煤炭短缺，核能供暖是答案嗎？

浙江海鹽、山東海陽相繼完成核能供熱工程，惠及百姓民生。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？

在碳減排、碳中和的大背景下，核能供暖正式“走入”了我們的生活。

據(jù)中核集團消息，我國南方地區(qū)首個核能供熱項目——浙江海鹽核能供熱示范工程（一期）12月3日在浙江海鹽正式投運，供暖面積達46萬平方米，惠及近4000戶居民。到“十四五”末項目全部建成，能夠滿足海鹽約400萬平方米的供暖需求。

“核能供熱是重大民生工程、民心工程。”國家能源局副局長余兵在項目投產(chǎn)儀式上表示，中核集團要打造好標(biāo)桿項目，總結(jié)經(jīng)驗，共推核能供熱良性發(fā)展；要利用好該工程，辦好“暖核”科普活動，做好公眾溝通，為核能供熱營造良好環(huán)境。

無獨有偶，11月9日，國家能源核能供熱商用示范工程二期450萬平方米項目在山東海陽投運，供暖面積覆蓋海陽全城區(qū)，惠及20萬居民，海陽成為全國首個“零碳”供暖城市。

核能供暖是解決能源與污染問題的有效途徑。數(shù)據(jù)顯示，僅山東海陽一地，核能供暖以后，每年可以節(jié)約原煤近10萬噸，減少18萬噸二氧化碳的排放，以及數(shù)千噸氮硫化物氣體的排放，尤其是在今年化石能源供給相對敏感的當(dāng)下，顯得更為引人關(guān)注。

但不少公眾依然談“核”色變，核供暖廠被質(zhì)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？

▲2021年12月5日，浙江嘉興海鹽縣核電新村小區(qū)、楓葉小區(qū)、核電南苑小區(qū)的居民家中迎來了集中供暖（圖片來源/視覺中國）

Q1：核能供暖是怎樣實現(xiàn)的？

在公眾的印象當(dāng)中，“核電”是最熟悉的詞匯，核能最直接的應(yīng)用似乎就是發(fā)電。事實上，核電站尤其是殼式反應(yīng)堆，發(fā)電原理和傳統(tǒng)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(lián)產(chǎn)，也就是又發(fā)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(yīng)堆用“高壓鍋”裝起來，整個系統(tǒng)由三個回路組成：其中一回路是核電站最核心的地方，相當(dāng)于火電廠的鍋爐，核裂變反應(yīng)在這里發(fā)生以后，產(chǎn)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(fā)生器，吸收一回路蒸汽的熱量，使自身變?yōu)轱柡驼羝?，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(zhuǎn)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(xù)到四回路、五回路甚至更多。最終輸出的水，就成為傳導(dǎo)到居民家中的“供暖水”了。

除了殼式反應(yīng)堆以外，核能供暖還有一種反應(yīng)堆叫做池式反應(yīng)堆。從名字上來看，像是在水池當(dāng)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(dāng)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(cè)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(yīng)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(wǎng)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(yè)產(chǎn)熱的，而是熱電聯(lián)產(chǎn)，也就是以發(fā)電為主，剩余的能量發(fā)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）

Q2：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(shù)，能夠把核燃料直接拿來作為熱源，都是經(jīng)過層層介質(zhì)轉(zhuǎn)換以后才實現(xiàn)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(zhì)驅(qū)動發(fā)熱包發(fā)熱，產(chǎn)生熱氣加熱食材，在這個過程當(dāng)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(nèi)換熱首站、廠外供熱企業(yè)換熱站進行多級換熱，最后經(jīng)市政供熱管網(wǎng)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(zhì)進入用戶暖氣管道。

▲海陽核電基地（圖片來源/澎湃新聞）

據(jù)媒體報道，此次山東海陽核能供暖是從核能發(fā)電機組抽取部分發(fā)過電后的蒸汽作為熱源，通過廠內(nèi)換熱器轉(zhuǎn)換成高溫水，再經(jīng)過管網(wǎng)輸送至供熱公司，整個過程的回路高達5個。

另有專業(yè)工程師表示，在核電站換熱首站的熱水出廠前，在線監(jiān)測和隔離裝置還會進行檢測，回路間采取壓差設(shè)計，確保核能供熱安全可靠。

居民方面，經(jīng)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(biāo)一致，“可以放心，十分安全”。

Q3：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(shè)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(tǒng)，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(fā)生事故時，最大限度地保證公眾和環(huán)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(yīng)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(yīng)堆本身并不會爆炸，也就不存在泄漏的風(fēng)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(fā)電的過程中，要不斷向反應(yīng)物中注入冷水實現(xiàn)循環(huán)，如果循環(huán)停止了，反應(yīng)物就會過熱消融，誘發(fā)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(fā)電，于是進行了試驗，但悲劇的是實驗過程出現(xiàn)了操作失誤，導(dǎo)致反應(yīng)堆過熱，最終發(fā)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(fā)電機堅持半小時以后，電力系統(tǒng)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(yīng)堆，已經(jīng)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(huán)冷卻，極大地增強了安全系數(shù)。

至于池式堆，因為核燃料直接在水中進行反應(yīng)，產(chǎn)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(zhuǎn)換設(shè)備系統(tǒng)的復(fù)雜度，也減少了能量轉(zhuǎn)換過程的損失，安全系數(shù)比傳統(tǒng)的殼式堆還要高。

Q4：核能供暖未來會大規(guī)模普及嗎？

相比傳統(tǒng)的化石能源等其他供暖形式，核能供暖有非常明顯的環(huán)保優(yōu)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(qū)，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(xiàn)，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(yīng)用，蘇聯(lián)也曾興建過核能供熱反應(yīng)堆。我國早在上世紀80年代就開展過相關(guān)研究，甚至到2017年年底，中核集團原子能科學(xué)研究院的部分辦公樓，就已開始使用上自家研發(fā)的“燕龍”泳池式低溫供熱堆供暖。

那么，是什么原因?qū)е潞四芄┡两駴]有普及呢？經(jīng)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(xiàn)有的技術(shù)水平下，犧牲的是發(fā)熱效率。只能在小范圍區(qū)域內(nèi)，比如園區(qū)、校園或者小城鎮(zhèn)使用，無法普惠大眾，沒有解決供暖的實質(zhì)性問題，反而面臨著很大的經(jīng)濟壓力。

另一種是基于現(xiàn)有的中大型核電廠，利用核電站的抽汽向熱網(wǎng)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(wǎng)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(nèi)陸地區(qū)不太適合修建，尤其是北方缺水地區(qū)更是雪上加霜。如果只修建在海邊向內(nèi)陸供熱，不僅要花大價錢建設(shè)導(dǎo)熱設(shè)備，熱量在傳導(dǎo)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(jié)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(fù)雜的工作，涉及市場、技術(shù)和政策諸多方面，浙江海鹽、山東海陽的核能供暖，邁出了實質(zhì)性的一步，對于優(yōu)化區(qū)域能源結(jié)構(gòu)、區(qū)域清潔供暖及零碳供熱有重要指導(dǎo)作用，也為核能供暖這項技術(shù)未來的發(fā)展應(yīng)用，指明了方向。

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撰文/張子立（中國科學(xué)院電工研究所 副研究員）

編輯/趙天宇 劉昭

新媒體編輯/呂冰心

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