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既要供暖又不想要雾霾 你可能需要一座核反应堆

北极星电力网新闻中心  来源:了不起的中国制造  作者:铁流  2018/4/9 9:25:14  我要投稿  
所属频道: 核电   关键词: 核电站 低温供热堆 核电建设

北极星核电网讯:每到供暖季,北方都要面对一个哈姆雷特式的难题:要暖气还是要无雾霾的空气?

转载自网易新闻学院(we_know_media)

出品| 网易新闻

作者| 铁流

一个好消息是:近日,中国研发成功了“不冒烟的锅炉”——泳池式低温供热堆,未来北方将有望用核能来供暖,彻底跟取暖带来的污染说拜拜。

(一)核能供暖,早已不是什么新概念

采用核能供暖并不是中国首创的技术。早在半个世纪前,北欧就有民用核能供暖的核反应堆。苏联在勃涅日涅夫时期,为了城市集中供暖的需要,也兴建过核能供热反应堆,而且还在部分社会主义国家得到应用。此外,德国、法国、瑞士、加拿大等国也都进行过核供热堆的研究与开发。

不过,除了苏联/俄罗斯一直在推动核能供热,以此解决冬季的供暖问题之外,世界上还没有特别成功的核能供热反应堆商业化运营的先例。

中国于上世纪80年代初期开始研发核能供热反应堆。本次成功研发出泳池式低温供热堆,是技术不断积累改进的最新成果。虽然并非革命性的技术进步,但其在经济性、安全性和热功率等方面都有不小的提升。

(二)一座400兆瓦的供热堆,能给20万户三居室供暖

众所周知,核反应堆在核裂变过程中会释放巨大的能量,核电站会用这些能量来发电,而低温供热堆则是将这些能量用于供暖。

这里的低温并不是普通人认知中零下几度的那种低温,而是指这种供热堆的工作温度可以被控制在200摄氏度以下,而这个温度在核反应堆中属于低温范畴。

(低温供热堆基本结构)

上图为低温供热堆基本结构,供热堆可以简单分为外壳和堆芯。

从图中可以看出,低温供热堆有两层外壳,一层是安全壳,一层是压力壳,这二者共同构成了反应堆的双重安全屏障。反应堆堆芯是供热的核心部分,安装在压力壳内,堆芯内有核燃料棒。核燃料棒周围是控制棒,控制棒内装有碳化硼,可以有效吸收中子,这样就能控制核裂变,进而控制核反应堆的功率。

压力壳内充满去离子水,反应堆核裂变产生的能量以压力壳中的水为媒介,通过热交换器带出去,然后通过中间回路、热网/蒸汽回路等将热能送往千家万户。

泳池堆是低温供热堆中的一种,顾名思义,整个供热堆就像一个小游泳池,其供热原理就是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,而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用户。

中国研发成功的这款泳池式低温供热堆代号为DHR-400,其中DHR是指区域供热反应堆,400则是指核反应堆热功率达400MW(兆瓦)。1兆瓦等于1000000瓦,而400兆瓦的供热堆已经是目前全球在研最大的供热核反应堆。

据测算,这样的一座低温供热堆,供暖建筑面积可达约2000万平方米,相当于20万户三居室,预计2020年后在北方进行推广。

(三)用核能供暖,安全性如何保证?

在日常生活中,人们总是谈“核”色变,对核技术非常恐惧。甚至,现实中还发生过仅仅因为名字中带“核电”,某单位搬迁到一地后,直接导致周边房价下降的情况。那么,用核电供暖,真的不会有安全隐患吗?

中国的泳池式低温供热堆从设计之初就充分考虑了固有安全性,可以从理论上排除发生类似切尔诺贝利核电站、福岛核电站这样事故的可能。

首先,供热堆采用非能动安全系统设计,装备两套独立、冗余的余热排出系统,每套系统均可将反应堆停堆后的剩余发热通过自然循环由空气冷却器排向大气,不需要动力源,也就避免了福岛核事故中因断电导致余热排出系统瘫痪的情况。这种设计有效确保了反应堆的安全。

其次,低温供热堆压力容器内装有大量欠热水,单位热功率水容积约为压水堆核电厂的15倍,对堆芯余热排出、防止堆芯失水和缓解其它事故后果均有较大益处。

此外,低温供热堆的堆芯位于水池底部,始终处于淹没状态。即便发生意外,供热堆中的1800吨水也可以确保20多天堆芯不裸露,实现“零堆熔”。而且,本次研发成功的泳池式低温供热堆采用双层承压壳设计,即使压力容器底部发生破裂,也不会导致堆芯失水。

最后,低温核供热堆采取了多种措施设置多重实体屏障,防止放射性物质污染热用户。比如在含放射性的一回路和热网之间设置中间隔离回路。

中间回路将主回路传来的热量传输给热网/蒸汽回路,同时又将带有放射性的主回路水与热网/蒸汽回路水隔离开来。热网/蒸汽回路获得热量后,再将此热量传输给用户。在设计中,中间隔离回路的工作压力高于冷却剂回路,这就保证在主换热器泄漏的情况下放射性也不会进入热网。

此外,DHR-400泳池式低温供热堆还具备操作简便、宽容期长、运行参数低、冷却剂不含硼溶液等一系列优点,这些优点都提升了反应堆的安全性。

(四)供暖的同时,解决雾霾和淡水缺乏

每年冬天,北方肆虐的雾霾不仅影响了人们的身体健康,还对出行和工作生活造成了不便。而使用核能供热堆取代燃煤锅炉房,则能有效降低各种污染物的排放,对于解决城市雾霾问题具有积极意义。

以DHR-400泳池式低温供热堆为例,如果用这种核供热堆来取代同等功率的燃煤锅炉房,每年可减少32万吨煤炭使用量,这样,每年少排放52万吨二氧化碳、0.6万吨氧化硫、0.2万吨氧化氮、0.32万吨烟尘和10万吨灰渣。

这里必须强调的是,其实不仅核反应堆会泄露出放射性物质,像燃煤锅炉房也会随烟灰和炉渣排放放射性物质,而以相同规模的核供热堆与燃煤锅炉来说,核供热堆泄露出的放射性物质仅为燃煤锅炉的不足三十分之一。

在供热热价上,未来中国的DHR-400泳池式低温供热堆可做到40元/GJ(吉焦,1吉焦等于10亿焦),与燃煤供暖锅炉热价相当。

此外,将核供热堆与高温多效蒸馏工艺相结合,还可以用于海水淡化,一座200兆瓦核供热堆可日产淡水约16万吨,而成本只有约每吨5元。

在国外缺水地区,这个价格还是很有市场竞争力的。

同样的,中国北方一些城市的淡水供应严重依赖各种大型工程,比如天津“引滦入津”工程的引水长度达234公里,大连“引英入连”输水管线工程全长达114.5公里,目前这些工程的成本由财政承担,并没有被计入淡水价格中。

如果将引水工程的真实成本计入淡水水价中,核供热堆用于海水淡化在中国北方的部分缺水城市,也具备一定经济竞争力。

结语

中国DHR-400泳池式低温供热堆具有非常高的固有安全性,且经济性也优于燃气供热,可以做到和传统燃煤锅炉相当。在退役后,厂址还可实现绿色复用,因而非常适合在北方内陆地区使用,是中国北方冬季绿色供暖的一个新选择。

一旦这种低温供热堆开始大规模取代燃煤锅炉,将有助于解决冬季雾霾问题,天会更蓝,空气会更加清新,生态环境也会更加宜居。

原标题:既要供暖又不想要雾霾,你可能需要一座核反应堆

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