推薦按語        今日中國本來是美麗的！

如果30年來就推廣這項技術.....???

呂應中

         針對我國第一場全國性的嚴重霧霾災難, 2013年01月4日人民網-人民日報刊載了武衛(wèi)政的如下‘我有話說’：

        “‘牽著你的手，卻看不見你’不是美麗中國，‘厚德載霧，自強不吸’不是全面小康。經濟發(fā)展再也不能走先污染后治理的老路，城市管理再也不能以“空氣不好是小事”心態(tài)來應對突發(fā)情況，居民生活再也不能只圖自己方便、不管環(huán)境負擔。只有形成節(jié)約資源和保護環(huán)境的空間格局、產業(yè)結構、生產方式、生活方式，從源頭上扭轉生態(tài)環(huán)境惡化趨勢，我們才可能擁有天藍、地綠、水凈、風清的美好家園。

　 ‘同呼吸，共責任’，這責任是政府的責任，是企業(yè)的責任，也是每一個公民的責任。
美麗中國，從健康呼吸開始。”

       這一席話發(fā)表后, 立即獲得千萬網民的共鳴與擁護。

       本網文作者田嘉夫、趙兆頤教授, 不僅是共鳴者之一，還是積極承擔責任的公民之一；他們在三十多年前，就開始與其他同事一起，研究與開發(fā)采用固有安全核能代替燃燒煤炭，降低環(huán)境污染的工作。后來他們又奔走全國北方許多城市, 宣傳與推廣此項技術，遇到重重困難，但知難而進, 始終堅持至今。他們及時發(fā)表這篇網文，總結了三十年來的經驗教訓，提出今后的建議, 堪稱肺腑之言, 讀之令人動容。

        我想, 不僅廣大網民和各級領導，只要是讀了他們這篇網文，必然會同樣深有感觸：“今日中國本來是美麗的！如果30年來就推廣這項技術….???”。不過，我還堅信, 亡羊補牢，未為晚也！

低碳城鎮(zhèn)的核供熱能源

田嘉夫  趙兆頤
清華大學, 北京（100084）
E-mail: jftian@tsinghua.edu.cn； zhaozy@tsinghua.edu.cn

摘要：

        我國采暖供熱主要依靠煤炭，大量燃煤造成城市嚴重污染，同時還大量排放溫室氣體。為適應人口密集、建筑集中的情況，我國已經建成和正在建設很多集中供熱系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，替代煤炭的最有效措施之一就是采用核能低溫供熱。但這需要開發(fā)創(chuàng)新型供熱反應堆，它應該比現有的供熱堆設計更安全、更可靠和更經濟。它還應該在經濟上有與常規(guī)區(qū)域供熱能源相競爭的能力。本文介紹了為這種應用而設計的一種低碳城鎮(zhèn)的新型低溫供熱堆。 

        為響應亞太經濟合作組織（APEC）和國家能源局的號召，為節(jié)能減排、發(fā)展新能源、建設低碳城市的需要，本文提供一個完全可以應用于低碳城鎮(zhèn)示范項目上的清潔能源技術。這項技術起源于1985年中國第一批發(fā)明專利，稱為深水池供熱堆的核能供熱技術，是一個技術簡單成熟、安全可靠、能大量替代煤炭為城市供熱，并且價格低于煤炭幾倍的沒有碳排放的采暖能源。

        這項技術研究在中國國內前后研究了30余年。參加研究的人員已經從青壯年變成了白發(fā)蒼蒼的老人，可是這些老人還沒有忘記，只要是好的經得住時間考驗的科學技術，遲早會有機會為國家做出貢獻。

        今天就世界經濟發(fā)展來看，能源和環(huán)境的矛盾突出，節(jié)能減排的計劃難以完成。包括中國在內的很多國家，曾經把大力發(fā)展核電作為一項減少消耗化石燃料的重要手段。但是就在核電蓬勃發(fā)展之際，發(fā)生了日本福島核事故，猶如一盆冷水澆滅了核電的發(fā)展勢頭。我國也慎重地吸取教訓，決定今后主要建設安全性更高的第三代核電，暫停內陸核電的審批，降低了核電發(fā)展速度。

        但是，一場震驚世界的核事故，卻極大地喚醒了公眾對核能安全的關注，大家對電視和媒體的報導議論紛紛，對核能已經有了進一步的了解。前些年我國有十多座城市都曾開展核能采暖低溫供熱和海水淡化的可行性研究。曾有許多地方領導、市政和供熱等部門人員參與，他們十分關心核能的應用和發(fā)展，這次目睹了核電站廠房爆炸，事故后向我們提出許多疑問。主要的擔心就是原設計的池式供熱堆是否可以建造在城市附近，是否可能發(fā)生類似事故？

        以前有些城市批準了深水池核供熱工程立項，可以肯定這種設計絕不會發(fā)生類似日本福島核電站的事故。過去認為這種堆型“過于”安全，當時國外還沒有如此安全的設計，出自國內專利的技術沒有成為國家主攻方向。今天從國內外多年研究情況來看，這種常壓運行的水池型反應堆，能在靠近城市保證安全的基礎上，實現經濟的供熱，是一條合理可行的技術路線。這條路走了三十年，如果我們在核事故深刻教訓面前，正確識別科學研究成果，將能為我國特有的龐大的城市集中供熱系統(tǒng)，找到一種嶄新的經濟的清潔能源，為大量地減少供熱領域的污染和排放開辟一條新路。下面簡單介紹核供熱研究歷程、深水池供熱堆設計特點、專家評審意見以及應用前景。
1． 低溫供熱堆研究歷程

        1981年，在我國中小型動力堆會議上，我們首先提出開展低溫核供熱研究的建議中，論述的依據就是池式供熱堆。1983年清華大學原有的池式研究堆，實現了采暖供熱實驗，這是我國第一次核能低溫供熱實驗。在這一基礎上，研究設計了深水池式供熱堆，并于1985年獲得我國首批發(fā)明專利，也是清華大學第一批發(fā)明專利之一。此后多年進行了深入研究。

        深水池供熱堆研究的出發(fā)點很明確，就是設法將供熱堆系統(tǒng)壓力降下來，直至降為常壓。這樣堆內就沒有向外噴泄和造成泄漏的內能，獲得良好的固有安全性。世界上曾運行幾百座用于實驗研究的池式堆，有些就建造在大城市之內。我國于1964年在北京就建成了兩座池式研究堆，它們安全性好造價低廉，至今還在使用。為實現常壓供熱，池式堆采取了如下技術措施：

        加深水池，以深水靜壓力提高堆芯出口水溫；

        滿足國內高溫差供熱管網中采暖基本熱負荷的需要，循環(huán)水溫達到90/60C或100/70C，對國內低溫差熱網也自然滿足了要求；

        堆芯出口水經過放射性衰減，可采用墊片板式換熱器，這種換熱器技術成熟價格低廉，適合大面積使用以減小換熱器傳熱溫差。

        采用了這些措施，反應堆堆芯就可以不放在密閉的壓力容器內，而是放在一個開口水池的深處，實現常壓池式堆供低溫熱能。只有這樣才能保證在正常工況或是在任何可能發(fā)生的事故工況下，都不會出現超壓事故，真正獲得了反應堆最重要的固有安全性。

2．深水池供熱堆特點

        世界多數的供熱堆設計都是把反應堆放在壓力容器內，在幾十個大氣壓下運行，深水池供熱堆不同，它是在常壓下工作，因此具有如下突出特性：

1.商用規(guī)模供熱堆（100～200MW）采用具有固有安全特性的造價低廉的深水池結構；

2.正常運行和事故工況下，系統(tǒng)處于常壓狀態(tài)，不會出現超壓事故，沒有潛在噴泄的內能；

3.反應堆水池有1200 m3水，池外還有700 m3的備用水源，是安全和冷卻的最好保障，如果出現類似福島的喪失全部電源事故，3個月內無人干預也沒有問題；

4.熱交換器位置高于堆芯，熱水與冷水高度差大于10 m,余熱冷卻可依靠自然循環(huán)；

5.斷電事故時，沒有控制棒插入情況下，也能夠自動降低功率和停堆；

6.能實現由強迫循環(huán)向自然循環(huán)的非能動轉換，過渡過程不出現瞬態(tài)參數異常；

7.堆芯出口水經放射性衰減，換熱器和水泵可使用價廉而有大量使用經驗的標準設備；

8.主要設備安裝在池外的幾個隔間內，便于分部維修，保證供熱運行的可靠性；

9.主要系統(tǒng)和設備處于地面下，地表有厚混凝土防護蓋板，可預防自然的和人為的意外事件；

10.采用擴展堆芯裝量的加深燃耗措施，達到大型動力堆燃料的深燃耗，燃料成本低。

3．國內專家評審意見

       國家核工業(yè)、核安全、城建和環(huán)保等部門的專家一致贊成我國可以首先在這樣的新能源項目上做出示范和進一步推廣應用。在1989至1996年的多次項目審查論證中，給予十分肯定的結論。于2000年，在北京召開了不同技術方案供熱堆的評估論證會議，會議紀要中關于池式供熱堆的評估論證意見摘錄如下：

“池式堆的可行性

        池式供熱堆方案的主要特點是將堆芯放在一個開口的深埋地下的鋼筋混凝土容器內，利用水層的靜壓力提高出口溫度，以滿足供熱的要求。鋼筋混凝土深水池與殼式堆的鋼制壓力容器相比，其性能可靠，堅固耐久，沒有輻照損傷問題，建造容易、建造費用相對較低。

        深水池的設計、建造以及水池襯里泄漏探測、維護方法等國內已經掌握，國內已有建造三座池式試驗堆的經驗和核電站換料水池的經驗。

        水池表面為常壓，沒有密封加壓要求，省去了許多壓力系統(tǒng)和設備，省去了預防超壓，失壓的安全措施，系統(tǒng)簡化，很多設備可采用已有使用經驗的核設備材料和常規(guī)設備材料。

        核燃料組件可采用秦山一期成熟使用的核燃料組件，控制棒及其驅動機構可采用大型生產堆上的成熟技術或池式試驗堆上的技術。一回路主泵和板式熱交換器、閥門等均可采用國內已有技術和產品。池式堆的設計、設備制造和建造技術都是可以實現的?！?/P>

        “池式堆雖未列入國家科技攻關計劃，經過清華大學等科研設計單位的多年努力，已取得了重要科研成果，建議國務院有關部門給予經費支持，完成必須的試驗驗證工作，以早日具備實施示范工程的條件，發(fā)揮池式堆的經濟優(yōu)勢（可降低造價）和技術潛力。低溫核供熱是我國自己開發(fā)并享有自主知識產權的高新技術，宜進行示范工程，為我國核能的利用，開拓新途徑打下基礎。”

        從以上專家語重心長的評審意見可以看出，專家們給出全面肯定的評價，對這項創(chuàng)新技術的應用，寄予了無限的期望。

4．一些城市曾批準深水池核供熱示范項目工程立項

        深水池供熱堆曾完成北京郊區(qū)、遼寧阜新、天津等核供熱工程預可行性研究。其中阜新市和天津市曾批準示范工程立項。

        1988年，天津市考察了國內各種低溫供熱堆的研究情況及聽取有關核研究單位專家意見，考察后他們選擇了深水池供熱堆。天津市深水池核供熱工程預可行性研究完成后，國內專家給予很高評價。以后又召開了國家地震局和國家核安全局專家會議，對天津市西南區(qū)汪頂堤外的核供熱站選址給予肯定。當時法國原子能委員會對深水池堆設計也很有興趣，法國專家考察了天津的深水池供熱堆設計和廠址選擇，他們認為池式堆非常安全，并介紹法國巴黎就建有大型池式研究堆。法國還邀請?zhí)旖蚴性L問了法國核工業(yè)基地，參觀了原子能委員會的70MW大型池式實驗堆，這座堆緊靠巴黎市區(qū)邊界，已經運行20多年。因此得出結論，臨近城市建造大型池式反應堆國際上是有先例的，在安全上可以放心。因此，于1995年，正式批準天津深水池核供熱工程立項，但后來天津項目沒有繼續(xù)進行下去。

5．清潔而又廉價的能源

        同樣在2000年的評審論證中還提到核供熱有助于保護環(huán)境：“建設2×200MW核供熱站，每年只需1.8噸燃料鈾，可替代35萬噸原煤，每年減少向大氣排放二氧化碳49.5萬噸，二氧化硫0.77萬噸，氮氧化物0.2萬噸，煙塵0.14萬噸，排放的放射性僅為燃煤鍋爐的2％左右，具有明顯的環(huán)境效益”。 核能用于供熱能夠改善城市環(huán)境，減少排放是勿庸置疑的。

        核供熱站投資高而燃料費用低，適宜供應采暖基本熱負荷。例如：一個500 萬m2建筑面積的集中供熱區(qū)域，由燃煤鍋爐供熱時，每年大約消耗煤炭20萬噸。由核供熱時，由1座200MW供熱堆供應基荷。每年可取代17萬噸煤炭，消耗1噸核燃料，其費用大約為2000萬元。200MW的供熱堆的初始投資，與規(guī)模相同的燃煤鍋爐的建造費用相比，大約高出1倍左右，但使用壽命可達60年，遠遠高于鍋爐壽命。

        近年來由于國內能源形勢的發(fā)展，我國煤炭價格大幅度上漲，在東部地區(qū)，采暖煤炭每噸價格已經達到和超過800元。燃煤鍋爐供熱每年的17萬噸燃料費將超過1.4億元，很明顯僅僅與燃煤的燃料差價，就有能力很快回收建設核供熱站的投資。

        另外，國內核電與火電相比，經濟性上沒有這種優(yōu)勢，核供熱為什么不同呢？因為在核電成本中，投資影響占主要部分，特別是在我國情況下，由于部分技術和設備進口，投資費用所占比例更高，發(fā)電成本還高于火電。但核供熱站成本中投資成本大大降低。另外，燃料利用率兩者有較大差別，核電效率大約為33％，而火電效率一般超過37％，核能效率處于劣勢。而核供熱效率為98％，集中供熱的較大型鍋爐效率，75％已經是較高的了，替代煤炭效率處于優(yōu)勢。因此核能低溫供熱與核電不同，它具有與常規(guī)能源在經濟上競爭的優(yōu)勢，在我國核燃料費可能會比采暖煤炭費用低2或3倍，比天然氣供熱費用低，而且有更好的環(huán)境效益。

6．自主開發(fā)創(chuàng)新能源是國家的需要

        我國人口密集，城市建筑集中，與西方國家不同，為采暖興建了很多集中供熱系統(tǒng)。由于正處于高速城市化的進程中，集中供熱系統(tǒng)以驚人的速度和規(guī)模發(fā)展。全國集中供熱的建筑面積從2000年的11億平方米，發(fā)展到2005年為25億平方米，到2007年，已達到30億平方米。目前的發(fā)展速度是每年超過4億平方米。為這一系統(tǒng)每年提供的總熱量超過30億吉焦，大約消耗煤炭2.4億噸，排放溫室氣體3.5億噸。在這樣一個廣闊市場中，只要一小部分熱負荷改由核供熱提供，就顯出巨大的效益。例如：5億平方米的基本熱負荷由核供熱提供，則需要建造100座200MW供熱堆，每年可替代煤炭1700萬噸，減排溫室氣體2500萬噸。若每年增加的4億平方米集中供熱面積的基本負荷由核供熱提供，則每年需要增加200MW供熱堆80座。

        這種深水池供熱堆的另一項應用，就是為海水淡化提供熱源。在目前各種熱法淡化工藝中，低溫多效蒸餾法經濟性較好，并已經具有大規(guī)模生產經驗，技術成熟，適合與低溫供熱堆耦合建設海水淡化站。由中國企業(yè)自主設計研發(fā)的兩臺大型(4500噸水/日)低溫多效淡化設備已出口到印度尼西亞,于2011年10月12日正式運行。這種淡化工藝要求供應的蒸汽溫度不高于72℃，正好與這種采暖供熱的溫度要求相同。1座200 MW供熱堆配合海水淡化裝置，可日產淡水80000噸。水資源短缺是我國也是世界很多地區(qū)面臨的重大問題，而且隨著經濟的發(fā)展和人口的增加將日趨嚴重，因此解決海水淡化的大規(guī)模的清潔能源具有重要的長遠意義。

        綜上所述，這是對國家有廣泛需求的節(jié)能減排優(yōu)質能源，是城市希望得到的有保障的采暖能源，是環(huán)境保護需要的無污染排放能源，也是有利于經濟可持續(xù)發(fā)展的低成本能源。為積極響應“新能源•新城市——經濟轉型中的低碳城鎮(zhèn)發(fā)展”的需要，在國家能源局和有關部委的支持下，本文建議在一座北方低碳示范城鎮(zhèn)中，建設采用深水池供熱堆供應采暖基本熱負荷的集中供熱系統(tǒng)，作為城市市政基礎設施，在運行中，為更廣泛地推廣應用做出工程示范。

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