国内多地启动核能供暖,安全吗?未来会大规模普及吗?
发布时间:2022-11-22
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在山东、辽宁、浙江等地,核能供暖已经服务周边居民。但有传言说,用核能供暖的暖气水都是有辐射的,事实情况是怎样的呢?

撰文/张子立(中国科学院电工研究所 副研究员)

编辑/赵天宇 刘昭

在山东海阳,国家电投“暖核一号”核能供热项目近日开始低温试运行,这也是国内最大的核能供暖项目,供暖范围覆盖城区近500万平方米,服务20万居民。在辽宁大连,红沿河核电站核能供暖示范项目正式投运,这个项目是东北地区首个核能供暖项目,规划供热面积24.24万平方米,将为当地近两万居民提供冬季供暖。

在浙江海盐,我国南方首个核能供热示范项目——中核集团秦山核电核能供热示范工程正在建设当中,到“十四五”末项目全部建成投运后,能够满足约400万平方米供暖需求,每年可减少标煤耗量约2.46万吨。

但不少公众依然谈“核”色变,核供暖厂被质疑不安全,甚至有谣言说,用核能供暖的暖气水都是有辐射的。事实情况又是怎样的呢?核能供暖,会是解决煤炭短缺的好办法吗?

核能供暖是怎样实现的?

在公众的印象当中,“核电”是最熟悉的词汇,核能最直接的应用似乎就是发电。事实上,核电站尤其是壳式反应堆,发电原理和传统火电站是非常相似的。简单来说都是“烧开水”。因此核电站也可以像火电站一样,做到热电联产,也就是又发电,又供热。核电站最常见的堆型之一是压水堆,也是海阳核电站所采用的堆型。

该堆型就是把核反应堆用“高压锅”装起来,整个系统由三个回路组成:其中一回路是核电站最核心的地方,相当于火电厂的锅炉,核裂变反应在这里发生以后,产生了巨大的热量,将高压水加热到300℃以上。二回路的水通过蒸汽发生器,吸收一回路蒸汽的热量,使自身变为饱和蒸汽,推动汽轮机做功之后变成冷凝水。这些冷凝水的温度基本上有90多度,所以要进行冷却以后再处理。如果需要供热,二回路的水就会进入另外一个热转换器,加热另一批水,也可以称之为加热三回路的水,这样的操作还可以持续到四回路、五回路甚至更多。最终输出的水,就成为传导到居民家中的“供暖水”了。

除了壳式反应堆以外,核能供暖还有一种反应堆叫做池式反应堆。从名字上来看,像是在水池当中进行能量输出,实际上的确如此——把核燃料棒放入盛有纯化后净水的池子当中,水既可用作慢化剂、冷却剂,又是反射层和部分防护层材料,在水池侧面和底部还有重混凝土屏蔽层,有效防止辐射。如果需要供暖,就将反应堆堆芯放置在一个常压水池的深处,利用水层的静压力提高堆芯出口水温以满足供热要求。热量通过两级交换传递给供热回路,再通过热网将热量输送给千家万户。值得一提的是,壳式供热堆,一般不是专业产热的,而是热电联产,也就是以发电为主,剩余的能量发热。山东海阳的项目就是利用海阳核电站的余热进行工作的。

▲海阳核能供暖示意图(图片来源/山东核电有限公司)

为什么说核能供暖没有“辐射”?

对于公众来说,首先要搞清楚一点,核能供暖≠核供暖,目前世界上没有任何一种技术,能够把核燃料直接拿来作为热源,都是经过层层介质转换以后才实现的。这种原理与我们常吃的自热火锅是非常类似的——水作为介质驱动发热包发热,产生热气加热食材,在这个过程当中,水和食材完全没有接触。

回到“核能供暖”的问题上来,不管是池式供热堆还是壳式供热堆,它们都是抽取蒸汽作为热源,通过厂内换热首站、厂外供热企业换热站进行多级换热,最后经市政供热管网将热量传递至最终用户。整个过程中,只有“蒸汽加热水”和“水加热水”两种模式,核电站与供暖用户间有多道回路进行隔离,每个回路间只有热量的传递,没有水的交换,也就不会有任何放射性物质进入用户暖气管道。

▲海阳核电基地(图片来源/澎湃新闻)

据媒体报道,此次山东海阳核能供暖是从核能发电机组抽取部分发过电后的蒸汽作为热源,通过厂内换热器转换成高温水,再经过管网输送至供热公司,整个过程的回路高达5个。另有专业工程师表示,在核电站换热首站的热水出厂前,在线监测和隔离装置还会进行检测,回路间采取压差设计,确保核能供热安全可靠。居民方面,经过检测以后,用户用水没有任何放射性,与正常用水各类指标一致,“可以放心,十分安全”。

核供热站会“爆炸”吗?

不仅核能供暖没有辐射,核能供热站的安全性也是非常高的。从设计上来看,核燃料的外面都会包裹特制的燃料包壳,壳式供热堆的一回路系统,被安装在一个叫安全壳的密闭厂房中,安全壳能够在核电厂发生事故时,最大限度地保证公众和环境不受到影响。事实上,就像啤酒由于酒精浓度太低无法燃烧一样,核反应堆使用燃料铀235浓度只有3%至5%,核武器要达到95%以上甚至更高,所以核反应堆本身并不会爆炸,也就不存在泄漏的风险。

从过去的事故来看,核电站爆炸的原因只有一个——缺水。核电站在发电的过程中,要不断向反应物中注入冷水实现循环,如果循环停止了,反应物就会过热消融,诱发重大事故。切尔诺贝利核电站希望在停电以后,用水蒸气推动涡轮机发电,于是进行了试验,但悲剧的是实验过程出现了操作失误,导致反应堆过热,最终发生了融毁爆炸、核泄漏。

▲三代核电站:中国广核集团阳江核电站5号机组

日本福岛核电站事故就更好理解了,地震以后核电站机组停机,备用柴油发电机坚持半小时以后,电力系统被海啸彻底摧毁了,最终4台机组全部爆炸,造成了严重的核泄漏事故。

假如供热站也“停电”了,会不会重蹈切尔诺贝利的覆辙?

答案是不会,因为近年来新建的核反应堆,已经全部升级为三代堆,它们与福岛这样的二代堆相比,最大特点就是具备“非能动”冷却功能——没有外接电源也可以自然循环冷却,极大地增强了安全系数。至于池式堆,因为核燃料直接在水中进行反应,产生的能量直接将水的温度定格在100摄氏度左右,完全不需要冷却水的参与,简化了能量转换设备系统的复杂度,也减少了能量转换过程的损失,安全系数比传统的壳式堆还要高。

核能供暖未来会大规模普及吗?

相比传统的化石能源等其他供暖形式,核能供暖有非常明显的环保优势:核裂变能量密度大,与同功率的烧煤锅炉相比,每年核燃料的运输量仅约为煤量的十万分之一;核能供热还可以显著降低二氧化碳排放量,这与“碳减排”“碳中和”的需求不谋而合。在我国北方地区,集中供暖的民生需求成为了影响碳减排、碳中和的主要障碍。在这种压力下,未来火电厂的日子并不好过,可以说核能供暖的实现,给热力公司带来了全新的希望。事实上,核能供暖并非新的概念,早在半个世纪前,北欧就有应用,苏联也曾兴建过核能供热反应堆。我国早在上世纪80年代就开展过相关研究,甚至到2017年年底,中核集团原子能科学研究院的部分办公楼,就已开始使用上自家研发的“燕龙”泳池式低温供热堆供暖。那么,是什么原因导致核能供暖至今没有普及呢?经济因素是非常重要的原因。

▲池式核能供热示意图

池式供热堆也叫小堆,虽然方便灵活,奈何在现有的技术水平下,牺牲的是发热效率。只能在小范围区域内,比如园区、校园或者小城镇使用,无法普惠大众,没有解决供暖的实质性问题,反而面临着很大的经济压力。另一种是基于现有的中大型核电厂,利用核电站的抽汽向热网供热,山东海阳使用的就是这种模式,抽汽温度和压力由热网需求、输热管线的长短决定。但这种模式也有弊端,核电厂需要大量冷水支持,我国内陆地区不太适合修建,尤其是北方缺水地区更是雪上加霜。如果只修建在海边向内陆供热,不仅要花大价钱建设导热设备,热量在传导过程中的耗损也是惊人的。

综上种种,我们不难得出这样的结论:核能供暖虽好,大范围普及却并不容易。事实上,核能供暖是一项复杂的工作,涉及市场、技术和政策诸多方面,浙江海盐、辽宁大连、山东海阳的核能供暖,迈出了实质性的一步,对于优化区域能源结构、区域清洁供暖及零碳供热有重要指导作用,也为核能供暖这项技术未来的发展应用,指明了方向。■

(部分内容来自央视财经)



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