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目前主流的核能供热系统有壳式供热堆和池式供热堆两种类型,其中壳式供热堆由目前主流压水堆核电站技术演进而来,而池式供热堆以游泳池实验堆为原型,从技术上层面来讲,二者的建造与运行的技术均已相对成熟。以下主要以池式供热堆为例,介绍核能供热的安全性、经济性以及未来的发展方向。
池式供热堆的堆芯放置于地下水池的深处,核裂变所释放的热量,将水加热后送到水池外的换热器,经过两次换热后,便可用于城市集中供暖。由于池式供热堆仅用于供热而无需发电,所以水池压力可保持常压,且游泳池式堆单位功率容积更大,堆内冷却水量充足,进而能够降低放射性物质泄漏的概率,保持充足冷却能力。如图82为池式供热堆的工作原理示意。
游泳池式反应堆安全性能已经得到充分验证。池式供热堆相当于游泳池式反应堆在供热领域的应用,游泳池式反应堆通常用于实验研究及同位素生产,建设与运营技术均成熟,具有长时间安全运营历史,因此池式供热堆的安全性具有较高保障。根据中国能源报《治霾新思路:池式反应堆核能供热》介绍,世界上已经建造了几百座游泳池式反应堆,由于常压运行安全性高,一般对建设地点无特殊要求,有些就建造在城市或大学校园内,从运行至今游泳池式反应堆无严重核事故发生。据其介绍,1964年,我国在北京建成两座为科学研究用的池式反应堆,功率在10MW以下,距今已安全运行约53年。
在目前情况下,池式反应堆供热或较燃煤锅炉供热更具成本优势。根据田嘉夫、赵兆颐在《低碳城镇的核供热能源》中介绍,一个500万平方米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,如采用200MW核反应堆供热,每年可用1吨核燃料取代17万吨煤炭,按照目前市场价格,核能供热与锅炉供热每年燃料费用的比例大致为1:5;从建造成本来看,核供热堆建造成本大致为燃煤锅炉建造成本2倍,但其使用寿命可达60年,较燃煤锅炉寿命要高出数倍,因此在燃料费用与建造成本两方面核供热堆较燃煤锅炉均具有优势。此外,根据《中国能源》(2016年第4期)中《核能供热产业化提速》(记者余娜)一文报道,建设一座低温核供热站的投资,只相当于同等功率的核电厂1/3左右,而在远离煤矿地区,使用低温核供热的成本比烧煤锅炉供热的成本更低。
放眼当下,核能供热系统有望成为化解冬季严重雾霾天气的有效利器,综合考虑池式供热堆的安全性、经济性及环境友好性,我们认为其未来有望在我国北方地区建设推广。据田嘉夫、赵兆颐在《低碳城镇的核供热能源》中介绍,建设2×200MW核供热站,每年可用1.8吨燃料铀替代35万吨原煤,每年减少排放二氧化碳49.5万吨,二氧化硫0.77万吨,氮氧化物0.2万吨,烟尘0.14万吨,排放的放射性仅为燃煤锅炉的2%左右,环境效益非常明显。
在保证安全的前提下,使用核能替代传统化石能源供暖,将在一定程度上利好雾霾治理。让我们一起关注该产业的发展吧!
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