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    國內多地啟動核能供暖,安全嗎?未來會大規模普及嗎?
    發布時間:2022-11-22
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    在山東、遼寧、浙江等地,核能供暖已經服務周邊居民。但有傳言說,用核能供暖的暖氣水都是有輻射的,事實情況是怎樣的呢?

    撰文/張子立(中國科學院電工研究所 副研究員)

    編輯/趙天宇 劉昭

    在山東海陽,國家電投“暖核一號”核能供熱項目近日開始低溫試運行,這也是國內最大的核能供暖項目,供暖范圍覆蓋城區近500萬平方米,服務20萬居民。在遼寧大連,紅沿河核電站核能供暖示范項目正式投運,這個項目是東北地區首個核能供暖項目,規劃供熱面積24.24萬平方米,將為當地近兩萬居民提供冬季供暖。

    在浙江海鹽,我國南方首個核能供熱示范項目——中核集團秦山核電核能供熱示范工程正在建設當中,到“十四五”末項目全部建成投運后,能夠滿足約400萬平方米供暖需求,每年可減少標煤耗量約2.46萬噸。

    但不少公眾依然談“核”色變,核供暖廠被質疑不安全,甚至有謠言說,用核能供暖的暖氣水都是有輻射的。事實情況又是怎樣的呢?核能供暖,會是解決煤炭短缺的好辦法嗎?

    核能供暖是怎樣實現的?

    在公眾的印象當中,“核電”是最熟悉的詞匯,核能最直接的應用似乎就是發電。事實上,核電站尤其是殼式反應堆,發電原理和傳統火電站是非常相似的。簡單來說都是“燒開水”。因此核電站也可以像火電站一樣,做到熱電聯產,也就是又發電,又供熱。核電站最常見的堆型之一是壓水堆,也是海陽核電站所采用的堆型。

    該堆型就是把核反應堆用“高壓鍋”裝起來,整個系統由三個回路組成:其中一回路是核電站最核心的地方,相當于火電廠的鍋爐,核裂變反應在這里發生以后,產生了巨大的熱量,將高壓水加熱到300℃以上。二回路的水通過蒸汽發生器,吸收一回路蒸汽的熱量,使自身變為飽和蒸汽,推動汽輪機做功之后變成冷凝水。這些冷凝水的溫度基本上有90多度,所以要進行冷卻以后再處理。如果需要供熱,二回路的水就會進入另外一個熱轉換器,加熱另一批水,也可以稱之為加熱三回路的水,這樣的操作還可以持續到四回路、五回路甚至更多。最終輸出的水,就成為傳導到居民家中的“供暖水”了。

    除了殼式反應堆以外,核能供暖還有一種反應堆叫做池式反應堆。從名字上來看,像是在水池當中進行能量輸出,實際上的確如此——把核燃料棒放入盛有純化后凈水的池子當中,水既可用作慢化劑、冷卻劑,又是反射層和部分防護層材料,在水池側面和底部還有重混凝土屏蔽層,有效防止輻射。如果需要供暖,就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。熱量通過兩級交換傳遞給供熱回路,再通過熱網將熱量輸送給千家萬戶。值得一提的是,殼式供熱堆,一般不是專業產熱的,而是熱電聯產,也就是以發電為主,剩余的能量發熱。山東海陽的項目就是利用海陽核電站的余熱進行工作的。

    ▲海陽核能供暖示意圖(圖片來源/山東核電有限公司)

    為什么說核能供暖沒有“輻射”?

    對于公眾來說,首先要搞清楚一點,核能供暖≠核供暖,目前世界上沒有任何一種技術,能夠把核燃料直接拿來作為熱源,都是經過層層介質轉換以后才實現的。這種原理與我們常吃的自熱火鍋是非常類似的——水作為介質驅動發熱包發熱,產生熱氣加熱食材,在這個過程當中,水和食材完全沒有接觸。

    回到“核能供暖”的問題上來,不管是池式供熱堆還是殼式供熱堆,它們都是抽取蒸汽作為熱源,通過廠內換熱首站、廠外供熱企業換熱站進行多級換熱,最后經市政供熱管網將熱量傳遞至最終用戶。整個過程中,只有“蒸汽加熱水”和“水加熱水”兩種模式,核電站與供暖用戶間有多道回路進行隔離,每個回路間只有熱量的傳遞,沒有水的交換,也就不會有任何放射性物質進入用戶暖氣管道。

    ▲海陽核電基地(圖片來源/澎湃新聞)

    據媒體報道,此次山東海陽核能供暖是從核能發電機組抽取部分發過電后的蒸汽作為熱源,通過廠內換熱器轉換成高溫水,再經過管網輸送至供熱公司,整個過程的回路高達5個。另有專業工程師表示,在核電站換熱首站的熱水出廠前,在線監測和隔離裝置還會進行檢測,回路間采取壓差設計,確保核能供熱安全可靠。居民方面,經過檢測以后,用戶用水沒有任何放射性,與正常用水各類指標一致,“可以放心,十分安全”。

    核供熱站會“爆炸”嗎?

    不僅核能供暖沒有輻射,核能供熱站的安全性也是非常高的。從設計上來看,核燃料的外面都會包裹特制的燃料包殼,殼式供熱堆的一回路系統,被安裝在一個叫安全殼的密閉廠房中,安全殼能夠在核電廠發生事故時,最大限度地保證公眾和環境不受到影響。事實上,就像啤酒由于酒精濃度太低無法燃燒一樣,核反應堆使用燃料鈾235濃度只有3%至5%,核武器要達到95%以上甚至更高,所以核反應堆本身并不會爆炸,也就不存在泄漏的風險。

    從過去的事故來看,核電站爆炸的原因只有一個——缺水。核電站在發電的過程中,要不斷向反應物中注入冷水實現循環,如果循環停止了,反應物就會過熱消融,誘發重大事故。切爾諾貝利核電站希望在停電以后,用水蒸氣推動渦輪機發電,于是進行了試驗,但悲劇的是實驗過程出現了操作失誤,導致反應堆過熱,最終發生了融毀爆炸、核泄漏。

    ▲三代核電站:中國廣核集團陽江核電站5號機組

    日本福島核電站事故就更好理解了,地震以后核電站機組停機,備用柴油發電機堅持半小時以后,電力系統被海嘯徹底摧毀了,最終4臺機組全部爆炸,造成了嚴重的核泄漏事故。

    假如供熱站也“停電”了,會不會重蹈切爾諾貝利的覆轍?

    答案是不會,因為近年來新建的核反應堆,已經全部升級為三代堆,它們與福島這樣的二代堆相比,最大特點就是具備“非能動”冷卻功能——沒有外接電源也可以自然循環冷卻,極大地增強了安全系數。至于池式堆,因為核燃料直接在水中進行反應,產生的能量直接將水的溫度定格在100攝氏度左右,完全不需要冷卻水的參與,簡化了能量轉換設備系統的復雜度,也減少了能量轉換過程的損失,安全系數比傳統的殼式堆還要高。

    核能供暖未來會大規模普及嗎?

    相比傳統的化石能源等其他供暖形式,核能供暖有非常明顯的環保優勢:核裂變能量密度大,與同功率的燒煤鍋爐相比,每年核燃料的運輸量僅約為煤量的十萬分之一;核能供熱還可以顯著降低二氧化碳排放量,這與“碳減排”“碳中和”的需求不謀而合。在我國北方地區,集中供暖的民生需求成為了影響碳減排、碳中和的主要障礙。在這種壓力下,未來火電廠的日子并不好過,可以說核能供暖的實現,給熱力公司帶來了全新的希望。事實上,核能供暖并非新的概念,早在半個世紀前,北歐就有應用,蘇聯也曾興建過核能供熱反應堆。我國早在上世紀80年代就開展過相關研究,甚至到2017年年底,中核集團原子能科學研究院的部分辦公樓,就已開始使用上自家研發的“燕龍”泳池式低溫供熱堆供暖。那么,是什么原因導致核能供暖至今沒有普及呢?經濟因素是非常重要的原因。

    ▲池式核能供熱示意圖

    池式供熱堆也叫小堆,雖然方便靈活,奈何在現有的技術水平下,犧牲的是發熱效率。只能在小范圍區域內,比如園區、校園或者小城鎮使用,無法普惠大眾,沒有解決供暖的實質性問題,反而面臨著很大的經濟壓力。另一種是基于現有的中大型核電廠,利用核電站的抽汽向熱網供熱,山東海陽使用的就是這種模式,抽汽溫度和壓力由熱網需求、輸熱管線的長短決定。但這種模式也有弊端,核電廠需要大量冷水支持,我國內陸地區不太適合修建,尤其是北方缺水地區更是雪上加霜。如果只修建在海邊向內陸供熱,不僅要花大價錢建設導熱設備,熱量在傳導過程中的耗損也是驚人的。

    綜上種種,我們不難得出這樣的結論:核能供暖雖好,大范圍普及卻并不容易。事實上,核能供暖是一項復雜的工作,涉及市場、技術和政策諸多方面,浙江海鹽、遼寧大連、山東海陽的核能供暖,邁出了實質性的一步,對于優化區域能源結構、區域清潔供暖及零碳供熱有重要指導作用,也為核能供暖這項技術未來的發展應用,指明了方向?!?/p>

    (部分內容來自央視財經)



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