治霾新思路：池式反应堆核能供热

　　图是一个核反应堆结构示意图，是一种可以输出核能的供热装置。在一个普通厂房的地下室，建有一个大水池，池内充满水，在池水的深处放置反应堆堆芯（红色表示），它把水加热后，送到水池外的换热器，经过两次换热后，就可以加热城市集中供热系统的热网水。这与燃煤热电站或锅炉房冬季采暖功能没有什么区别，但是却不用煤，没有任何燃煤污染排放物。它与核电站反应堆不同，它没有压力，不会泄漏，池内有很多水，有充分可靠的冷却能力，不会发生严重事故，也不会有影响环境的放射性泄漏问题，是一种十分安全的核能利用方式。

　　这种反应堆称为池式反应堆，世界上已经建造了几百座，主要用于实验研究，建造地点一般没有限制，有些就建造在城市或大学校园内，多年运行没有发生过严重事故。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10兆瓦以下，运行时间已经接近50年。世界上最大型的池式反应堆有70兆瓦，建在法国巴黎市郊，从上世纪60年代运行至今，都很安全。

　　关于池式堆还有一个有趣的小故事，早在1955年，第一届国际和平利用原子能会议在瑞士日内瓦召开。当时为转变人们对核能的恐惧心理，美国特意展出一个展品，他们花了5个月的时间，建造了一个供展览用的真实的池式反应堆。由于反应堆运行时，在水下发出闪闪的蓝光，称为契林科夫光，在水面上看下去非常好看，看过的人都说，这是“世界上最漂亮的反应堆”，吸引了成千上万人排队参观。由于有美国总统艾森豪威尔和前苏联领导人的参观和新闻报道，使得池式堆作为安全利用核能的形象为世人所知。

　　池式堆既简单又安全，不用担心核安全，可以放心应用。它的主要功能不是用于发电，而是代替煤炭为城市热网提供低温热能，这还是多年前中国特有的一项专利发明技术。技术特点是将水池加深，以深水静压力提高堆芯出口水温，使管网循环水温达到90/60℃或100/70℃，以满足国内高温差供热采暖基本热负荷的需要。这种被称为深水池供热堆的循环冷却水经过放射性衰减，到达池外泵房时，放射性水平很低，可以采用垫片式板式换热器，这种换热器技术成熟价格低廉，适合大面积使用。反应堆堆芯没有放在密闭的压力壳里，不需要加压力，一个开口的大容积水池有大量的水，既安全又经济，是一个很实用的技术。

　　一座200兆瓦的池式供热堆，可以为500万平方米建筑面积供应采暖基本热负荷。在京津冀地区每年大约可替代燃煤13万吨，每年减少向大气排放二氧化碳18万吨，二氧化硫2800吨，氮氧化物750吨，烟尘520吨，排放的放射性仅为燃煤锅炉的2％左右，具有明显的环境效益。

　　它每年消耗大约0.8吨核燃料，这些核燃料费用，与今天的锅炉燃烧煤炭费用相比，还不到四分之一。减少污染、改善环境的同时，还能降低供热成本，这是在治理污染中很少有的“反常”情况。

　　这项研究已经进展到一定深度，曾经完成北京郊区、辽宁阜新和天津等核供热工程预可行性研究。其中阜新市和天津市曾批准深水池核供热工程立项。但那时该项目没有继续下去的原因是国内的核供热研究只注意到国外的一些技术，忽视了国内可能具有的更合适的技术方案。

　　2000年，在北京曾召开了不同供热堆技术方案的评估论证会议，由国家核工业、核安全、城建和环保等部门专家组成专家组，以赵仁凯院士为专家组长，专家们在向上级领导汇报的文件中，明确给出了对池式供热堆的评估意见： 

　　“池式供热堆方案的主要特点是将堆芯放在一个开口的深埋地下的钢筋混凝土容器内，利用水层的静压力提高出口温度，以满足供热的要求。钢筋混凝土深水池与壳式堆的钢制压力容器相比，其性能可靠，坚固耐久，没有辐照损伤问题，建造容易、建造费用相对较低。

　　深水池的设计、建造以及水池衬里泄漏探测、维护方法等国内已经掌握，国内已有建造三座池式试验堆的经验和核电站换料水池的经验。

　　水池表面为常压，没有密封加压要求，省去了许多压力系统和设备，省去了预防超压，失压的安全措施，系统简化，很多设备可采用已有使用经验的核设备材料和常规设备材料。

　　核燃料组件可采用秦山一期成熟使用的核燃料组件，控制棒及其驱动机构可采用大型生产堆上的成熟技术或池式试验堆上的技术。一回路主泵和板式热交换器、阀门等均可采用国内已有技术和产品。池式堆的设计、设备制造和建造技术都是可以实现的。”

　　“池式堆虽未列入国家科技攻关计划，经过清华大学等科研设计单位的多年努力，已取得了重要科研成果，建议国务院有关部门给予经费支持，完成必须的试验验证工作，以早日具备实施示范工程的条件，发挥池式堆的经济优势（可降低造价）和技术潜力。低温核供热是我国自己开发并享有自主知识产权的高新技术，宜进行示范工程，为我国核能的利用，开拓新途径打下基础。”

　　从以上专家评审意见可以看出，专家们给出全面肯定的评价，对这项创新技术的应用，寄予了很大的期望。

　　我国人口数量和建筑面积快速增长，导致燃煤总量大量增加，其排放的二氧化硫、氮氧化物和细颗粒物，是引发大气严重污染和雾霾天气的重要原因。虽然城市大部分实现了集中供热采暖，但以热电厂和大型燃煤锅炉房为主要热源的污染排放物，在不利的气象条件下，正是构成笼罩市区霾的主要成分之一。由于供热设施规模小而分散，不容易采用有效的脱硫、除尘设备。它的排放靠近城市或就在市区之内，危害的严重性大家共知。全国集中供热的建筑面积已经超过40亿平方米，如果将其中一小部分热负荷改由核能供热，就会显出巨大的效益。例如：5亿平方米的基本热负荷由核供热提供，则需要建造100座200兆瓦供热堆，每年可替代煤炭1700万吨，减排温室气体2400万吨。全国每年平均增加集中供热面积4亿平方米，若其基本热负荷由核供热提供，则每年需要增加200兆瓦供热堆80座。这会在减缓雾霾污染上，开辟一条新的核能利用途径。

　　早在30年前，国内向这一清洁能源方向就开始了攻关研究，曾被列为国家重点科技攻关项目。在研究过程中，国内上至国务院总理和相关部委领导，下至很多城市领导和供热部门工作人员，都曾了解和重视这一研究项目，但始终没能迈出实质性一步。今天大片国土遭受雾霾袭击，环境问题成为人们关注的焦点。习主席最近说：“解决环境问题，要迈出更大步伐”。我们希望在全面环境治理中，由燃煤向核能转变的国内先进供热能源项目受到重视，迈出更大步伐。

　　（作者系清华大学教授）