核供熱堆安全性分析

武文奇

江蘇核電有限公司 江蘇連云港 222000

改革開放以來(lái)，中國(guó)在能源行業(yè)開始了飛速的發(fā)展，特別是進(jìn)入二十一世紀(jì)以后，國(guó)內(nèi)煤炭、石油和天然氣等新能源已在社會(huì)生活中普遍應(yīng)用，中國(guó)也一躍成為世界最大的能源生產(chǎn)國(guó)。大力發(fā)展綠色低碳能源也成為了我國(guó)的能源發(fā)展戰(zhàn)略。[1]我國(guó)北方地區(qū)冬季嚴(yán)寒，近年來(lái)北方居民大部分使用燃煤或者燃?xì)膺M(jìn)行供暖，這種供暖方式普遍造成碳排放量較大，氮氧化物及其他污染物排放較多，使得北方地區(qū)長(zhǎng)期深受霧霾的困擾，是造成空氣污染的主要原因，并且嚴(yán)重危害了人們的日常出行安全及身體健康。為貫徹我國(guó)節(jié)能環(huán)保的國(guó)家政策，核能供熱作為一種新興的供暖方式逐漸在日常生活中嶄露頭角，該方式通過(guò)將核電機(jī)組中的核能轉(zhuǎn)化為熱能，對(duì)水進(jìn)行加熱，使得二氧化碳及各類污染物均能實(shí)現(xiàn)零排放。另外，我國(guó)對(duì)核安全性文化也相當(dāng)重視，國(guó)家已制定相關(guān)政策及法律法規(guī)，保證核能供暖所產(chǎn)生的各類物質(zhì)的放射性不會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生影響。因此低溫核供暖將成為解決我國(guó)城市集中供暖產(chǎn)生的嚴(yán)重空氣污染問題的主要舉措。

1 核供熱堆發(fā)展現(xiàn)狀

自從核能作為一種新興的新能源出現(xiàn)在大眾視野之后，其清潔、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)惹人矚目，近年來(lái)，人們除了開始進(jìn)行核能發(fā)電之外，開始探尋核能供暖的新途徑。根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)發(fā)布的2017年版《世界核電反應(yīng)堆》，截至2016年12月31日，在全球總計(jì)446臺(tái)在運(yùn)核電機(jī)組中，有56臺(tái)機(jī)組采用熱電聯(lián)供方式在發(fā)電的同時(shí)進(jìn)行區(qū)域供熱。

目前，核能供暖在國(guó)內(nèi)尚未普及。2019年，山東海陽(yáng)市依托海陽(yáng)核電站啟動(dòng)了我國(guó)首個(gè)核能供暖試點(diǎn)項(xiàng)目，供熱面積70萬(wàn)平米，經(jīng)測(cè)算，整個(gè)供暖季使當(dāng)?shù)販p少燃煤使用2.32萬(wàn)噸，減排煙塵282噸，二氧化硫382噸，氮氧化物362噸以及6萬(wàn)噸二氧化碳。極大程度上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。據(jù)此看來(lái)，核能供暖趨勢(shì)不可阻擋。

2 低溫供熱堆的原理

目前較常見的低溫供熱類型為池式低溫供熱堆，其原理為以泳池結(jié)構(gòu)為模型，設(shè)置一個(gè)常壓池式結(jié)構(gòu)，把堆芯布置在水池底部，利用水深產(chǎn)生的壓力調(diào)節(jié)堆芯出口處冷卻劑的溫度，再經(jīng)過(guò)兩次換熱把堆芯產(chǎn)生的熱量傳遞到供熱回路，利用現(xiàn)有的熱網(wǎng)對(duì)用戶供暖。

3 低溫供熱堆的安全性相關(guān)分析

我國(guó)自二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，便陸續(xù)頒布了一系列核供熱堆的安全性法律法規(guī)、技術(shù)規(guī)范等相關(guān)文件。經(jīng)國(guó)家認(rèn)證，池式低溫供熱堆擁有安全性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性高即技術(shù)比較成熟等優(yōu)勢(shì)。

低溫供熱堆固有的安全性較強(qiáng)，池式低溫供熱堆整個(gè)工作過(guò)程都處于低溫低壓環(huán)境下，所以他跟傳統(tǒng)的核電站的核反應(yīng)堆有較大的區(qū)別。低溫供熱堆必須建立在離用戶較近的地方，但眾所周知，核輻射放射性較強(qiáng)，對(duì)人體的危害性較大，如若要建立在用戶密集的地方，則必須要排除其放射性泄露的可能性，保證公眾的健康。而池式低溫供熱堆本身就具有這方面的安全性保障。例如：

（1）反應(yīng)堆的裝置以泳池為原型采用常壓池式結(jié)構(gòu)，無(wú)論裝置是否在滿功率做功的情況下運(yùn)行，裝置內(nèi)都保持常壓穩(wěn)定狀態(tài)，池內(nèi)的水溫將永遠(yuǎn)保持在平均溫度低于常壓下水的沸點(diǎn)溫度，即水不會(huì)沸騰。

（2）池式低溫供熱堆的堆芯處于水池底部被水覆蓋，如若遇到意外事故，可通過(guò)高溫差及低溫差所產(chǎn)生的自然循環(huán)及時(shí)停堆，不會(huì)導(dǎo)致堆芯裸露或熔化。

（3）整個(gè)水池都深埋地下，內(nèi)有金屬里襯，外有鋼化保護(hù)膜，安全屏障較高，且具有較強(qiáng)的抗震性能。

為保證核能供熱的安全性，我國(guó)出現(xiàn)了很多研究員對(duì)此進(jìn)行了模擬及實(shí)例性分析。如王大中進(jìn)行的5MW供熱堆瞬態(tài)運(yùn)行工況試驗(yàn)：在核供熱堆穩(wěn)定運(yùn)行的工況下，階躍引入2mK的正反應(yīng)性，供熱堆功率隨之上升，大約100s之后功率達(dá)到最大值，是最大功率值的1.18倍。由于溫度系數(shù)的負(fù)反饋，100s后堆功率下降，約半小時(shí)后趨向于穩(wěn)定，該過(guò)程中所有參數(shù)均在安全范圍內(nèi)。當(dāng)供熱堆2MW運(yùn)行工況時(shí)，仍能保持安全運(yùn)行。結(jié)論表明，在反應(yīng)性引入、極端事故發(fā)生時(shí)，5MW供熱堆能保證安全性。

池式低溫供熱堆的設(shè)計(jì)及建造不僅滿足國(guó)家頒布的安全法規(guī)和法律規(guī)范，而且其安全性能達(dá)到了全行業(yè)乃至國(guó)際認(rèn)可的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。所以這種安全性程度足以滿足日常生活中使用核能供暖的條件。既能保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)“綠水青山”的目標(biāo)，又能滿足日常供暖需求。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，核能供熱不僅有其固有的安全性及無(wú)污染性，而且經(jīng)濟(jì)性較高。由于其整個(gè)工作過(guò)程中都處于低壓狀態(tài)，因此對(duì)外形設(shè)備的零件并沒有太高的要求，裝置所需的閥門、管道及壓力容器等都可使用相對(duì)比較便宜的品牌，以此來(lái)節(jié)約成本。

我國(guó)北方地區(qū)冬季嚴(yán)寒，目前仍處于以燃煤供暖為主，這種供暖方式普遍造成碳排放量較大，氮氧化物及其他污染物排放較多，使得北方地區(qū)長(zhǎng)期深受霧霾的困擾，是造成空氣污染的主要原因，并且嚴(yán)重危害了人們的日常出行安全及身體健康。而核能供熱已經(jīng)過(guò)國(guó)家一系列文件認(rèn)證，具有安全性較高、無(wú)污染、經(jīng)濟(jì)性較高等優(yōu)勢(shì)?？梢酝昝赖慕鉀Q傳統(tǒng)的燃煤供暖產(chǎn)生的碳排放量及各類污染物較多的問題，減緩北方地區(qū)的霧霾現(xiàn)象，使得人們出行安全和身體健康都得到了保障。總而言之，核能供暖的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，不僅是在保護(hù)環(huán)境方面，而且在創(chuàng)造社會(huì)價(jià)值方面，都有著極其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?？梢灶A(yù)見在未來(lái)幾年內(nèi)，核能供暖將逐漸普及到社會(huì)生活中，雖然短時(shí)間內(nèi)不能完全取代燃爐供暖，但其發(fā)展已是大勢(shì)所趨，值得所有人的期待。