治理雾霾用核能供热 你听说过吗？

2017/12/18 14:39:21

　我国早在1981年，便开始了核能供热方面的研究。在治理雾霾方面，其产业化具有一定现实意义。

　　近年来，随着国家产业结构及能源结构的调整，推动了相关产业链的技术创新，一些新科技的产业化及推广尚需时日，将吸引产业资本与一级市场投资介入。
本文将聊一聊低温常压核能供热系统的产业化前景，及其在治理雾霾方面的应用前景。

　　雾霾，已成为危害居民健康的一大“杀手”。以下来自新华网的图片，真实地记录了雾霾发生时的情况。

　　雾霾的成因很多，其一为煤炭燃烧。近年来，我国对燃煤火电厂的煤燃料质量、燃烧效率、烟气净化等各方面作了严格要求，但是，对于冬季取暖使用的燃煤治理仍需改进。打过交道的华北一带的很多居民普遍有这样的感受：每逢冬季取暖季来临，雾霾出现的频率会有所增加。是否严谨，需要大量的统计样本来验证，但这不是本文讨论的重点。今天，我们将重点讨论使用核能供热应对雾霾的可行性与现实意义。

　　环保部部长陈吉宁在环保部某次新闻发布会上指出，北方供暖有三个问题：一是热电联产集中供热率较低；二是燃煤锅炉环保设施跟不上、装备水平低，单位排放是大电厂的十几倍，如果安装高效的脱硫脱硝设施，许多企业无力承受；三是农村散煤问题，京津冀散煤占全国总量20%，一吨散煤是电厂排放的10倍以上。以上问题客观展现了目前能源结构下，北方冬季供暖对大气污染的影响，使用其他类型热源减少煤炭占比将成为未来发展趋势。

　　目前我国主要的供热方式为集中供热和分散供热两种主要方式，但最终热量来源主要依托于煤炭，根据国家统计局最新数据显示，2015年供热用燃煤消耗量占国内原煤总产量的比例为4.62%，随着集中供热对分散供热的替代，供热用燃煤消耗量占比略有降低，但仍然能够维持在4%左右占比，特别是近年来雾霾天气的持续增多，环保问题日益加重，清洁供热能源的替代需求越来越强。我们认为，利用核能供热替代煤炭、油气等常规能源供热，环保优势更加明显。

　　放眼全球，使用核能供热并非新鲜事。国际上关于核能供热领域的研究与应用开展较早，国外大型反应堆用于城市区域供暖在技术层面已经非常成熟，其中以俄罗斯尤为突出，根据《中国核能区域供热面临的机遇和挑战》（《能源与节能》2013年第4期），截至2011年年底，俄罗斯共有9座核电站中的29台核电机组用于热电联产，如表4所示，超过俄罗斯在运核电机组的85%，核电供热的主要用户为3-15km的城镇居民。

　　除了俄罗斯已经能够成熟应用大型核反应堆进行热电联产外，美国、加拿大、德国、瑞士、瑞典、法国等多个国家都曾开展过核能供热方面的研究。

　　在我国，目前大型商用反应堆在区域供热技术方面基本没有商业运行经验，主要原因有：一方面，中国大型商用反应堆一般远离热力负荷中心，长距离输热会导致效率降低。目前中国核安全法规规定，大型商用反应堆厂址周围5km为限制发展区，要求选址需要距离10万人口以上城镇至少10km，距离100万以上人口大城市至少40 km；另一方面，中国目前核电机组额定电功率基本为1GW左右，而目前主要供热机组额定电功率为200-300MW，如果用大型核电机组进行区域供热，可能导致局部供热过大，同时会降低反应堆运营的经济性与安全性。因此，我们认为，相较于大型堆，小型堆在灵活性和安全性上更优，更能够适用于城市供暖供汽使用。

　　反应堆系统的安全性是核能利用史上一个亘古不变的主题，对于小型堆亦是如此。值得一提的是，小型堆在追求安全性的过程当中采用了一系列特殊设计，比如采用非能动专设安全系统，以及对反应堆主要设备系统进行简化和重新布置。理论上，小型堆较大型堆在安全性上更有优势。下图为小型堆应用于区域供热的主要工作原理示意。

　　结合我国当下国情，我们认为，在华北地区推广小型堆供热将助力城市雾霾治理。这并非是我们的凭空想象，近年来，产业界与学术界，已经开始关注并逐步展开核能供热堆的推广工作。

　　根据《中国能源报》（2013年4月1日第21版）刊发的《核能供热前路几何》（记者朱学蕊）中介绍，我国早在1981年，便开始了核能供热方面的研究，并取得一系列突破：

　　1983年，清华大学原有的池式研究堆实现我国第首次核能低温供热实验；
　　1984年，当时的国家科委批准在清华大学核能所建一座5MW的核供热试验堆；
　　1986年起，低温核供热正式列为国家“七五”科技攻关项目；
　　1989年，50MW低温核供热堆正式临界启动，之后一次成功完成72小时满功率连续运行实验；
　　1991-1992年，50MW低温核供热堆又取得了热电联供运行和低温制冷运行成功，成为世界上首座投入运行的“一体化全功率自然循环”低温核供热试验反应堆。
　　2015年6月，中广核与清华大学、中国核建联合签署“低温核供热堆产业化合作协议”，以推进低温供热堆在中国的商业化和产业化，使得在我国已有近三十年研究历史的低温核供热技术再度进入公众视野。

　　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。如下图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！