田嘉夫   趙兆頤
清華大學(xué)  北京（100084）

      摘要：北方采暖主要依靠煤炭，城市內(nèi)大量燃煤造成嚴(yán)重環(huán)境問題。能夠大量替代煤炭，比煤便宜的能源是核能。在核能供熱研究中，有一種國內(nèi)開發(fā)設(shè)計的供熱堆，比其它設(shè)計更安全、更可靠，具備推廣應(yīng)用價值。如果用它供應(yīng)集中供熱采暖基本熱負(fù)荷，不僅沒有碳排放，而且供熱成本降低。本文簡單介紹這種低溫核供熱能源。

      關(guān)鍵詞：霧霾治理；環(huán)境污染；集中供熱；核能供熱；供熱成本；

      國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到能源和環(huán)境條件的制約，節(jié)能減排和低碳計劃遇到空前挑戰(zhàn)。國家曾經(jīng)把發(fā)展核電作為一項減少化石燃料消耗的重要手段，但是就在擴(kuò)大規(guī)模蓬勃發(fā)展之際，發(fā)生了日本福島核事故，為吸取教訓(xùn)，不得不減緩核電的發(fā)展勢頭，并決定今后慎重地發(fā)展安全性更高的第三代核電?？墒牵衲陣鴥?nèi)大面積暴發(fā)嚴(yán)重的霧霾天氣，空氣污染已經(jīng)達(dá)到難以承受的水平，這是因為燃煤排放物及其它污染排放物總量已經(jīng)超越了自然凈化能力，必需立即從多方面采取措施，大量減少污染排放物。

一、轉(zhuǎn)變?nèi)济簽橹鞯哪茉唇Y(jié)構(gòu)

      空氣污染最嚴(yán)重的一月份，正值北方城市冬季采暖高峰期。在北京、天津和河北地區(qū)，人口數(shù)量和建筑面積的增長，導(dǎo)致燃煤總量大量增加，其排放的二氧化硫、氮氧化物和細(xì)顆粒物，是引發(fā)這一地區(qū)大氣嚴(yán)重污染和霧霾天氣的重要原因。這一地區(qū)的城市雖然大部分實現(xiàn)了集中供熱采暖，但以熱電廠和大型燃煤鍋爐房為主要熱源的污染排放物，在不利的氣象條件下，正是構(gòu)成籠罩市區(qū)霾的主要成分之一。由于供熱設(shè)施規(guī)模小而分散，不容易采用有效的脫硫、除塵設(shè)備。它的排放靠近城市或就在市區(qū)之內(nèi)，危害十分嚴(yán)重?？墒寝D(zhuǎn)變采暖用煤，卻受到石油、天然氣或電力等資源條件的限制，解決這部分污染問題存在較大困難。

      可是，就在這一領(lǐng)域，為轉(zhuǎn)變?nèi)济簽橹鞯墓崮茉唇Y(jié)構(gòu)，我國很早就投入了不小的人力物力，開展了對低溫核能供熱的研究，曾列入國家重點科技攻關(guān)計劃，也曾受到國家各級領(lǐng)導(dǎo)的重視，并開展了幾十年研究。有些技術(shù)方案和項目是成功的，完全可以實現(xiàn)清潔能源供熱的目的，但卻一直處于等待開發(fā)和實施階段。今天，應(yīng)該清楚明確地說明，國內(nèi)科學(xué)技術(shù)有能力解決核能采暖供熱問題，但從多年研究情況來看，用于城市集中供熱系統(tǒng)，唯有常壓運行的池式供熱堆具有推廣應(yīng)用價值。

二、核供熱是否可行決定于技術(shù)方案

      常壓運行的池式供熱堆亦稱深水池供熱堆。它起源于中國專利，是1985年中國第一批發(fā)明專利之一。它是一個技術(shù)簡單成熟、安全可靠、能大量替代煤炭供熱的能源裝置。這種裝置系統(tǒng)處于常壓狀態(tài)，不會發(fā)生像福島那樣的有壓力殼的反應(yīng)堆才能發(fā)生的事故。國外有許多類似的用于實驗研究的常壓池式反應(yīng)堆，一般就建造在城市內(nèi)或大學(xué)校園內(nèi)，已經(jīng)運行多年，是一種具有高度安全性的反應(yīng)堆。

      保持常壓安全特性，設(shè)法提高供熱溫度，在反應(yīng)堆設(shè)計上采取了如下技術(shù)措施：

      1. 加深水池，以深水靜壓力提高堆芯出口水溫，滿足國內(nèi)高溫差供熱管網(wǎng)中采暖基本熱負(fù)荷的需要，循環(huán)水溫達(dá)到90/60℃或100/70℃，對國內(nèi)低溫差熱網(wǎng)也自然滿足了要求；

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

      3. 采用了以上措施，反應(yīng)堆堆芯就可以不放在密閉的壓力殼內(nèi)，而是放在一個開口的大容積水池的深處，實現(xiàn)常壓狀態(tài)供應(yīng)低溫?zé)崮堋?/P>

      不使用壓力殼就不需要考慮在壓力殼破損時，還需要第二層和第三層保護(hù)殼，也沒有壓力殼因加工和運輸要求，而無法推廣應(yīng)用的問題。因此，只有這種常壓運行的池式供熱堆才具有推廣應(yīng)用價值。

三、深水池供熱堆與供熱系統(tǒng)的配合

      深水池供熱堆及其與城市供熱系統(tǒng)的連接方式如下圖所示，從圖中可以看到，深水池供熱堆的簡單原理。在輸熱系統(tǒng)上設(shè)置了中間隔離回路，確保放射性水和熱網(wǎng)水的隔離。在采暖調(diào)峰期間，由調(diào)峰鍋爐提高熱網(wǎng)水溫。

四、深水池供熱堆結(jié)構(gòu)

      深水池供熱堆結(jié)構(gòu)和廠房如下圖所示，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水池內(nèi)，依靠水靜壓力提高供水溫度。地表有厚混凝土防護(hù)蓋板，可預(yù)防外界自然的和人為的意外事件。而一次熱交換器及二次熱交換器也放在深水池旁的地下廠房內(nèi)，保證在任何情況下，反應(yīng)堆都處于安全冷卻狀態(tài)。

圖1 深水池供熱堆結(jié)構(gòu)示意圖

      1－反應(yīng)堆堆芯；2－反應(yīng)堆水池；3－控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)；4－一次熱交換器；5－二次熱交換器；6－供熱管網(wǎng)；7－可移動混凝土防護(hù)蓋板；8－裝卸料機(jī)；9－反應(yīng)堆廠房；

五、深水池供熱堆的優(yōu)越性

　　常壓運行的深水池供熱堆具有如下特性：

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

　　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(xiàn)超壓事故，沒有潛在噴泄的內(nèi)能；

　　3. 反應(yīng)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(xiàn)類似福島的喪失全部電源事故，3個月內(nèi)無人干預(yù)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，余熱冷卻依靠自然循環(huán)；

      5. 出現(xiàn)斷電事故時，假定沒有控制棒插入的情況下，也能夠自動降低功率和停堆；

      6. 能實現(xiàn)由強(qiáng)迫循環(huán)向自然循環(huán)的非能動轉(zhuǎn)換，過渡過程不出現(xiàn)瞬態(tài)參數(shù)異常；

      7. 堆芯出口水經(jīng)放射性衰減，泵房沒有厚屏蔽要求，換熱器和水泵可使用價廉而有大量使用經(jīng)驗的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備；

      8. 主要設(shè)備安裝在池外的幾個隔間內(nèi)，便于分部維修，保證供熱運行的可靠性；

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

      10. 采用擴(kuò)展堆芯裝量的加深燃耗措施，達(dá)到大型動力堆燃料的深燃耗，燃料成本低。
　　
六、國內(nèi)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(jìn)一步推廣應(yīng)用。在1989至1996年的多次項目審查論證中，給予十分肯定的結(jié)論。于2000年，在北京召開了不同技術(shù)方案供熱堆的評估論證會議，會議紀(jì)要中關(guān)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(nèi)，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(shè)計、建造以及水池襯里泄漏探測、維護(hù)方法等國內(nèi)已經(jīng)掌握，國內(nèi)已有建造三座池式試驗堆的經(jīng)驗和核電站換料水池的經(jīng)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(shè)備，省去了預(yù)防超壓，失壓的安全措施，系統(tǒng)簡化，很多設(shè)備可采用已有使用經(jīng)驗的核設(shè)備材料和常規(guī)設(shè)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(qū)動機(jī)構(gòu)可采用大型生產(chǎn)堆上的成熟技術(shù)或池式試驗堆上的技術(shù)。一回路主泵和板式熱交換器、閥門等均可采用國內(nèi)已有技術(shù)和產(chǎn)品。池式堆的設(shè)計、設(shè)備制造和建造技術(shù)都是可以實現(xiàn)的?！?/P>

      “池式堆雖未列入國家科技攻關(guān)計劃，經(jīng)過清華大學(xué)等科研設(shè)計單位的多年努力，已取得了重要科研成果，建議國務(wù)院有關(guān)部門給予經(jīng)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(jīng)濟(jì)優(yōu)勢（可降低造價）和技術(shù)潛力。低溫核供熱是我國自己開發(fā)并享有自主知識產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)，宜進(jìn)行示范工程，為我國核能的利用，開拓新途徑打下基礎(chǔ)?！?/P>

      從以上專家評審意見可以看出，專家們給出全面肯定的評價，對這項創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，寄予了無限的期望。
　　
七、采暖供熱成本低于煤炭

      核供熱站投資高而燃料費用低，適宜供應(yīng)采暖基本熱負(fù)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(yīng)基本熱負(fù)荷。每年可取代17萬噸煤炭，消耗1噸核燃料。

      近年來由于國內(nèi)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(jīng)達(dá)到和超過800元，20萬噸煤炭費用大約為1.6億元。1噸核燃料費用大約為2000萬元，加上3萬噸調(diào)峰煤炭費用2400萬元，合計4400萬元。僅燃料費每年就能節(jié)省1.16億元。200MW的供熱堆的初始投資，估計在4至5億元，高于同規(guī)模燃煤鍋爐的建造費用，可能高出1倍多，但使用壽命可達(dá)60年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鍋爐壽命。僅僅從節(jié)省的燃料費上，也可以看出核供熱站多出的建設(shè)投資很快可以回收。

      另外，國內(nèi)核電與火電相比，經(jīng)濟(jì)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(shù)和設(shè)備進(jìn)口，投資費用所占比例較高，發(fā)電成本接近或高于火電。但核供熱成本中投資所占比例較低，燃料利用率兩者卻有較大差別。核電效率大約為34％，而一般火電效率超過37％，發(fā)電時核能在效率上處于劣勢。而核供熱效率為98％，集中供熱的大型鍋爐效率，大約為75％，供熱中核能效率處于優(yōu)勢。因此核能用于低溫供熱明顯具有經(jīng)濟(jì)競爭優(yōu)勢，核燃料替代煤炭能力大約比核電高出42％。

      低溫核能供熱是對國家有廣泛需求的節(jié)能減排優(yōu)質(zhì)能源，是城市希望得到的有保障的采暖能源，是環(huán)境保護(hù)治理霧霾急需的無污染排放能源。減輕污染，改善環(huán)境，不是增加費用，而是降低成本。這項技術(shù)出自中國，也適用于中國國情。