核能集中供热系统优越性分析

李小斌，张红娜，曲凯阳，李凤臣*

（1.天津大学机械工程学院中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津300350；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京100013）

0 引言

大力推广绿色低碳能源是我国的能源发展战略。目前，我国城市集中供暖系统是燃煤大户，也是空气污染的主要来源之一，因此，在城市集中供热系统中推广应用绿色低碳能源是解决空气污染问题的重要举措。随着核反应堆安全技术的发展，核能作为清洁、高效的新能源，在集中供热方面的应用具有独特的优越性，成熟的核供热反应堆技术应用潜力巨大。

本文从发展核能集中供热系统的必要性、核供热堆的安全性、核能供热的经济性和社会价值以及与其他技术相结合进一步提升核能集中供热系统性能的可能性等方面，综合分析核能集中供热系统的优越性，旨在为核能集中供热技术在我国的推广提供支持。

1 发展核能集中供热系统的必要性

1.1 低效率燃煤锅炉是空气污染的重要源头

据2019 年世界卫生组织（WHO）报告［1］，已知的环境风险每年造成至少1 260 万人死亡，空气污染（包括环境空气污染和家居空气污染）导致约700 万人死亡，居全球健康风险之首。其中环境空气污染导致约420 万人死亡，占空气污染导致死亡总数的60%。

空气污染主要是由燃料和废物燃烧、工业活动及自然粉尘所引起的，产生的污染物包括细颗粒物（如粒径分别小于2.5 μm 及10.0 μm 的PM2.5，PM10）及有害气体（如氮氧化物NOx、二氧化硫SO2等），气象条件不好时会形成严重的雾霾［2］，主要诱发心血管及呼吸系统疾病，至今已经广泛传播并影响了几乎全球所有国家，我国尤其是北方地区连年遭受雾霾的危害。

2019 年中国生态环境部发布了《中国空气质量改善报告（2013—2018 年）》，首次披露了空气污染与健康的关联性。多年的环境监测发现，局地PM2.5质量浓度下降了13%，呼吸系统疾病病例减少了25%。中国生态环境公报指出［3］：2018 年，全国338个地级及以上城市中，217 个城市环境空气质量超标，占64.2%；其中，以PM2.5为首要污染物的天数占重度及以上污染天数的60.0%，以PM10为首要污染物的占37.2%，以O3为首要污染物的占3.6%；PM2.5和PM10年平均质量浓度分别为41.0，78.0 μg/m³。第三方组织（AirVisual）统计的中国年平均PM2.5质量浓度2018年为41.2 μg/m³，2019年为39.1 μg/m³，是WHO 推荐的PM2.5质量浓度的4 倍，位列全球空气污染指数第12 名［4-5］。东亚和东南亚国家是受空气污染影响最为严重的地方，尤以孟加拉国和印度为最。据中国生态环境部统计［3］，2018 年中国一次能源生产总量同比增长5.0%，其中原煤增长4.5%，火电产品增长6.7%。在采取了极为严厉的节能减排措施之后，中国仍然面临严峻的空气污染态势。第三方（Health Effects Institute）研究报告［6］指出，中国工业燃煤、电厂燃煤及居民燃煤的总和成为空气污染的最大源头，贡献了超40%的人均环境PM2.5质量浓度，其余的来源为交通运输、生物质燃烧、非煤工业生产及露天燃烧。相应的，低效率燃煤锅炉，尤其是小型燃煤锅炉便成了空气污染的最主要原因［2，7-8］。

减少空气污染的措施中，节能减排仍是最重要的手段。在节约能源方面，采用高能效解决方案，从化石燃料燃烧向能源生产转型；在削减排放方面，要规范工业生产及化石能源发电中的废气排放。

1.2 发展利用清洁能源的集中供热系统的必要性

国民生产及经济的不断发展，要求更加高效且清洁的能源供应，以求在保证能源正常供给的前提下能更好地保护环境空气质量，减少雾霾的产生。然而，由前述统计数据可以看出，传统的节能减排方式虽然已经取得了明显的空气质量改善效果，但其潜力即将接近极限，且一次能源生产量仍在增长，节能减排压力倍增。2015 年中国在巴黎气候变化大会上承诺，将于2030 年左右使CO2排放达到峰值并争取尽早实现，2030 年单位国内生产总值（GDP）的CO2排放比2005 年下降60%～65%，非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右。在此框架下，构建低碳能源体系、形成节能低碳的产业体系成为积极的能源消费主张，并明确要大力发展清洁能源，安全高效地发展核电［9］。

作为煤炭消耗的重要方式和空气污染的主要来源之一，我国北方各省冬季取暖导致的环境空气污染问题依旧十分严峻。我国北方地区面积约占全国面积的20%，2018 年总人口约6.02 亿，占全国总人口的43%。我国采暖涉及17个省、市、自治区、直辖市，占国土面积的60%以上，采暖人口达7.00亿以上。国家统计局数据显示［10］，2018 年全国城市集中供热面积达87.80 亿m2，同比增加4.71 亿m2，增幅为5.7%，预计2020 年城市集中供热面积可达98.00 亿m2。

我国城市已普遍采用集中供热系统，采暖热源以热电联产和区域锅炉为主，而采暖能源仍以煤炭为主，每年消耗煤炭超过5 亿t。东北地区供暖时间长、供暖单元分散，华北地区工业、人口、城市建筑面积快速增加，部分南方城市也已进入实施集中采暖城市之列，因此，工业及采暖煤炭消耗量剧增。集中采暖是关系到国计民生的大事，而雾霾已成为影响人民生活的罪魁祸首，寻找新型清洁能源代替燃煤采暖迫在眉睫。2013 年，国务院首次印发了《大气污染防治行动计划》（即《大气十条》）［11］，并将实施效能纳入了之后的年度考核。《大气十条》提出，要全面整治燃煤小锅炉，加快淘汰落后产能，培育壮大节能环保产业，同时加快调整能源结构，增加清洁能源供应。

面对城市热网对热源的旺盛需求与国家节能减排严格要求的矛盾，用清洁能源代替燃煤，即可实现热源量的“增”和排放量的“减”，不仅对空气质量改善目标的如期实现具有重大意义，也对发展利用清洁能源、调整能源结构具有重要的促进作用。

1.3 核能是高效清洁能源

核能是一种高效的清洁能源，一座功率为1 000 MW 的核电站每年仅需要30 t 核燃料，运行1年卸出的乏燃料约25 t，经过后处理的废物量减至10 t 左右。而同功率的燃煤电站每年需燃煤约300万t，释 放CO2约700.0 万t、SO2约1.7 万t、NOx约600.0 t［12］。

核能是保证国家安全的重要支柱之一，已成为替代一次能源的重要选项。经过三四十年的发展，核能发电在技术成熟性、可持续性及经济性方面具有明显的优势，且固有安全性已得到极大保障。据国家统计局数据［13］：2018 年中国核电产品产量（核能发电量）为2 943.6 亿kW·h，比2017 年增加了18.7%；2019 年核能发电量为3 483.5 亿kW·h，比2018年增加了18.3%，且2019年当年月平均累计增长均大于20.0%。

我国能源发展“十三五”规划中明确指出［14］：要安全高效发展核电，建设一批先进三代压水堆核电项目，并适时启动智能小型堆、商业快堆、600 MW级高温气冷堆等自主创新示范项目，推进核能综合利用；力争在2020 年年底运行核电装机容量达到58 GW，在建核电装机容量达到30 GW 以上。除了高效发电，制氢、海水淡化、供热供冷及化工工艺利用等都属于核能综合利用的范畴［15-16］，如图1 所示。在“十四五”期间（2021—2025 年），建成“清洁低碳、安全高效”的能源体系将成为长期目标，安全高效发展核电依然是重要内容。

图1 核能综合利用示意Fig.1 Flow of nuclear energy comprehensive utilization

能源技术革命的实质是能源转换革命，其目标是对能源的有效驾驭和高效转换。针对“清洁”这个命题，核能利用产生的颗粒物排放低于任何化石燃料，甚至低于风能，极大地减小了对雾霾天气成因的贡献。而在CO2排放方面，核能发电期间并不产生温室气体，核反应堆建造过程中的温室气体排放也远低于化石燃料，其排放水平与可再生能源相当（如图2 所示）。以加拿大安大略省为例，2000 年核能利用占能源结构的37%，2003 年开始持续投资反应堆建设，2007 年启动燃煤电站退出机制，2014年全部关停燃煤电站（使得安大略省成为北美首个全部停止燃煤能源的行政单位），此时核能占其能源结构的62%。能源结构升级之后，安大略省空气质量从2004年开始稳步提升，每年的空气质量优质天数占比超过90%［17］。

图2 不同能源的碳排放量Fig.2 Carbon emissions from different energy sources

1.4 国内外典型实例分析

国内外已经针对利用核能供热的可行性、安全性、经济性、堆型选择、环境影响、公众接受程度及选址等进行了大量的理论验证、设计和实践检验［15，18-26］。早在1954 年，苏联于奥布宁斯克启用热功率为10 MW 的实验供热堆型AST-500，并发展了核能供热技术［27-28］。我国也于1989 年开发了热功率为5 MW 的供热堆型NHR-5［29］，该堆型由清华大学核能与新能源技术研究院（原名核能技术设计研究院）开发，连续安全运行100 d 并顺利完成了首次冬季供暖任务。自1971年开始，商用的核能供热及发电/供热便在俄罗斯（苏联）、保加利亚、匈牙利、罗马尼亚、斯洛伐克、瑞士、捷克、加拿大、法国及丹麦等国家建造并运行，到2007 年，这些核供热堆已成功安全运行超过500 堆年，供热安全性得到了充分证明。

保加利亚Kozloduy 核电站自1990 年开始向电站所在地区进行集中供热，供热温度为70～150 ℃。该电站采用了4 台电功率为408 MW 的WWER-440反应堆和2 台电功率为953 MW 的WWER-1000 反应堆（热功率为20 MW）［28］。后来，保加利亚为了加入欧盟陆续关停了4 台较小的机组，2007 年又决定开始新建核电站。在上述机组发电及供热期间，集中供热一直运行良好。

罗马尼亚Cernavoda 核电站使用了加拿大的CANDU6 重水反应堆，#1 机组于1996 年12 月发电，#2 机组于2007 年9 月发电［28］。单台机组电功率为700 MW，热功率为19 MW，#1 机组上线后即向所在地进行集中供热，供热温度为70～150 ℃。

瑞士Beznau 核电站使用2 台电功率为360 MW的压水堆，单台热功率达到了80 MW，供热温度为70～130 ℃［28］，自1983年开始持续稳定地向所在地供热。该集中供热系统向2 100 家居民、工业及农业用户供热，供热主管道达35 km，局域分布式管道达85 km。

俄罗斯（苏联）具有丰富的核能集中供热经验，主要通过核能热电联产方式进行供热［28］，Balakovo电站单台机组供热能力达到200 MW。供热时，从蒸汽轮机泄放阀向换热器导入热蒸汽，从而加热水，达到向管网供热的目的。

值得指出的是，2017 年11 月，中国原子能科学研究院的泳池式低温供热堆项目发布并实现安全供热168 h［30］。该项目只有供热目的，在进行供热演示验证的基础上，该堆型供热能力达到400 MW，成为目前全球在研最大的供热核反应堆。

2019年11月，山东海阳核能供热项目首次正式商用，采用2台AP1000机组抽汽供热方式为70 万m2住宅供热［31］。据估计，随着后续机组的建成投运，最终可达到超过2 亿m2的供热能力，供热半径达100 km，每年可节约标准煤约662 万t。预计在2030年前，国家电力投资集团有限公司将依托海阳核电及新核电基地，同时联合其他清洁能源，替代胶东半岛所有燃煤锅炉供热，一举打造供热“零碳”地区、北方地区清洁供热样板。

可以看出，不管是核能热电联产还是单独核能低温供热，目前已经具有相当成熟的技术储备和广大的市场需求，因此，我国核能供热的潜力巨大。

1.5 我国发展核能集中供热系统的时机已成熟

有统计显示［27］，世界上的能源通过各个工业分支及家庭主要以热能的形式被消耗，主要工业化国家能源70%以热能形式消耗，而30%以电能形式消耗。目前该比例应该有所改变，但可以预见绝大多数能源消耗还是以热能形式为主。

热能消耗有2 个温度层次，低温热能包括用于集中供热、海水淡化及其他目的的热水及低品位蒸汽，而高温的过程热包括用于工业的过程蒸汽或化石燃料转化及制氢等行业的高温热能。使用水冷的核反应堆可提供约300 ℃的热水或蒸汽，不管作为热电联产应用还是单独进行低温供热，在技术上已经证实可行。

根据国家统计局数据［10］：2018 年全国集中供热系统的热水供热总量达到3 236.65 PJ，蒸汽供热总量为577.31 PJ，相比2013 年分别增长了21.5%和8.4%；2016年的主蒸汽管道长度达12 180 km，主热水管道长度为201 389 km，相比2015 年分别增长了4.2%和4.5%。可见，不管是热能需求总量还是输热管道，均处于高速发展的状态。

除了核能自身的高效和清洁特性，能量利用效率的提升也是核能供热的一个内在推动因素。据国际原子能机构（IAEA）统计，典型的核电站热电转换效率为33%，这意味着该过程中大约2/3 的能量加热空气或被冷却水带走。如果将废热进行综合利用，总的利用效率可达80%，同时将大幅度减小单位产能所带来的废弃物。另外，若单独进行低温核能供热建设，小堆或中小堆型因其加强的固有安全性、更小的投资而更具吸引力，更容易被用户接受（不同的核能供热堆型及其安全性与经济性将在下文进行分析）［32］。

一般来讲，热水形式的核能可以被输送到150 km以外，且成本上仍然具有竞争性。低温核供热堆的热水供应管道有2～3 层的有效隔离，且容易和已有供热管道接驳，供热输送端的技术已经成熟。

与传统热源相比，核能供热不但显著减少了污染排放，还将有效改善我国能源结构，缓解日趋紧张的能源供应局面。另外，由于反应堆设计的固有安全性，可真正做到“零堆熔、零排放、易退役”；同时，反应堆寿命一般可达40～60 年，是燃煤锅炉的2～4倍。综上，推进核能集中供热的时机已经来临。

2 几种典型核供热堆型的安全性分析

我国核电厂基本分布在沿海地区，距离需要集中供热的大部分北方地区距离太远，无法全面实现核电厂的热电联供，因此，本文只选取主要以供热为目的的堆型进行分析。

主要用于城市集中供热的核反应堆堆型可分为池式堆和壳式堆2 大类。 中国核工业集团有限公司（以下简称中核集团）下属中国原子能科学研究院（以下简称原子能院）的“燕龙”池式核供热堆示范系统，是在49-2游泳池式工程材料实验堆的基础上进行系统改造而成的。清华大学核能与新能源技术研究院（以下简称清华核研院）自主研发的低温供热堆系列NHR-5，NHR-200，NHR-200 II 属于壳式一体化核供热堆堆型。适用于城市集中供热的模块化小堆技术，如中核集团研制设计的ACP100 型小堆、国家核电技术公司上海核工程研究设计院研制设计的CAP150 型小堆等，也都属于壳式堆型。下面分别对清华核研院的低温供热堆、原子能院的“燕龙”池式核供热堆、中核集团的ACP100 型小堆（从堆热功率水平来看，清华核研院的低温供热堆系列也应属于小堆范畴，但按照习惯称呼分别描述）这几种典型核供热堆系统的安全性做简要分析。

2.1 清华核研院低温核供热堆

清华核研院自主研发的低温核供热堆源起NHR-5 型5 MW 低温核供热示范堆，至今已先后发展了NHR-5，NHR-10，NHR-200，NHR-200 II 型一体化核供热堆堆型，其中NHR-200 II型堆的设计运行参数有了大幅度提升，除可对热用户供热外，还可满足工业蒸汽用户的高参数要求，同时也能满足应用低温供热堆进行海水淡化、汽水联供等技术的要求，有效提高了核供热堆的利用率、经济性和社会价值。

用于集中供热时，低温核供热堆系统及回路系统如图3所示。在压力容器内，由自然循环驱动，形成开式的一回路冷却剂循环系统。堆芯产生的核释热经由安装在压力容器内的主换热器传给二回路循环水。二回路（中间回路）接收到的热量，再通过二-三回路换热器传给三回路循环水，直接供给热用户。二回路的工作压力高于一回路，可保证在主换热器传热管破裂事故发生时，放射性不会进入中间回路，更不会传递到三回路和热用户［33］。除了有二回路作为隔离回路，在有放射性的一回路和热用户之间进行间接热量传递和屏蔽放射性，上述几种NHR系列型号低温核供热堆的设计中，还有一系列安全方面的技术特点和防止严重事故发生的保障措施。

图3 低温核供热堆系统及回路系统Fig.3 Low-temperature nuclear heating reactor system and its loop system

（1）负温度反应性系数。堆芯设计具有较大的负反应性系数，采用不含硼溶液的堆芯冷却剂。这样的堆芯设计可保证在全寿期内都具有负的慢化剂温度反应性系数，确保反应堆系统具有自动停堆和自稳定能力，同时省去了化学和容积控制系统等辅助系统，使低温供热堆系统整体简化，利于安全运行［29，34］。

（2）一体化自稳压设计。堆芯及包括主换热器（一-二回路热交换器）在内的一回路系统全部布置在反应堆压力容器内。堆芯布置于压力容器底部中心位置，主换热器位于上升通道与压力容器内壁之间的环形空间内。一回路系统全部布置在压力容器内的一体化布置方式取消了冷却剂的连接管路和阀门，只在压力容器上部布置了小口径的工艺管，大大降低了发生管路破口失水事故的概率［34-35］。压力容器的上封头内留有空间并充入氮气N2，运行时堆芯内产生的水蒸气和充入的N2共同起到稳压作用，构成一回路运行压力［33，36］。

（3）自然循环冷却。清华核研院的低温核供热堆系列堆型设计中，一回路冷却剂均采用全功率自然循环的运行方式，取消了核主泵这一受制于外电源的强迫循环驱动设备。如图3 所示，依靠主换热器（压力容器内冷却剂循环系统中的“冷源”）与堆芯（热源）之间的高度差（以及冷、热源处的冷却剂密度差）产生自然循环驱动力，可建立起足够大的冷却剂循环流量，足以带走满功率运行时的堆芯发热量［29，33，35］。

低温供热堆的余热排出系统也是依靠自然循环驱动原理带走堆芯衰变热。在正常和事故工况下反应堆停堆后，余热排出系统启动（二回路隔离阀关闭、余热排出系统隔离阀开启）投入使用。该系统的换热器为空冷器（冷源），与压力容器内主换热器（热源）之间的高度差（以及冷热源处冷却剂密度差）产生自然循环驱动力，二回路内工质通过自然循环把堆芯余热传给主换热器的热量带至空冷器热侧。空冷器内的空气被加热，在空冷器内建立起自然循环，把热量排给作为最终热阱的大气。由上述过程可知，低温供热堆的堆芯余热排出经历了3 个自然循环：一回路自然循环、主换热器至空冷器自然循环、空冷器至大气热阱自然循环，全部过程均无需外加动力，另外，系统采用两路互为冗余的设计，保证了堆芯余热排出的可靠性［33］。

（4）双层承压壳结构。如图3所示，除反应堆压力容器之外，安全壳也由承压金属材料制成，并且压力容器下半部分内外壳之间的空隙很小，这样的设计能保证即使压力容器发生泄漏，因压力容器下半部分与安全壳间的容积很小，从压力容器泄漏出的冷却剂量也不至于会导致堆芯裸露。外层的金属安全壳能够承受全部一回路压力，可阻止冷却剂继续外泄［26，33］。

（5）运行参数低、热惯性大。相比于目前核电厂轻水反应堆的运行参数（如大亚湾核电厂三环路压水堆一回路运行压力为15.5 MPa，堆芯进/出口温度为292.4/327.6 ℃），清华核研院的低温核供热堆一回路设计运行参数要低得多，如NHR-5 和NHR-200 型反应堆的一回路运行压力分别为1.5 MPa 和2.5 MPa，堆芯进/出口温度分别为146/186 ℃和140/210 ℃，而满足工业供汽要求、用途大为拓展的NHR-200 II 型反应堆的一回路压力为8.0 MPa，堆芯进/出口温度为230.0/278.0 ℃［33］。另外，由于低温供热堆采用一体化设计、自然循环冷却方式，反应堆压力容器的容积必须足够大，使得压力容器内冷却剂量与堆芯功率比大幅提高，冷却剂的热惯性也大幅提高，有足够缓解破口失水事故的安全裕度［29，33-34］。

（6）可靠的停堆系统。从NHR-5 型反应堆开始，清华核研院低温核供热堆控制棒采用水力驱动系统来控制，水力传动的工作介质即为堆芯冷却剂，由该系统的循环泵从堆内汲取。水力驱动的工作原理是动压传动，即只有工作介质的流动才能产生压差，继而产生推动力，维持或移动控制棒在反应堆内的轴向位置。水力驱动从机理上可避免多根控制棒同时提升和连续提棒的可能性，由于控制棒驱动系统的部件位于压力容器内部，也消除了控制棒的弹棒事故；另外，因其动压传动的机理，在失去水力驱动系统循环泵外电源的事故工况下，控制棒自然会由重力驱动落入堆芯。针对该水力驱动系统，清华核研院已有多年的研发经验，有较高的控制精度和可靠性。因低温核供热堆正常工况下采用不含硼溶液的堆芯冷却剂，控制棒的作用显得尤为重要，所以拥有高控制精度、高可靠性的水力驱动系统也提高了低温供热堆实现安全停堆的可靠性［29，33-35］。除控制棒停堆系统之外，低温供热堆还有第2 停堆系统的注硼系统，而且注硼系统的注硼罐位置高于压力容器，硼的注入也是基于重力压头注入的非能动原理［33］。

综上所述，清华核研院的低温核供热堆的系列堆型采用了在自然规律下即可实现的非能动安全功能设计，确保了低温核供热堆高度安全可靠运行。

2.2 原子能院“燕龙”游泳池式低温供热堆

游泳池式低温核供热堆示范系统如图4 所示。反应堆堆芯一直埋置于冷却剂水池中，对于49-2游泳池堆，水池深度为7.15～7.25 m［37］，水面与大气相通。“燕龙”游泳池式低温供热堆示范系统的运行参数较低，因游泳池水面与大气相通，堆芯所在处的压力即为水深处的静压力，一回路冷却剂进出口温度为58.3/59.0 ℃、二回路（隔离回路）水进出口温度为54.6/56.0 ℃、三回路（用户管网）水进出口温度为47.2/53.0 ℃［38］。若要提高供热管网内热水温度，则需要提高游泳池堆的运行参数，此时可简单地通过增加水深提高水层静压力来实现［39］，例如可将堆芯出口温度提高到100 ℃左右，供热管网供水温度达到90 ℃以上。

由图4 中一回路冷却剂流动方向可见，正常运行条件下，游泳池式低温供热堆冷却剂自上而下流过堆芯，被加热的冷却剂由泵从堆芯下面抽出送至一-二回路热交换器，把热量传给二回路水，冷却下来的一回路冷却剂流回游泳池内堆芯上方，再继续自上而下流过堆芯，完成一回路冷却剂循环。

图4 游泳池式低温核供热堆系统示意Fig.4 Schematic of swimming pool type low-temperature nuclear heating reactor system and its loop systems

针对游泳池式低温供热堆，可归纳以下几点安全特性及放射性释放的预防措施，确保该型反应堆系统的安全运行。

（1）堆芯始终处于淹没状态。游泳池堆系统结构简单且具有可靠的固有安全性。反应堆堆芯安装在冷却水池底部位置，水池埋置于地下，水池液位基本与当地地平面持平，因此堆芯始终被冷却水淹没。另外，一回路冷却水经由一-二回路换热器的出口管路段和入口管路段与水池相通的一端相对位置均较低（在水池底部的堆芯位置附近），而管道穿过水池壁的位置较高（如原子能院“燕龙”游泳池式低温供热堆设置在6.9 m 位置［37］），当发生一回路冷却剂管道破裂事故时，这样的设计可限制水池内的失水量，使得水池内的冷却水液面仍保持在管道穿过水池壁的高度处，保证堆芯处于淹没状态。

（2）负温度反应性系数。49-2 堆的游泳池式反应堆堆芯设计具有负温度反馈效应，即使在反应堆满功率运行工况下发生全场断电事故时，假想控制棒和安全棒均不能插入堆芯，主冷却剂循环泵失去电源而强迫循环中止，应急冷却泵无法启动的极端条件下，堆芯燃料和冷却剂温度上升引入的负反应性可使反应堆进入次临界状态而自动停堆［37］。

（3）自然循环冷却。正常运行时，在主冷却剂泵驱动的强制循环条件下，游泳池式低温供热堆冷却剂自上而下流过堆芯，在主泵停转的事故工况下，处于池底位置的堆芯产生的热量不断加热该处池水，使得水池上下部水密度发生变化（堆芯处高温水密度降低），产生自然循环驱动压头；当自然循环驱动压头大到足以克服冷却剂流过堆芯的阻力时，水开始向上流动，整个水池内自然循环得以建立，水池底部堆芯产生的余热会不断地传递到水池上部和水表面，并最终传递给大气热阱而排出［37］。这一非能动的堆芯余热自然循环冷却方式具有高度的可靠性。

（4）应急补水保障。在发生水池失水事故时，“燕龙”游泳池式低温供热堆设计了多种方式向游泳池补水，主要包括：补水箱补水（失电时手动阀开启）、二次水补水（失电时无效）、堆顶大厅消防水龙头补水、反应堆厂房内/外消防栓补水、消防水车补水、辅助柴油发电机及水带补水［39］。

（5）多道屏障隔离放射性释放。如图4 所示，“燕龙“游泳池式低温供热堆建在地下，反应堆的地面上方建有密封的厂房，形成了燃料元件包壳、冷却剂水池、反应堆系统地下深埋结构、反应堆密封厂房共4道屏障，可有效隔离堆芯的放射性，确保堆芯放射性不会向环境释放［40］。

2.3 ACP100小堆

小堆的用途灵活多样，其应用目标之一是集中供热。下面以ACP100 小堆为例，介绍小堆设计独有的安全特性。ACP100 小堆电功率为100 MW，是由中国核工业集团公司开发的集成式压水堆，基于现有的非能动安全系统的压水堆技术，在运行瞬态和假定的设计基准事故中，通过自然循环来冷却堆芯，冷却剂系统集成设计使其可在压力容器（RPV）内安装一回路主要部件。

ACP100 的设计具有固有和非能动的安全功能，消除了大口径的主冷却剂管道，从根本上消除了传统的主管道破裂导致的大破口失水事故发生的可能性。 非能动安全系统主要由非能动堆芯衰变热排出系统、非能动安全注入系统、非能动安全壳排热系统和反应堆减压系统组成［41］，如图5所示［42］。

图5 模块化小堆ACP100整体示意Fig.5 Overall schematic of an ACP100 small modular reactor

（1）专设安全设施。ACP100 的设计具有多项非能动安全功能和严重事故缓解功能。反应堆建筑物和乏燃料池建在地下（如图6 所示），可更好地预防外部事件的影响并降低放射性向外释放的可能性［42］。当乏燃料池中充满10年的乏燃料时，在发生事故的情况下，乏燃料池水因沸腾而蒸发，使乏燃料裸露之前，冷却系统能够应对7 d。严重事故预防和缓解措施通过以下方式实现：非能动反应堆腔体溢流防止压力容器融化，非能动氢气复合系统防止安全壳内氢气爆炸以保持严重事故情况下安全壳的完整性，自动泄压系统和压力容器废气排除系统可去除事故后不凝性气体在压力容器上封头内的聚集。

图6 ACP100小型堆设施建在地下Fig.6 Underground facilities for the ACP100 small reactor

（2）非能动堆芯衰变热排出系统（PDHRS）。PDHRS 可以防止堆芯在设计基准事故（DBA）以及超设计基准事故（BDBA）的情况下熔融，例如全场断电、主给水完全丧失、小破口失水事故（即防止BDBA 向严重事故转变）。 ACP100 的PDHRS 由一台应急冷却器和相关的阀门、管道和仪表组成。应急冷却器位于安全壳冷却水储水箱中，该储水箱为应急冷却器提供了热阱。PDHRS 热交换器安装在装有冷却液的安全壳内的储水箱中，堆芯衰变热通过自然循环或主冷却剂泵的强制循环排出。PDHRS 可提供3 d 的冷却而无需操作员干预，或者从冷却池以重力方式供水来提供14 d的冷却。

（3）非能动堆芯冷却系统。ACP100 小堆的非能动堆芯冷却系统包括2 个冷却剂储箱、2 个注入箱、1 个安全壳内储水箱和相关的注入管线。ACP100 具有与安全相关的直流电源，最多可支持72 h的事故缓解，并具有辅助电源单元，可为电池系统充电长达7 d。在事故情况下，以自然循环的方式，通过安全壳和最终热阱之间的气体和蒸汽对流来排出热量，从而确保安全壳的完整性。

（4）内置换料水箱（IRWST）。内置换料水箱是一个非能动水箱，位于内部结构基础板上。在换料期间，换料水箱为换料腔、内部构件储藏室和换料输送管供水以完成换料操作。在失水事故和蒸汽管破裂的情况下，换料水箱为应急堆芯冷却供水。在严重事故情况下，换料水箱内的水在重力作用下会在平衡水位下淹没内部构件。在自动降压系统（ADS）的运行过程中，换料水箱吸收ADS 喷射的蒸汽。在PDHRS 冷却器运行期间，换料水箱充当PDHRS的热阱。

（5）反应堆蓄水池。反应堆蓄水池在换料操作或堆内检查时使用，包括用隔板隔开的2部分：反应器堆隔舱和与其相邻的内部构件存储池。

（6）安全壳系统。ACP100 安全壳内装有反应堆冷却剂系统、非能动安全系统和辅助系统，采用钢板包裹的小型混凝土安全壳和非能动安全壳排热系统。非能动安全壳排热系统由2个安全壳冷凝器、储水箱和相关的阀门、管道和仪表组成。

核安全始终是ACP100 型小堆设计中考虑的第一要务，该堆型可安全运行并提供清洁能源。核安全的最终目标是建立和维持有效的防御措施，以有效保护人员、社区和环境免受放射性灾害的影响。ACP100 的设计和操作可确保辐射剂量不超过限值，并保持在可达到的最低水平。就所有考虑的事故序列而言，事故预防措施可确保放射性后果均低于剂量限值，即使在不太可能的严重事故中，也可通过实施应急计划来确保减轻事故造成的影响。ACP100 的设计融合了最新设计的运营经验，尽可能合理地采用成熟的技术和设备。

3 核能集中供热系统的经济性和社会价值

我国有60%以上地区（涉及50%以上的人口）需要冬季供热，集中供热热源主要来自大型燃煤电厂的热电联供或小型燃煤供热锅炉，每年的煤耗量约为5 亿t，煤炭燃烧所产生的有害物质排放量巨大，是环境空气污染严重和雾霾天气的主要成因之一。作为清洁能源之一，核能供热技术已解决了安全性问题，经济性良好且社会价值巨大，未来可成为重要的供热资源。

以池式核供热堆为例，与其他能源供热方式进行对比，分析核能供热的经济性优势。表1 给出了不同供热方式的燃料消耗和成本、服役年限及热价［43］。与传统化石能源供热相比，核能供热建设初始投资远高于同规模燃煤和燃气锅炉，远低于同规模地热井供热。例如，深水池式低温供热堆初始投资是同规模燃煤锅炉的2～3倍。与传统化石能源供热相比，核能供热的运行成本远远低于燃煤和燃气锅炉，仅考虑燃料成本，核能供热的运行成本仅为燃煤锅炉的1/3，是燃气锅炉的近1/9。以400 MW热源为例，采用核能供热所能带来的环保效益见表2［44］。采用核能供热时，运行中不产生二氧化碳等温室气体和硫化物、氮氧化物、烟尘等大气污染物，将大大削减废气的处置费用，进一步降低核能供热的成本，每年可节省成本至少3 000 万元。另外，核能供热的使用寿命明显优于燃煤锅，炉核燃气锅炉寿命可达40～60 年，是燃煤锅炉的2～4 倍［25］，是燃气锅炉的2倍以上。因此，综合考虑供热的建设成本、运行成本及服役年限，核能供热堆的经济性明显优于燃气供暖和地热供暖，与燃煤锅炉相当。

核能供热的社会价值除了表现在有害物质排放量锐减，还表现在可实现分布式能源的便利性、用能的灵活性等。例如：清华核研院的NHR-200II型核供热堆的设计参数可满足工业蒸汽用户的要求；结合溴化锂吸收式制冷技术，核能供热系统在夏天同样可以提供制冷系统的热源，实现核能制冷［45］；在冬季需要供热、海水资源丰富但缺乏淡水的地区（如天津、青岛等地），合理设计的核供热反应堆系统可同时提供满足参数要求的蒸汽，用于多效蒸馏法的海水淡化，在进行核能供热的同时，获得淡水资源。

表1 不同供热方式的燃料消耗、成本、服役年限及热价Tab.1 Construction cost，operating cost and service life of different heating methods

表2 采用不同的400 MW热源供热时大气污染物排放量Tab.2 Air pollutant emissions from heat supply with different 400 MW heating resources

4 核能集中供热系统运行性能提升可能性分析

与分布式供热相比，城市集中供热具有供热质量高、空气污染小、自动化程度高及对周边居民干扰小等优势，已成为解决城市供热造成的污染问题的重要手段。城市集中供热系统运行模式主要有直供和间供2 种模式，直供模式中热媒由热源经过热网后直接输往热用户，间供模式下热媒首先由热源经一次热网进入热力站，随后在热力站与二次热网的热媒进行热交换，二次热媒经二次热网输往热用户［46-47］。低温核能供热一般采用间供模式，与传统集中供热方式不同，核供热堆首先通过长距离热力管线将热媒输往城市热力站，在此与二次热网的热媒进行热交换，二次热网的热媒输往热用户。目前，我国核能供热技术还受远距离输热技术的限制，城市集中供热系统也还有很大的优化空间。因此，低温核供热堆、长距离热力管线及城市集中热力管网组成的新管网系统，除了低温核反应堆自身性能的优化和提升，还可将低温核供热技术与其他集中供热性能提升技术结合，进一步提升低温核供热技术的性能，降低建造和运行成本，提升供热质量。本节主要从节能减阻技术和集中供热系统性能提升技术等方面探讨核能集中供热性能进一步提升的可能性。

4.1 与添加剂湍流减阻技术相结合

在液体的管道湍流中添加少量的高分子聚合物或某种界面活性剂会使湍流阻力大大降低，实验室中的直管道理想条件下，水的湍流摩擦阻力最多可降低90%［48-49］，即推动相同流量的水流动只需要原来泵功率的10%。在实际应用系统中，减阻率仍可达50%左右。这一减阻效应无疑拥有很大的应用潜力，可用于降低液体循环系统的驱动泵功率，达到节能目的。建筑物集中供热系统是一个典型的液体循环系统，是湍流减阻效应理想的应用场合。

随着湍流减阻流动与换热机理方面基础研究的进展，世界范围内对该湍流减阻效应在实际集中供热/供冷系统中应用的研究也逐步展开。目前，美国、丹麦、德国、瑞典、捷克以及日本等国家已经有了在区域集中供热或供冷系统中添加界面活性剂减小系统流动阻力以达到节能效果的成功试验案例［50-51］。我国在集中供热/供冷系统中应用黏弹性流体方面仅开展了少数研究和试验工作，本文作者所在的研究小组率先在实际集中供暖系统中展开了湍流减阻流动与传热的试验研究［52］，取得了明显的减阻效果。我国北方已有的集中供热系统覆盖面辽阔，如能实现上述节能流体流动，必将产生巨大的经济效益，在满足原有使用面积的前提下大大降低系统内流体的驱动力。

核供热堆一般建设在距离市区几十km 的远郊，热能通过热力管线向市区集中供热系统输运，在供热三回路系统，温度最高约为130 ℃［53］，流动阻力损失和热能损失严重。添加剂在带来湍流减阻效果的同时，通常也会导致传热性能下降，这在长距离输热过程中是期望发生的事情。另外，供热系统存在大量的换热器，这就需要不仅流动阻力能够降下来，同时还不能削弱换热性能。研究发现，在高剪切率的换热器系统中，表面活性剂减阻剂分子结构可以被破坏，而通过换热器后，减阻剂性能又自行恢复，这就带来了既能减阻又不影响换热性能的整体效果［54］。图7 为典型的流动减阻及换热装置。

图7 减阻流动及换热典型结构布置示意Fig.7 Schematic of a typical structure for drag reducing flow and heat exchange

减阻剂都有其适用的温度范围，超出该温度范围，减阻剂将失去减阻功能。有研究指出，在管径为15.24 mm 的圆管中，阳离子表面活性剂C22TAC（ETAC）在80，90，107 ℃时的减阻效果依然很明显；同时，减阻剂的烷基链越长，有效减阻的温度上限值越高［55-56］。由此可见，在实际减阻系统中，总会有一种减阻剂可以覆盖不同的温度段，达到集中供热系统减阻的目的。

到2016年年底，我国集中供热系统的主热水管道长度已经超过20 万km，这将是一个巨大的减阻技术应用市场，也必将为节能减排的顺利实现打下坚实的基础。

4.2 基于深度学习技术的系统优化

前文探讨了低温核供热技术与减阻保温技术及强化传热技术相结合，通过降低长距离管线输运阻力和热量损失来提升低温核供热整体性能，降低运行成本。热媒通过长距离管线输运至城市供热站后，供热管网的设计与优化是进一步提升核供热性能的不可或缺环节［57］。供热管网的管径、管线布置、敷设方式和管段压差等的合理设计对整个集中供热系统的性能有着非常重要的影响。引入低温核供热技术后，可在城市现有供热管网的基础上进行优化，以进一步提升城市集中供热性能。本节结合目前城市集中供热管网的优化设计，探讨低温核供热系统运行性能提升的可能性。

城市集中供热管网设计整体上应遵循全局性、科学合理性和前瞻性3 个原则［58］：全局性原则指全面考虑方案的可行性，确保系统运行时整个城市区域的供热需求能得到满足；科学合理性原则是指设计相关方案时应从科学分配系统的角度出发，考虑系统运行过程中的每个环节，充分分析相关的数据以得到合理方案；前瞻性则主要指设计相关方案时应从长远角度出发，尤其要参考其所在城市的未来发展规划，进行前瞻性的部署和规划，不能只满足眼前的需要。城市集中供热管网的优化设计策略主要包括以下2个方面［59-62］。

（1）供热管路管径、长度及管线布设等的优化设计。将城市供暖需求作为管网优化设计的根本前提，考虑集中供热管网的特点以及实际功能，采用区块的结合方式进行管径、管长及布设的优化，减小管线的供热半径，降低供热管网中存在的阻力和热能损失，达到平衡热负荷并控制供热管网成本的目的，确保集中供热管网的稳定性、规模化和集中化。

（2）优化管网运行及调节方式。城市集中供热管网的运行和调节会存在资源浪费及用户需求无法满足的现象，需要结合先进的系统控制和热工调节技术对集中供热管网运行及调节方式进行优化。例如，水力失调是城市集中供热系统运行需要面对的一个重要问题，由于系统调节失效，使得用户室内温度难以达到预期值。为解决该问题，需加强集中供热系统运行中相关参数的监控及仪表检测，可引入全网动态平衡策略进行供热管网热力和水力的优化和调节。

当城市集中供热引入核供热技术时，需要根据核供热的实际特点进行城市供热管网的设计与优化；另外，热媒通过一次热网、二次热网甚至三次热网进行热交换，热网供热工况参数的调节与机组运行工况的匹配调节将成为当前核供热技术发展需要思考和解决的问题。随着大数据技术及高性能计算机的发展，以大数据为背景的机器学习技术也将在集中供热系统的优化设计及运行调节中发挥独特的优势［63-64］。

深度学习是使用深层架构的机器学习方法，在复杂的非线性关系描述方面具有巨大的优势，近些年来已取得显著成就，广泛应用于众多领域。机器学习是指从有限的观测数据中学习（或猜测）一般性规律，并将这些规律应用到未观测样本上的方法。常用的机器学习方法包括决策树、支持向量机、主成分分析、神经网络、贝叶斯分类器、随机森林等。深度学习采用的模型一般比较复杂，从样本的原始输入到输出目标之间的数据流经过多个线性或非线性的组件。目前常用的模型是人工神经网络，简称神经网络，可以看作是信息从输入到输出的信息处理系统。随着更快的中央处理器（CPU）及通用图形处理器（GPU）的出现、更快的网络以及分布式计算软件的普及，深度学习模型规模和精度不断增加。借助城市集中供热管网系统长期运行积累的大量数据及管网系统运行的水力和热力动态平衡关系，构造供热管网系统的机器学习或深度学习模型，一方面获得可反映管网布置参数及调节参数与管网运行中各节点供热效果之间的深度学习模型，用于指导集中供热管网系统的实际运行调节；另一方面，也可将集中供热管网的优化工况作为目标函数，建立相应的深度学习模型，用于指导集中供热管网的优化设计和运行。

借助前期积累的城市供热大数据，在确保核供热堆安全及供热质量的情况下，深度学习技术有望为寻找到一种合理的核供热管网调节方式，达到安全、经济供热的目标提供重要的技术支持。

4.3 与多热源联合供热技术结合

随着城市供热规模的扩大和供热质量的提高，多热源联合供热系统是我国未来集中供热系统的主要发展方向。多热源联合供热是指多个热源同时存在于一个供热系统，联合运行又互不隔断的供热形式，即集中供热系统由单一热源枝状网向多热源环状网转变。研究表明，多热源联合供热在节约能源，提高系统供热质量和运行安全性、可靠性、灵活性，降低运行成本等方面具有独特优势［65-66］。多热源联合供热在北欧已被广泛采用，在我国还处于起步阶段，只有部分城市开始采用。与单热源供热系统相比，多热源集中供热系统的水力和热力工况更加复杂，运行调节时热源负荷分配和调度更为复杂，因此，多热源集中供热系统热源负荷分配和调度的优化是未来研究的重点［66-68］。此外，之前的集中供热系统热源优化调度大多考虑单一目标函数，未来多热源集中供热系统热源调度优化要同时兼顾经济性、环保性和节能性等［68］。采用低温核供热技术为一座城市进行供热时，也可结合多热源联合供热技术提升该城市核供热系统的可靠性和稳定性，但在此之前需根据低温核供热的实际情况进行供热系统热源调度等方面的优化。

4.4 与相变储热技术结合

相变储热技术是在全球性减排环保及国内雾霾治理的背景下快速发展起来一种新型技术，在太阳能发电、风能发电、工业余热回收利用、分布式能源系统等领域具有广泛应用［69］。该技术利用相变材料在相变过程中吸收和释放热量来进行热量的存储和释放，具有供热方式灵活的优势，在供热削峰填谷方面具有不可替代的作用。目前，相变储热供热技术发展迅速，学者们已开发出多种适用于不同条件的稳定性高、储热密度大及热稳定性良好的相变储热材料，如混合熔融盐、相变蓄热砖、有机复合醇等。与传统的相变储热材料相比，有机复合醇和混合熔融盐等低温相变储热材料在民用供热领域具有较大的应用前景，也是未来相变储热供热技术发展的重要方向［70-71］。该技术可与低温核供热技术相结合，在完成供热的同时进行热量的有效存储，实现核能供热调峰。

4.5 智能集中供热

近年来，大数据、物联网及云计算等互联网相关技术得到了蓬勃发展，大数据时代的到来加速了各行各业的变革，以电子信息技术和互联网为核心的数据共享和智能化已成为各行各业未来的发展方向。在互联网和大数据挖掘等技术的支持下，智能供热成为城市集中供热领域未来必然的发展方向［72-74］。中国华电集团有限公司和华电电力科学研究院有限公司提出了智能集中供热网的体系架构设计，指出智能集中供热网应具备先进和灵活的供热系统输配工艺、自动化的热力输配、融入互联网的通信体系、无处不在的传感器和测量装置、智能调度与调节行为、统一的热网系统数据模型及智能热网设备管理等7 个特征［75］。其中，统一的热网系统数据模型是智能集中供热的理论基础，智能调度与调节行为是智能集中供热网的核心特征，在云储存和大数据处理技术的支持下，热网的水力、热力、热负荷预测等变得更加精确，可获得更精确的供热管网的调节及调度优化模型，在此基础上可实现供热智能化控制与调节。

在各行各业朝着智能化发展的大背景下，核供热技术与智能集中供热技术相结合，必将显著地提升城市集中供热性能，优化供热运行参数，降低运行成本。

5 结束语

本文论述了我国发展核能集中供热系统的必要性，作为高效清洁的新能源，核能在集中供热系统中的应用有巨大潜力，国外已有多个核能集中供热系统成功运行多年的案例。

针对我国自主研发的几种具有代表性的核供热反应堆设计，以清华核研院的系列低温供热堆、原子能院的“燕龙”游泳池式核供热堆、中核集团的ACP100 型小堆为代表，对其固有安全性进行了分析，表明几种核供热反应堆堆型均安全可靠，具有多用途、使用灵活等优势。核能供热系统在经济性和社会价值方面也有其独特的优越性。

讨论了结合节能减阻技术和集中供热系统性能提升新技术，进一步提升核能集中供热系统性能的可能性，如管路流动湍流减阻技术、基于深度学习的系统优化、与多热源联合供热、与相变储热相结合、与大数据结合的智能供热等技术。

综上所述，推进核能集中供热的时机已经来临，这将是新时代对“绿水青山就是金山银山”理念的良好践行。