已經是目前全球在研最大的供熱核反應堆。

　　據測算，這樣的一座低溫供熱堆，供暖建築面積可達約2000萬平方米，相當於20萬戶三居室，預計2020年後在北方進行推廣。

（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，對核技術非常恐懼。甚至，現實中還發生過僅僅因為名字中帶「核電」，某單位搬遷到一地後，直接導致周邊房價下降的情況。那麼，用核電供暖，真的不會有安全隱患嗎？

　　中國的泳池式低溫供熱堆從設計之初就充分考慮了固有安全性，可以從理論上排除發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，供熱堆採用非能動安全系統設計，裝備兩套獨立、冗餘的餘熱排出系統，每套系統均可將反應堆停堆後的剩餘發熱通過自然循環由空氣冷卻器排向大氣，不需要動力源，也就避免了福島核事故中因斷電導致餘熱排出系統癱瘓的情況。這種設計有效確保了反應堆的安全。

　　其次，低溫供熱堆壓力容器內裝有大量欠熱水，單位熱功率水容積約為壓水堆核電廠的15倍，對堆芯餘熱排出、防止堆芯失水和緩解其它事故後果均有較大益處。

　　此外，低溫供熱堆的堆芯位於水池底部，始終處於淹沒狀態。即便發生意外，供熱堆中的1800噸水也可以確保20多天堆芯不裸露，實現「零堆熔」。而且，本次研發成功的泳池式低溫供熱堆採用雙層承壓殼設計，即使壓力容器底部發生破裂，也不會導致堆芯失水。

　　最後，低溫核供熱堆採取了多種措施設置多重實體屏障，防止放射性物質污染熱用戶。比如在含放射性的一迴路和熱網之間設置中間隔離迴路。

　　中間迴路將主迴路傳來的熱量傳輸給熱網/蒸汽迴路，同時又將帶有放射性的主迴路水與熱網/蒸汽迴路水隔離開來。熱網/蒸汽迴路獲得熱量後，再將此熱量傳輸給用戶。在設計中，中間隔離迴路的工作壓力高於冷卻劑迴路，這就保證在主換熱器泄漏的情況下放射性也不會進入熱網。

　　此外，DHR-400泳池式低溫供熱堆還具備操作簡便、寬容期長、運行參數低、冷卻劑不含硼溶液等一系列優點，這些優點都提升了反應堆的安全性。

（四）供暖的同時，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，對於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。

　　這裡必須強調的是，其實不僅核反應堆會泄露出放射性物質，像燃煤鍋爐房也會隨煙灰和爐渣排放放射性物質，而以相同規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僅為燃煤鍋爐的不足三十分之一。

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

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

　　在國外缺水地區，這個價格還是很有市場競爭力的。

　　同樣的，中國北方一些城市的淡水供應嚴重依賴各種大型工程，比如天津「引灤入津」工程的引水長度達234公里，大連「引英入連」輸水管線工程全長達114.5公里，目前這些工程的成本由財政承擔，並沒有被計入淡水價格中。

　　如果將引水工程的真實成本計入淡水水價中，核供熱堆用于海水淡化在中國北方的部分缺水城市，也具備一定經濟競爭力。

結語

　　中國DHR-400泳池式低溫供熱堆具有非常高的固有安全性，且經濟性也優於燃氣供熱，可以做到和傳統燃煤鍋爐相當。在退役後，廠址還可實現綠色復用，因而非常適合在北方內陸地區使用，是中國北方冬季綠色供暖的一個新選擇。

　　一旦這種低溫供熱堆開始大規模取代燃煤鍋爐，將有助於解決冬季霧霾問題，天會更藍，空氣會更加清新，生態環境也會更加宜居。

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編輯| 史文慧