游戰(zhàn)洪

1989年11月，清華大學(xué)核能技術(shù)研究所研制成功世界上第一座投入運(yùn)行的一體化自然循環(huán)殼式低溫核供熱堆——5兆瓦低溫核供熱堆，開辟了中國核能供熱的新領(lǐng)域。

低溫核供熱堆是一種專門供熱的反應(yīng)堆。由于反應(yīng)堆離供熱區(qū)不能太遠(yuǎn)，需靠近供熱用戶，建在人口稠密區(qū)域附近，因此它的安全可靠性要求之高甚于核電站。國外從1970年代就開始探索用核能供熱，蘇聯(lián)、聯(lián)邦德國、瑞士設(shè)計自然循環(huán)微沸騰式水堆，瑞典和芬蘭聯(lián)合設(shè)計SECURE池式壓水堆，加拿大研制SLOWPOKE自然循環(huán)池式壓水堆，法國設(shè)計一體化低壓壓水堆——熱水瓶式供熱堆。但是，直到1980年代中期，國際上該領(lǐng)域的進(jìn)展幾乎仍處在研究和設(shè)計階段，例如蘇聯(lián)計劃建造4座功率為500兆瓦的自然循環(huán)微沸騰式水堆供熱堆，但終未建成。

研制過程

早在1981年12月，在中國第一次小型供電、供熱反應(yīng)堆會議上，清華大學(xué)核能技術(shù)研究所（簡稱核能所）專家就提出了在中國發(fā)展低溫核供熱堆的倡議。1982年10月，核能所對原有游泳池式屏蔽試驗(yàn)反應(yīng)堆（即90l堆）進(jìn)行技術(shù)改造，準(zhǔn)備進(jìn)行低溫核供熱試驗(yàn)。隨后通過改進(jìn)堆芯物理及熱工設(shè)計、設(shè)置中間隔離回路等措施，把反應(yīng)堆的出口溫度提高到45qC。

1983年11月14日，改造后的901堆低溫供熱系統(tǒng)投入運(yùn)行，開始對核能所三座實(shí)驗(yàn)大樓共16200米²的建筑面積供暖，實(shí)驗(yàn)證明供熱效果良好。在累計供熱的50多天內(nèi)，室內(nèi)溫度達(dá)到16-18℃，比燃燒同熱當(dāng)量的煤供暖室溫高4-5℃。現(xiàn)場監(jiān)測表明，核供熱對環(huán)境并無污染。

1984年2月21日，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成果通過了技術(shù)鑒定。鑒定會由國家教委主持，國家計委、國家科委、核工業(yè)部、電力部、石油部等有關(guān)部委及哈爾濱市、沈陽市、北京市等地方共30多個單位的50多名代表參加了會議。技術(shù)鑒定委員會由核、電、能源規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)等方面的12位專家組成。會議一致認(rèn)為：“清華大學(xué)核能技術(shù)研究所利用反應(yīng)堆的余熱供暖，在技術(shù)上是可行的，運(yùn)行是安全的，供暖效果良好。這次實(shí)驗(yàn)的成功，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)規(guī)模的核供熱，開辟了一條核能應(yīng)用的新途徑，對進(jìn)一步發(fā)展地區(qū)性的丁程規(guī)模的低溫核供熱起了一定的促進(jìn)作用。”

為發(fā)展核供熱堆，核能所系統(tǒng)地調(diào)研和考察了國際上核供熱堆研究的發(fā)展情況，花了一年的時間進(jìn)行比較與論證，最后確定一體化殼式核供熱堆方案。這種堆省去了昂貴的主循環(huán)泵及主回路管道，可實(shí)現(xiàn)全功率自然循環(huán)，既節(jié)省了投資，又減少了一回路發(fā)生破損的可能性，同時不需要外動力，依靠自然循環(huán)就可以在停堆后將余熱排到大氣中，具有良好的非能動安全性。

核能所在主持完成低溫核供熱試驗(yàn)，證明低溫核供熱的現(xiàn)實(shí)可行性和安全可靠性之后，向國家科委爭取立項(xiàng)和經(jīng)費(fèi)支持，低溫核供熱堆的研究正式列入國家“六五”科技攻關(guān)計劃第17項(xiàng)“核能開發(fā)研究”的重要課題，首次得到了幾百萬元的經(jīng)費(fèi)支持。為掌握一體化自然循環(huán)殼式堆核供熱技術(shù)，核能所提出建設(shè)一座5兆瓦低溫核供熱堆，并完成該堆方案設(shè)計。科研人員用了近兩年的時間，完成了堆本體及26個子系統(tǒng)的設(shè)計，繪制設(shè)計圖紙約5萬張，并撰寫約300萬字的設(shè)計說明書和其他文字資料。

1985年，作為國家“七五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，5兆瓦低溫核供熱堆被批準(zhǔn)由核能所建造，整個工程項(xiàng)目包括科研開發(fā)，總共投入1900萬元的經(jīng)費(fèi)。1985-1988年，核能所先后開展了50項(xiàng)科學(xué)研究，其中設(shè)計創(chuàng)新10項(xiàng)，新產(chǎn)品、新技術(shù)開發(fā)19項(xiàng)，試驗(yàn)研究12項(xiàng)，軟件開發(fā)7項(xiàng)，并攻克了13項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)，最終實(shí)現(xiàn)了“世界第一”的一體化全功率自然循環(huán)、采用新型水力驅(qū)動控制棒兩個技術(shù)創(chuàng)新目標(biāo)。

1986年3月，5兆瓦低溫核供熱實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆正式動工興建，土建工程于1987年9月完工。1987年5月，由哈爾濱鍋爐廠加工制造的壓力殼和安全殼運(yùn)抵現(xiàn)場進(jìn)行安裝。1988年至1989年春，進(jìn)入堆內(nèi)構(gòu)件和各項(xiàng)輔助系統(tǒng)的全面加工安裝階段。1989年5月至8月，核能所有關(guān)工程技術(shù)人員對5兆瓦低溫核供熱堆26個系統(tǒng)進(jìn)行了初裝料前的分系統(tǒng)調(diào)試和綜合調(diào)試，完成66項(xiàng)試驗(yàn)。8月10-19日，國家核安全局委派調(diào)試監(jiān)督檢查組，對選定的10個系統(tǒng)的20項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證、監(jiān)督及驗(yàn)收。9月28日，國家核安全局局長周平代表核安全局向核能所頒發(fā)5兆瓦低溫核供熱堆首次裝料批準(zhǔn)書。10月9日，在國家核安全局專家監(jiān)查組的監(jiān)督下，5兆瓦低溫核供熱堆順利裝放核燃料。由核工業(yè)總公司生產(chǎn)的1292根鈾燃料棒共12大盒、4小盒元件，成功地裝入堆芯。11月3日，5兆瓦低溫核供熱堆首次臨界運(yùn)行成功。12月16日，達(dá)到5兆瓦滿功率。

5兆瓦低溫核供熱堆剛剛臨界，聯(lián)邦德國總理科爾的核能總顧問弗萊厄（H.Frewer，又譯弗雷韋爾）博士就發(fā)來賀電：“這不僅在世界核供熱反應(yīng)堆的發(fā)展方面是一個重要的里程碑，同時對解決在中國以及其他很多國家存在的污染問題方面也是一個重要的里程碑?！甭?lián)邦德國西門子公司電站聯(lián)盟（KWU）反應(yīng)堆概念及發(fā)展部高級經(jīng)理格茨曼（G.A.Goetzmann）于1989年11月10日發(fā)來賀電：“你們的試驗(yàn)供熱堆是世界上第一座這種類型的模式堆……這種大型核供熱站將為解決中國的燃料運(yùn)輸，并以較低廉的價格提供不污染環(huán)境的清潔能源等問題做出重大貢獻(xiàn)。”

1989年12月19日，在國家核安全局專家組的監(jiān)督下，5兆瓦低溫核供熱堆完成了72小時滿功率連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，然后開始向核能所工作區(qū)的全部建筑物供暖。截至1990年3月22日，連續(xù)安全供暖101天，完成了預(yù)期的供熱試驗(yàn)任務(wù)。試驗(yàn)證明，5兆瓦低溫核供熱堆性能優(yōu)異、運(yùn)行可靠、操作方便，并達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，是一種理想、安全、清潔的集中供熱熱源。

1990年9月17日，5兆瓦低溫核供熱試驗(yàn)反應(yīng)堆通過了由國家計委、國家科委、國家教委和財政部主持的技術(shù)鑒定和項(xiàng)目驗(yàn)收。鑒定委員會一致通過的鑒定意見認(rèn)為：“5兆瓦供熱堆是世界上第一座投入運(yùn)行的殼式供熱試驗(yàn)堆。它的研制成功是一項(xiàng)具有國際水平的重大科技成果?！彬?yàn)收委員會一致通過的驗(yàn)收結(jié)論指出：“5兆瓦低溫核供熱堆研制成功是一項(xiàng)具有世界先進(jìn)水平的重大科技成果。它不僅填補(bǔ)了我國在核供熱領(lǐng)域內(nèi)的空白，為我國核能利用開拓新途徑打下了良好基礎(chǔ)，也使我國在這一領(lǐng)域步入了世界先進(jìn)行列?！?/p>

安全技術(shù)特點(diǎn)

1979年3月28日，美國三英里島核電站發(fā)生堆芯熔化的嚴(yán)重事故，在國際核能界引起很大震動。1986年4月26日，蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生堆芯熔化的重大事故，造成了大量放射性物質(zhì)逸出到環(huán)境中的嚴(yán)重后果，這是世界核電發(fā)展史上最嚴(yán)重的一次核事故。這兩起核事故進(jìn)一步表明，核安全是核能發(fā)展的生命線，核能技術(shù)的先進(jìn)性首先要體現(xiàn)在核安全性能上。

在美國三英里島和蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生堆芯熔化的嚴(yán)重事故后才建成的清華大學(xué)5兆瓦低溫核供熱堆，實(shí)現(xiàn)了一系列安全技術(shù)創(chuàng)新。5兆瓦低溫核供熱堆工作壓力1.5兆帕，堆芯出口溫度186℃，三回路供水溫度可達(dá)90℃，采用一體化布置、全功率自然循環(huán)冷卻、水力驅(qū)動控制棒、雙層承壓殼、中間隔離回路、非能動余熱載出等先進(jìn)安全技術(shù)，具有優(yōu)良的非能動安全特性。

一體化布置

核壓水堆一般設(shè)有水泵和蒸發(fā)器，這些設(shè)備采用分置式設(shè)計，通過管道連接起來。從安全角度考慮，分置式設(shè)備存在的潛在危險是管道破損，管道破損會導(dǎo)致堆芯失水，甚至造成堆芯熔毀。5兆瓦低溫核供熱堆的主回路設(shè)備反應(yīng)堆和熱交換器均布置在壓力殼內(nèi)，減少了連接管路及閥門，從而大大降低一回路管線破損概率，提高了反應(yīng)堆冷卻的可靠性。這種一體化布置的設(shè)計比分置式設(shè)計更安全，可以避免由管道破損引起的安全隱患。

全功率自然循環(huán)冷卻

所謂“自然循環(huán)”，就是利用水因溫度不同造成密度差，使水自然流動循環(huán)冷卻堆芯。由于不需任何外加動力就可實(shí)現(xiàn)全功率自然循環(huán)，因此5兆瓦低溫核供熱堆取消了較易損壞的轉(zhuǎn)動部件——泵，令運(yùn)行可靠性增加。停堆后，余熱是通過自然循環(huán)向外載出，即使外電源及事故備用電源均發(fā)生故障，反應(yīng)堆的冷卻也有保證。

為研究較低壓力下微沸騰時自然循環(huán)的穩(wěn)定性。核能所專門建造了一個試驗(yàn)回路，用電加熱器模擬反應(yīng)堆釋熱元件，用平行流通模擬堆芯熱功率不等的燃料組件流道，采用計算機(jī)做在線處理，根據(jù)參數(shù)波動的幅度來判斷其穩(wěn)定性。試驗(yàn)回路臺架于1985年建成，1986年完成了第一組試驗(yàn)。通過運(yùn)用自然循環(huán)穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究成果，5兆瓦低溫核供熱堆的三回路輸熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全功率的自然循環(huán)：主換熱器布置在壓力殼內(nèi)，一回路系統(tǒng)沒有主循環(huán)泵，冷卻劑依靠堆殼內(nèi)冷區(qū)和熱區(qū)的密度差完成自然循環(huán)。

水力驅(qū)動控制棒

控制棒是啟動、關(guān)閉反應(yīng)堆，調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率，保證反應(yīng)堆安全的關(guān)鍵設(shè)備，要求能在數(shù)百度高溫、上百個大氣壓的環(huán)境中準(zhǔn)確拖動中子吸收元件，并且在事故工況下，能安全可靠、迅速地落入堆芯。其行程達(dá)2～3米，運(yùn)動精度為0.5毫米。傳統(tǒng)的控制棒由堆頂通過電磁機(jī)械傳動，傳動鏈長達(dá)4～5米，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本昂貴。水力控制棒的傳動以反應(yīng)堆冷卻劑水為介質(zhì)，通過泵加壓后，注入安裝在堆內(nèi)的水力步進(jìn)缸，通過流量變化控制缸體運(yùn)動，拖動中子吸收元件。它具有結(jié)構(gòu)簡單、安全性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，避免了兩根棒同時提升和連續(xù)提棒的可能性，排除了彈棒事故，因而提高了反應(yīng)堆的安全性。

1984年春天，西門子公司電站聯(lián)盟專家來核能所講學(xué)，介紹了水力傳動控制棒的原理。核能所的科研骨干從中受到啟發(fā)，決定在5兆瓦低溫核供熱堆上采用這種控制棒。但從聯(lián)邦德國引進(jìn)該控制棒，需要花費(fèi)大量外匯購買專利，因此他們決定自己研發(fā)。他們提出對孔式水力步進(jìn)傳動的概念，以代替聯(lián)邦德國的槽式水力傳動方案。此外針對5兆瓦低溫核供熱堆控制棒數(shù)量少、每根控制棒當(dāng)量大的特點(diǎn)以及防止彈棒，又提出有限注入的概念，并設(shè)計了脈沖缸。

為測試控制棒水力傳動裝置，核能所建造了一系列試驗(yàn)回路，包括室溫試驗(yàn)回路、高溫試驗(yàn)回路、多組試驗(yàn)回路，以及堆芯模擬裝置、控制棒位置指示器試驗(yàn)裝置等。其中，室溫試驗(yàn)回路的目的在于選擇合理的結(jié)構(gòu)方案并研究其流動阻力特性。為使控制棒經(jīng)得住長期考驗(yàn)，選定參數(shù)后進(jìn)行了20萬次以上的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在整個控制棒行程上，傳動裝置均能穩(wěn)定地工作。

1986年2月，核能所已建成高溫試驗(yàn)臺，當(dāng)時聯(lián)邦德國的溫度試驗(yàn)只達(dá)到90℃。從1988年起，由于沒有反應(yīng)堆的支持，聯(lián)邦德國的水力棒研究工作陷入停頓狀態(tài)。而核能所在5兆瓦低溫核供熱堆項(xiàng)目的支持下繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，高溫試驗(yàn)達(dá)到了190℃，最終實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)到反應(yīng)堆實(shí)用。1989年11月，5兆瓦低溫核供熱堆成功使用水力傳動控制棒投入運(yùn)行。

雙層承壓殼

在美國三英里島事件中，核電站的二號機(jī)組反應(yīng)堆發(fā)生嚴(yán)重的失水事故，致使堆芯冷卻條件迅速惡化，堆芯燃料元件損傷超過70%，其中35%～45%的元件熔化，有50%的氣態(tài)裂變產(chǎn)物釋放到安全殼中，其中揮發(fā)性裂變產(chǎn)物碘和銫絕大部分溶解于安全殼的水中，而氣體裂變產(chǎn)物氪和氙存留在安全殼的空氣中，因此事故產(chǎn)生的直接危害不大。

切爾諾貝利核電站使用的反應(yīng)堆為石墨水冷反應(yīng)堆（石墨沸水堆），該堆以石墨做慢化劑，水做冷卻劑，冷卻水流過燃料管被加熱至沸騰，產(chǎn)生的蒸汽直接供給汽輪機(jī)，發(fā)電效率較高，比較經(jīng)濟(jì)，但冷卻劑轉(zhuǎn)換為蒸汽時，會出現(xiàn)正反應(yīng)性，很可能引起溫度與功率同時上升，自穩(wěn)定性較差。這種石墨水冷反應(yīng)堆沒有應(yīng)付放射性的第三道屏障——安全殼，嚴(yán)重違背了縱深防御原則和有關(guān)安全設(shè)計準(zhǔn)則。由于一連串的錯誤操作，結(jié)果反應(yīng)堆瞬發(fā)超臨界，導(dǎo)致功率劇增，冷卻水流量下降，燃料過熱，壓力劇增，造成堆芯熔化。堆內(nèi)隨即生成大量蒸汽，熔融的燃料碎粒與水發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，引起蒸汽和氫氣爆炸，石墨燃燒，在很短時間內(nèi)就發(fā)生化學(xué)爆炸，炸毀了反應(yīng)堆和部分建筑物，放射性物質(zhì)被拋向上空，散入環(huán)境。切爾諾貝利核電站事故發(fā)生后不久，蘇聯(lián)核能專家和蘇聯(lián)政府就做出結(jié)論，認(rèn)為這種反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)和設(shè)計上的缺陷是事故產(chǎn)生的主要原因，工作人員操作失誤只是事故發(fā)生的誘因。1992年，國際核安全咨詢組在分析大量事故資料后肯定了這個結(jié)論。

5兆瓦低溫核供熱堆采用壓力殼與安全殼雙層承壓殼的雙保險安全技術(shù)措施，壓力殼和安全殼都能承受住反應(yīng)堆工作壓力。5兆瓦低溫核供熱堆的安全殼為緊貼承壓式，壓力殼和安全殼之間的空隙較小。當(dāng)發(fā)生壓力殼破損事故時，冷卻劑被排放到安全殼內(nèi)，在安全殼與壓力殼的壓力達(dá)到平衡后，就能最終抑制住冷卻劑的進(jìn)一步流失，并可保證堆芯始終被水淹沒，有效防止堆芯失水、裸露熔毀事故。

中間隔離回路

5兆瓦低溫核供熱堆在反應(yīng)堆主回路和熱網(wǎng)回路間設(shè)置了中間隔離回路，將反應(yīng)堆主回路的水與熱網(wǎng)隔開，中間回路的壓力高于反應(yīng)堆主回路壓力，可有效防止反應(yīng)堆中帶有放射性的水漏入熱網(wǎng)。

非能動余熱載出

由于反應(yīng)堆中的核燃料產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物具有強(qiáng)放射性，因此停堆后仍有剩余衰變熱會不斷排出。2011年3月，由于發(fā)生超強(qiáng)地震和海嘯，日本福島第一核電站全廠斷電，應(yīng)急柴油機(jī)停止運(yùn)行，正在運(yùn)行的1、2、3號機(jī)組堆芯隔離冷卻系統(tǒng)長時間失效，堆芯余熱無法導(dǎo)出，結(jié)果堆芯燃料包殼中的鋯在高溫下與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量氫氣，氫氣通過安全殼排氣釋放到反應(yīng)堆廠房，累積在廠房頂部，濃度升高，最后引發(fā)氫氣爆炸而產(chǎn)生核泄漏。

5兆瓦低溫核供熱堆采用非能動的余熱載出系統(tǒng)，不依賴外加動力的部件來載出反應(yīng)堆停堆后的余熱，是一種安全可靠的設(shè)計。兩個獨(dú)立的余熱冷卻系統(tǒng)能夠可靠地載出反應(yīng)堆余熱，余熱沿上升管流（煙囪）傳向廠房頂上的空冷器，在空氣中冷卻。在余熱載出系統(tǒng)中，沒有需要外加動力的部件，即使外電源失效，也可以長期維持堆芯的適當(dāng)冷卻。

1988-1989年，國家核安全局組織100多位不同領(lǐng)域的專家對5兆瓦低溫核供熱堆進(jìn)行全面安全評審。核能所的科技人員先后撰寫了330萬字的資料，回答了專家們提出的1200多個問題。經(jīng)過一年半的安全審評，專家得出結(jié)論：5兆瓦低溫核供熱堆具有較好的固有安全性，能滿足核安全的基本要求，不致對工作人員、公眾和環(huán)境造成輻射損害和污染。

1989年9月5日和6日，5兆瓦低溫核供熱堆進(jìn)行應(yīng)急演習(xí)。國家核安全局委派18名專家組成應(yīng)急演習(xí)監(jiān)查審評組，對5兆瓦低溫核供熱堆的應(yīng)急演習(xí)進(jìn)行觀察與監(jiān)督審查。這是中國首次進(jìn)行核設(shè)施應(yīng)急演習(xí)，同時也是頒發(fā)5兆瓦低溫核供熱堆裝料批準(zhǔn)書前必須通過的重要程序。6日上午，演習(xí)圓滿結(jié)束，獲得好評。監(jiān)查審評組認(rèn)為這次演習(xí)很成功，核能所做了開創(chuàng)性工作，為今后其他核設(shè)施的應(yīng)急演習(xí)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。9月9日，在國家核安全局的監(jiān)督下，核能所舉行中國首次反應(yīng)堆運(yùn)行操作人員資格考核，一批運(yùn)行人員順利通過考核，獲得高級操縱員和操縱員證書。

5兆瓦低溫核供熱堆于1990年被評為“國內(nèi)十大科技新聞”之一，1991年獲得國家教委科技進(jìn)步特等獎，1992年獲得國家科技進(jìn)步一等獎。1995年3月5口，低溫核供熱堆作為取得突破性進(jìn)展的5項(xiàng)重大研究項(xiàng)目之一，列入國務(wù)院《政府工作報告》中。

應(yīng)用前景

低溫核供熱堆具有優(yōu)良的安全特性，而且系統(tǒng)設(shè)備簡單，主要設(shè)備均可以在國內(nèi)生產(chǎn)，造價較低，建造周期短。不論從資源保護(hù)和環(huán)境保護(hù)角度思考，還是從緩解運(yùn)輸緊張以及經(jīng)濟(jì)成本的角度考慮，發(fā)展核供熱都是非常必要的。

清華大學(xué)5兆瓦低溫核供熱堆的順利建成和安全運(yùn)行，表明了發(fā)展低溫核供熱堆是核能民用的一條捷徑。低溫核供熱堆可作為城市集中供熱的一種干凈清潔的熱源。據(jù)統(tǒng)計，中國的一次能源用于發(fā)電僅占25%左右，而70%左右的能源用于各種形式的供熱；德國、俄羅斯、日本等國以熱能形式消耗的能源也占總能源消耗的60%～70%。用核能取代化石燃料進(jìn)行供熱，發(fā)展前景比用核能發(fā)電更廣闊。

與使用化石燃料的火電和常規(guī)供熱相比，使用核燃料的核供熱在經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益方面占相當(dāng)優(yōu)勢。從經(jīng)濟(jì)方面看，盡管核供熱站的早期投資要高于同等功率的燃煤供熱站，但核供熱的運(yùn)行費(fèi)用、燃料成本比煤供熱低許多。例如在哈爾濱建造一座400兆瓦熱功率的核供熱站，每年即可節(jié)省原煤約60萬噸。

中國的煤藏分布不均，煤的運(yùn)輸平均距離達(dá)到400公里，給交通運(yùn)輸帶來沉重的壓力。據(jù)統(tǒng)計，全國40%的鐵路運(yùn)力、30%的水運(yùn)能力都被運(yùn)煤占用，若再加上廢渣的運(yùn)輸，所占運(yùn)力更為可觀。若采用核供熱，每年核燃料的消耗量很少，幾乎不占運(yùn)力，這樣可以很有效地緩解運(yùn)輸緊張狀況。例如中國北方城市的一座200兆瓦熱功率的核供熱站，可向300～400萬米。的建筑物供暖，產(chǎn)生的熱能相當(dāng)于25～30萬噸原煤產(chǎn)生的熱能，因此采用核供熱可節(jié)約4000多個列車車皮的原煤運(yùn)量以及約1000個列車車皮的廢渣運(yùn)量。

利用低溫低壓的反應(yīng)堆供熱，不僅可以緩解能源緊張和交通運(yùn)輸緊張的狀況，而且可以有效減少環(huán)境污染。據(jù)《歐洲核能綜覽》1996年7-8月號報道：1996年，全世界運(yùn)行中的核電機(jī)組已有430套，總裝機(jī)容量達(dá)338吉瓦。歐洲的核裝機(jī)容量為166吉瓦，約占世界核裝機(jī)容量的50%，其中德國和法國的核裝機(jī)容量為85吉瓦。法國和德國運(yùn)行中的核電廠的發(fā)電量如果改用硬煤來產(chǎn)生，每年就會多排放4.95億噸二氧化碳。一座熱功率200兆瓦的燒煤供熱站每年向大氣中排放二氧化硫約4000噸、二氧化碳約100萬噸、煙塵數(shù)百萬噸，而一座同功率的核供熱站的這些排放物可忽略不計，可顯著減輕冬季大范圍長時間的霧霾污染。

低溫核供熱堆的三個熱工回路產(chǎn)生的90℃飽和蒸汽，不但可以提供廉價的低溫?zé)崴詽M足民用采暖供熱，同時可以兼顧多種工業(yè)用汽需要：進(jìn)行低溫發(fā)電，由單純冬季供熱向熱電聯(lián)供過渡；開展綜合利用，如輻照單晶硅、生產(chǎn)同位素及進(jìn)行活化分析等；在堆內(nèi)設(shè)置輻照回路，利用反應(yīng)堆泄露的中子做輻照源，進(jìn)行各種輻照加工生產(chǎn)。

為配合200兆瓦低溫核供熱堆示范工程建設(shè)，清華大學(xué)核研院（1990年核能所改稱為核能技術(shù)設(shè)計研究院，2004年改稱為核能與新能源技術(shù)研究院）開展了“八五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“低溫核供熱堆綜合技術(shù)研究”，進(jìn)行了冬季供暖運(yùn)行、熱電聯(lián)供、海水淡化及制冷等試驗(yàn)。

冬季供暖5兆瓦低溫核供熱堆一建成，就開始向核研院5萬米²的建筑面積供暖。至1992年3月26日，已成功完成三個冬季的供暖運(yùn)行，總運(yùn)行時間達(dá)到8174小時，供暖質(zhì)量良好。運(yùn)行試驗(yàn)表明，5兆瓦低溫核供熱堆操作簡便，運(yùn)行可靠，其可利用率（實(shí)際運(yùn)行天數(shù)占計劃運(yùn)行天數(shù)的百分比）高達(dá)99%。三個冬季的供暖運(yùn)行試驗(yàn)充分體現(xiàn)出5兆瓦低溫核供熱堆的一體化、自穩(wěn)壓、全功率自然循環(huán)、水力驅(qū)動控制棒與棒位測量、非能動的余熱載出、噴射式注硼、控制保護(hù)、參數(shù)測量以及信息處理等先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。此外，5兆瓦低溫核供熱堆還具有良好的自調(diào)節(jié)功能。當(dāng)天氣、供熱面積等原因引起負(fù)荷變化時，不需要人為地使用控制棒，便可自動完成功率跟隨調(diào)節(jié)，甚至在極端事故工況下，也能自動向安全的運(yùn)行狀態(tài)過渡。由于具有很好的固有安全性，連續(xù)三年的運(yùn)行對周圍環(huán)境及熱網(wǎng)沒有造成任何放射性的不良影響。

熱電聯(lián)供1991年8月，核研院與武漢長江動力公司、清華大學(xué)熱能工程系協(xié)同攻關(guān)，完成5兆瓦核供熱堆72小時熱電聯(lián)供功率運(yùn)行，首次實(shí)現(xiàn)了低溫核供熱堆熱電聯(lián)供。這次熱電聯(lián)供試驗(yàn)，利用反應(yīng)堆核燃料核裂變釋放的熱量產(chǎn)生熱水，然后在蒸汽發(fā)生器中生成低壓蒸汽，以推動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，最后利用冷凝水的余熱進(jìn)行供熱。熱電聯(lián)供可提高低溫核供熱堆的經(jīng)濟(jì)效益，令核供熱比燃煤鍋爐更有競爭力。一座熱功率200兆瓦的低溫核供熱堆在給建筑面積400萬米²的建筑供熱的同時，還可發(fā)電約1.3萬千瓦，使核供熱堆經(jīng)濟(jì)效益提高20%～30%。

海水淡化低溫核供熱堆熱電聯(lián)供產(chǎn)生的余熱還可用以海水淡化。據(jù)分析，熱功率200兆瓦的低溫核供熱堆每天可生產(chǎn)淡水12萬米²，此外同時產(chǎn)生的1.3萬千瓦左右電量可滿足海水淡化廠本身的用電需要。

制冷1992年6月，核研院與河南省開封通用機(jī)械廠、清華大學(xué)軟件開發(fā)中心合作，利用5兆瓦低溫核供熱堆與吸收式溴化鋰制冷工藝，成功實(shí)現(xiàn)核能空調(diào)制冷運(yùn)行。5兆瓦低溫核供熱堆產(chǎn)生的蒸汽，通過雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)，可產(chǎn)生6℃的冷水，其被連續(xù)送往房間進(jìn)行制冷，最終完成72小時制冷運(yùn)行。制冷技術(shù)的試驗(yàn)成功，使得低溫核供熱堆不僅可用于我國北方城市的供暖，還可用于南方城市的空調(diào)制冷，擴(kuò)大了低溫核供熱堆的應(yīng)用領(lǐng)域，提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

核研院隨后開展了“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目——“200兆瓦核供熱堆工程關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)研究”，項(xiàng)目包括對200兆瓦供熱堆示范工程設(shè)計的驗(yàn)證，供熱堆工程抗震驗(yàn)證試驗(yàn)，控制棒水力驅(qū)動系統(tǒng)綜合性能試驗(yàn)及壽命考核，燃料組件和控制儀表的工程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等。1998年3月27日，項(xiàng)目通過了國家計委組織的專家驗(yàn)收。

從1980年代中期至21世紀(jì)初，核研院為低溫核供熱堆的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行了長期不懈的努力。核研院設(shè)計的殼式低溫核供熱堆示范工程向有關(guān)單位申請立項(xiàng)，并經(jīng)相關(guān)部門批準(zhǔn)，先后決定或計劃在哈爾濱、大慶、吉化、沈陽等地建造。采用低溫核供熱堆在山東進(jìn)行海水淡化的項(xiàng)目，由有關(guān)業(yè)主上報項(xiàng)目建議書，并經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)部門批準(zhǔn)立項(xiàng)。核研院還在國際原子能機(jī)構(gòu)的推動和支持下，嘗試向國外輸出核能海水淡化技術(shù)。但由于種種原因，低溫核供熱堆產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)展并不順利，至今仍未實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)今中國，發(fā)展安全、環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)的低溫核供熱，無論是用于北方冬季供暖，還是用于南方夏季空調(diào)制冷，都不失為明智的可持續(xù)發(fā)展選擇。利用低溫核供熱進(jìn)行海水淡化，對解決中國沿海城市淡水資源短缺、能源緊張和環(huán)境污染問題也具有重要意義?？上驳氖?，核能供暖緩解霧霾已經(jīng)提到國家核能計劃議事日程上了，期待這項(xiàng)高新技術(shù)能早日得以廣泛應(yīng)用，造福人民。

關(guān)鍵詞：自然循環(huán) 低溫核供熱堆 核安全 環(huán)境保護(hù) 資源保護(hù) 一體化 殼式