田嘉夫   赵兆颐
清华大学  北京（100084）

      摘要：北方采暖主要依靠煤炭，城市内大量燃煤造成严重环境问题。能够大量替代煤炭，比煤便宜的能源是核能。在核能供热研究中，有一种国内开发设计的供热堆，比其它设计更安全、更可靠，具备推广应用价值。如果用它供应集中供热采暖基本热负荷，不仅没有碳排放，而且供热成本降低。本文简单介绍这种低温核供热能源。

      关键词：雾霾治理；环境污染；集中供热；核能供热；供热成本；

      国家经济发展受到能源和环境条件的制约，节能减排和低碳计划遇到空前挑战。国家曾经把发展核电作为一项减少化石燃料消耗的重要手段，但是就在扩大规模蓬勃发展之际，发生了日本福岛核事故，为吸取教训，不得不减缓核电的发展势头，并决定今后慎重地发展安全性更高的第三代核电。可是，今年国内大面积暴发严重的雾霾天气，空气污染已经达到难以承受的水平，这是因为燃煤排放物及其它污染排放物总量已经超越了自然净化能力，必需立即从多方面采取措施，大量减少污染排放物。

一、转变燃煤为主的能源结构

      空气污染最严重的一月份，正值北方城市冬季采暖高峰期。在北京、天津和河北地区，人口数量和建筑面积的增长，导致燃煤总量大量增加，其排放的二氧化硫、氮氧化物和细颗粒物，是引发这一地区大气严重污染和雾霾天气的重要原因。这一地区的城市虽然大部分实现了集中供热采暖，但以热电厂和大型燃煤锅炉房为主要热源的污染排放物，在不利的气象条件下，正是构成笼罩市区霾的主要成分之一。由于供热设施规模小而分散，不容易采用有效的脱硫、除尘设备。它的排放靠近城市或就在市区之内，危害十分严重。可是转变采暖用煤，却受到石油、天然气或电力等资源条件的限制，解决这部分污染问题存在较大困难。

      可是，就在这一领域，为转变燃煤为主的供热能源结构，我国很早就投入了不小的人力物力，开展了对低温核能供热的研究，曾列入国家重点科技攻关计划，也曾受到国家各级领导的重视，并开展了几十年研究。有些技术方案和项目是成功的，完全可以实现清洁能源供热的目的，但却一直处于等待开发和实施阶段。今天，应该清楚明确地说明，国内科学技术有能力解决核能采暖供热问题，但从多年研究情况来看，用于城市集中供热系统，唯有常压运行的池式供热堆具有推广应用价值。

二、核供热是否可行决定于技术方案

      常压运行的池式供热堆亦称深水池供热堆。它起源于中国专利，是1985年中国第一批发明专利之一。它是一个技术简单成熟、安全可靠、能大量替代煤炭供热的能源装置。这种装置系统处于常压状态，不会发生像福岛那样的有压力壳的反应堆才能发生的事故。国外有许多类似的用于实验研究的常压池式反应堆，一般就建造在城市内或大学校园内，已经运行多年，是一种具有高度安全性的反应堆。

      保持常压安全特性，设法提高供热温度，在反应堆设计上采取了如下技术措施：

      1. 加深水池，以深水静压力提高堆芯出口水温，满足国内高温差供热管网中采暖基本热负荷的需要，循环水温达到90/60℃或100/70℃，对国内低温差热网也自然满足了要求；

      2. 堆芯出口水经过放射性衰减，可采用垫片板式换热器，这种换热器技术成熟价格低廉，适合大面积使用以减小换热器传热温差；

      3. 采用了以上措施，反应堆堆芯就可以不放在密闭的压力壳内，而是放在一个开口的大容积水池的深处，实现常压状态供应低温热能。

      不使用压力壳就不需要考虑在压力壳破损时，还需要第二层和第三层保护壳，也没有压力壳因加工和运输要求，而无法推广应用的问题。因此，只有这种常压运行的池式供热堆才具有推广应用价值。

三、深水池供热堆与供热系统的配合

      深水池供热堆及其与城市供热系统的连接方式如下图所示，从图中可以看到，深水池供热堆的简单原理。在输热系统上设置了中间隔离回路，确保放射性水和热网水的隔离。在采暖调峰期间，由调峰锅炉提高热网水温。

四、深水池供热堆结构

      深水池供热堆结构和厂房如下图所示，主要特点是将堆芯放在一个开口的深埋地下的钢筋混凝土水池内，依靠水静压力提高供水温度。地表有厚混凝土防护盖板，可预防外界自然的和人为的意外事件。而一次热交换器及二次热交换器也放在深水池旁的地下厂房内，保证在任何情况下，反应堆都处于安全冷却状态。

图1 深水池供热堆结构示意图

      1－反应堆堆芯；2－反应堆水池；3－控制棒驱动机构；4－一次热交换器；5－二次热交换器；6－供热管网；7－可移动混凝土防护盖板；8－装卸料机；9－反应堆厂房；

五、深水池供热堆的优越性

　　常压运行的深水池供热堆具有如下特性：

　　1. 商用规模供热堆（热功率100～200MW）采用具有固有安全特性的造价低廉的深水池结构；

　　2. 正常运行和事故工况下，系统处于常压状态，不会出现超压事故，没有潜在喷泄的内能；

　　3. 反应堆水池有1200 m3水，池外还有700 m3的备用水源，是安全和冷却的最好保障，如果出现类似福岛的丧失全部电源事故，3个月内无人干预也没有问题；

      4. 热交换器位置高于堆芯，热水与冷水高度差大于10 m，余热冷却依靠自然循环；

      5. 出现断电事故时，假定没有控制棒插入的情况下，也能够自动降低功率和停堆；

      6. 能实现由强迫循环向自然循环的非能动转换，过渡过程不出现瞬态参数异常；

      7. 堆芯出口水经放射性衰减，泵房没有厚屏蔽要求，换热器和水泵可使用价廉而有大量使用经验的标准设备；

      8. 主要设备安装在池外的几个隔间内，便于分部维修，保证供热运行的可靠性；

      9. 主要系统和设备处于地面以下，地表有厚混凝土防护盖板，可预防自然的和人为的意外事件；

      10. 采用扩展堆芯装量的加深燃耗措施，达到大型动力堆燃料的深燃耗，燃料成本低。
　　
六、国内专家评审意见

      国家核工业、核安全、城建和环保等部门的专家一致赞成我国可以首先在这样的新能源项目上做出示范和进一步推广应用。在1989至1996年的多次项目审查论证中，给予十分肯定的结论。于2000年，在北京召开了不同技术方案供热堆的评估论证会议，会议纪要中关于池式供热堆的评估论证意见摘录如下：

      “池式堆的可行性

      池式供热堆方案的主要特点是将堆芯放在一个开口的深埋地下的钢筋混凝土容器内，利用水层的静压力提高出口温度，以满足供热的要求。钢筋混凝土深水池与壳式堆的钢制压力容器相比，其性能可靠，坚固耐久，没有辐照损伤问题，建造容易、建造费用相对较低。

      深水池的设计、建造以及水池衬里泄漏探测、维护方法等国内已经掌握，国内已有建造三座池式试验堆的经验和核电站换料水池的经验。

      水池表面为常压，没有密封加压要求，省去了许多压力系统和设备，省去了预防超压，失压的安全措施，系统简化，很多设备可采用已有使用经验的核设备材料和常规设备材料。

      核燃料组件可采用秦山一期成熟使用的核燃料组件，控制棒及其驱动机构可采用大型生产堆上的成熟技术或池式试验堆上的技术。一回路主泵和板式热交换器、阀门等均可采用国内已有技术和产品。池式堆的设计、设备制造和建造技术都是可以实现的。”

      “池式堆虽未列入国家科技攻关计划，经过清华大学等科研设计单位的多年努力，已取得了重要科研成果，建议国务院有关部门给予经费支持，完成必须的试验验证工作，以早日具备实施示范工程的条件，发挥池式堆的经济优势（可降低造价）和技术潜力。低温核供热是我国自己开发并享有自主知识产权的高新技术，宜进行示范工程，为我国核能的利用，开拓新途径打下基础。”

      从以上专家评审意见可以看出，专家们给出全面肯定的评价，对这项创新技术的应用，寄予了无限的期望。
　　
七、采暖供热成本低于煤炭

      核供热站投资高而燃料费用低，适宜供应采暖基本热负荷。例如：一个500 万m2建筑面积的集中供热区域，由燃煤锅炉供热时，每年大约消耗煤炭20万吨。由核供热时，由1座200MW供热堆供应基本热负荷。每年可取代17万吨煤炭，消耗1吨核燃料。

      近年来由于国内能源形势的发展，我国煤炭价格大幅度上涨，在东部地区，采暖煤炭每吨价格已经达到和超过800元，20万吨煤炭费用大约为1.6亿元。1吨核燃料费用大约为2000万元，加上3万吨调峰煤炭费用2400万元，合计4400万元。仅燃料费每年就能节省1.16亿元。200MW的供热堆的初始投资，估计在4至5亿元，高于同规模燃煤锅炉的建造费用，可能高出1倍多，但使用寿命可达60年，远远高于锅炉寿命。仅仅从节省的燃料费上，也可以看出核供热站多出的建设投资很快可以回收。

      另外，国内核电与火电相比，经济性上没有这种优势，核供热为什么不同呢？因为在核电成本中，投资影响占主要部分，特别是在我国情况下，由于部分技术和设备进口，投资费用所占比例较高，发电成本接近或高于火电。但核供热成本中投资所占比例较低，燃料利用率两者却有较大差别。核电效率大约为34％，而一般火电效率超过37％，发电时核能在效率上处于劣势。而核供热效率为98％，集中供热的大型锅炉效率，大约为75％，供热中核能效率处于优势。因此核能用于低温供热明显具有经济竞争优势，核燃料替代煤炭能力大约比核电高出42％。

      低温核能供热是对国家有广泛需求的节能减排优质能源，是城市希望得到的有保障的采暖能源，是环境保护治理雾霾急需的无污染排放能源。减轻污染，改善环境，不是增加费用，而是降低成本。这项技术出自中国，也适用于中国国情。