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大膽摸,這是核裂變發(fā)的熱

中國青年報發(fā)布時間:2021-12-16 10:34:30

  從中國地圖上看,膠東半島如翼龍頭部面朝大海。在半島南側(cè)的“咽部”,有一處“熱點”。比起左邊的嶗山、右邊的乳山,海陽沒什么名氣。然而它又的確有幾分特別,在北半球的這個冬天,它成了全中國第一座完全實現(xiàn)核能供暖的城市。

  現(xiàn)代與古老在這里不做爭奪,它們彼此給予——海陽核電站的兩個機組每年發(fā)電量200億千瓦時,足夠滿足青島、煙臺、威海地區(qū)全部居民的生活用電。深藏著高核輻射物質(zhì)的建筑內(nèi),劇烈的核反應(yīng)隨時都在進行。核電站外幾百米處是幾個當(dāng)?shù)氐淖匀淮?,和很多臨海的村子一樣,人們以捕魚為業(yè),天沒亮就出門趕海。也有人在核工業(yè)園區(qū)從事保安、保潔等工作。

  作為中國大陸51座在運行的核電站之一,海陽核電站無論是規(guī)模還是技術(shù)上都不特殊,一件頗有意義的小事是,2021年,它拿出4%的發(fā)電量,為60萬人口直接輸送熱量,讓這座北方小城告別了化石燃料供暖的時代。

  一切順利的話,未來的某個冬天,這座核電站還將把熱量輸送到青島、煙臺、威海三座城市。

  “什么是安全?符合標(biāo)準(zhǔn),就是安全的”

  從清華大學(xué)工程物理專業(yè)畢業(yè)后,吳放一直在核領(lǐng)域工作。這位核能專家、山東核電董事長的日常工作,是和同事一起維護海陽核電機組的安全穩(wěn)定運行。

  吳放回憶,2015年,自己在北京經(jīng)歷了數(shù)場霧霾,“抬頭看不見建筑,只能看到上面發(fā)亮的字”。這讓吳放萌生了用核能供暖的念頭,因為核能是清潔能源,幾乎不會帶來任何大氣污染。

  當(dāng)前國內(nèi)供暖主要依靠燃燒煤炭和天然氣,會產(chǎn)生大量二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物。據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能中心測算,中國北方城鎮(zhèn)每年供暖能耗為2.12億噸標(biāo)煤,碳排放量約5.5億噸,約等于2億輛小汽車一年的碳排放。

  除了引發(fā)霧霾,燃燒化石能源排放的二氧化碳還造成全球變暖,導(dǎo)致極端氣候現(xiàn)象頻發(fā)、海平面上升。在剛剛結(jié)束的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第26屆締約方大會上,多國政府都提出了碳中和的目標(biāo)。

  人們能說清霧霾的成分,但很顯然,人們更害怕核能。說起“核”,多數(shù)人的第一反應(yīng)是武器和事故。如造成近10萬人死亡或重病、方圓30公里范圍內(nèi)受到嚴(yán)重污染、三分之一地球受到放射性物質(zhì)影響的切爾諾貝利核事故,再比如2011年日本福島核電站泄漏事故。后者的影響力大到讓多個國家暫時停止了核電站的建設(shè)和新增計劃,德國甚至宣布2022年起全面棄核。

  吳放不常談?wù)?ldquo;福島”或“切爾諾貝利”,盡管他常常面對帶著這些關(guān)鍵詞的問題。

  在人類文明和戰(zhàn)爭的記憶里,與“核”有關(guān)的傷痕都太過深刻,“核”帶來的恐懼感是持久的。但在海陽核電站,距離核反應(yīng)堆最近的人反而很安心。

  據(jù)測算,園區(qū)上千名員工一年受到核輻射的平均劑量約為做一次腹部CT的百分之一。很多時候,園區(qū)里的輻射值甚至低于大城市——繁華都市中,空氣里的粉塵、建筑中的天然大理石等材料也有核輻射。園區(qū)里還有一塊計時大屏幕,截至中青報·中青網(wǎng)記者抵達時,核電站已經(jīng)持續(xù)517天18小時14分24秒沒有發(fā)生人因事件。

  到底什么是安全?在吳放看來,安全是一個難以定義的詞,他更愿意用“符合標(biāo)準(zhǔn)”來衡量。“只要我們在建設(shè)、操作時符合標(biāo)準(zhǔn),那我認為它就是安全的。”事實上,中國在核能開發(fā)、利用方面制定的標(biāo)準(zhǔn)是全世界最高的。

  在核領(lǐng)域工作多年,吳放一直希望提高核能的利用效率。受物理學(xué)基本規(guī)律的限制,目前全球核電站在發(fā)電時的熱效率最高只有約36%的水平,想顯著提升,只能期待人類有重大科學(xué)和技術(shù)突破。

  核電站一般都建在海邊,核反應(yīng)會釋放大量的熱,需要海水作為冷卻水,加熱水產(chǎn)生的水蒸氣推動渦輪發(fā)電機發(fā)電。吳放曾考慮,如果能從這些熱能中拿出一部分用于供暖,能提高核能的利用率,同時也能實現(xiàn)清潔能源供暖。

  “這個想法從原理上說很簡單,很多人都能想到,實施起來卻是一個復(fù)雜的工程學(xué)問題。而且前幾年核能供暖并不會比使用化石燃料便宜很多,因此很少有人愿意做這個嘗試。”吳放解釋。

  推進研究的同時,他先在核電站員工宿舍區(qū)以及當(dāng)?shù)?0多個小區(qū)做試點,然后逐步擴大范圍,直到覆蓋整個海陽市城區(qū)。出人意料的是,不管是核電站建設(shè)和運行時,還是推廣核能供暖時,他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)乩习傩詹]有對安全性感到擔(dān)心。多數(shù)人最關(guān)心的問題是,核能供暖效果怎么樣,便不便宜。

  2021年11月9日,核能供暖的熱水如期溫暖了這座城市。與往年冬天相比,市民并沒有感受到什么不同,暖氣片還是那么熱,持續(xù)而穩(wěn)定——除了供暖費每平方米比去年降低了1元。

  解決了燃“煤”之急

  穿過層層鋼筋混凝土和金屬安全殼,核電站的核心只是一根根細長的燃料棒,4米多高,粗細和混凝土使用的鋼筋差不多。它們排列在一起就成了穩(wěn)定且能產(chǎn)生大量能量的核反應(yīng)堆。按照計劃,如果海陽核電站的8座反應(yīng)堆全部建成投入使用,能提供整個山東省13%的用電量。

  這是發(fā)生在原子維度的反應(yīng),卻蘊藏著巨大的能量。1克濃縮鈾-235的體積和一粒米差不多,但它在完全裂變后產(chǎn)生的能量,約等于2.8噸標(biāo)準(zhǔn)煤或1.8噸汽油完全燃燒所釋放的能量。

  在能源領(lǐng)域,能用于發(fā)電的熱能是“高級”的,需要水蒸氣有較高的溫度和能量,在海陽核電站,用于發(fā)電的水蒸氣的溫度高達268.6攝氏度,壓強5.38兆帕,約為53倍的大氣壓強。發(fā)完電的水蒸氣雖然還是溫暖的,但屬于較“低級”的能源,很難再得到利用。供暖則并不需要那么“高級”的能量,“我們的工作類似于拿出一部分‘高級’的能量兌入‘低級’的能量,變成更多‘中級’的能量,也足夠用來供暖了。”吳放解釋。

  實現(xiàn)這個想法并不容易。核電站是一個設(shè)計精密的系統(tǒng),取出一部分水蒸氣,勢必對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響。在海陽核電站1號機組2018年投入商運當(dāng)年,他們經(jīng)過大量前期理論論證后開始立項,次年開始試點供暖。范圍從核電站辦公區(qū)逐步擴大到海陽市的部分小區(qū),直到今年,整個市區(qū)都用上了核能供暖。

  而在這個過程中,用戶端的改變并不大。在核電站之外,除了替代了海陽市的12臺燃煤鍋爐,其他的一切和燃煤供暖幾乎沒有任何區(qū)別。供暖的水還是由各區(qū)的供熱企業(yè)負責(zé)加熱,只是如今,供熱企業(yè)不再需要燃燒煤炭加熱供暖水,而是由海陽核電站提供熱水,在供熱中心將熱量傳遞給供暖水。

  海陽實現(xiàn)核能供暖引起了全球核領(lǐng)域同行的關(guān)注,國際原子能機構(gòu)已經(jīng)派專員前來調(diào)研。這項嘗試在國內(nèi)也有了追隨者,今年,中國第一座核電站秦山核電站開始對嘉興市的3個小區(qū)試用核能供暖。

  即使不考慮在減少碳排放方面的貢獻,核能供暖的意義在今年也格外特殊:全球整體能源緊缺,煤炭、天然氣等能源的價格大幅上漲,不少國家實施了限電停產(chǎn)措施,多地供暖費用漲價,海陽市卻做到了供暖費不增反降,解決了燃“煤”之急。

  對此,吳放算過一筆經(jīng)濟賬,長期看來,核能供暖一定比燃燒化石燃料更實惠。他解釋,在煤炭價格平穩(wěn)時,使用核能供暖的價格僅略低于燃煤供暖,但未來化石能源的價格可能會因為產(chǎn)量、碳排放市場化等原因不斷上漲,而使用核能近似于一次性投資,費用主要花在建設(shè)時,投產(chǎn)后,核燃料的價格只占極小的部分,即使發(fā)生類似化石能源的大漲價,也不會對核電站的經(jīng)營產(chǎn)生大的影響。因此,核能發(fā)電的費用一般非常穩(wěn)定。

  只是,核能供暖目前只能向核電站周邊的城市提供,距離太遠則會受傳輸管道建設(shè)成本、傳輸過程中熱量流失等因素的制約。由于核電站需要持續(xù)大量使用冷卻水,目前中國的核電站大多都建在海邊。

  第三代技術(shù)的設(shè)計理念基于“削弱‘人’的不穩(wěn)定因素”

  海陽核電站毗鄰黃海,常年抽取海水用于冷卻核設(shè)施。在抽水口,海水中的魚、蝦、海草被濾出,海水在海陽核電站循環(huán)一周帶走“低級”的余熱,最后熱氣騰騰地回到黃海。

  在絕大多數(shù)人眼中,這些“低級”的熱量沒有利用的價值和機會,但吳放卻想,是不是有辦法把這部分能量也利用起來呢?

  他想到此前在新聞中看過的“南紅北移”工程。適合在南方溫暖潮濕環(huán)境生長的紅樹林是極好的海洋生態(tài)系統(tǒng),能防風(fēng)消浪,凈化海水和空氣,還有10倍于陸地森林的固碳能力,但它不適應(yīng)北方寒冷的氣候。

  此前,中國的“南紅北移”工程最北只開展到北緯30度的浙江舟山。海陽的海岸線比舟山更靠北,但一年四季分秒不停流回大海的反應(yīng)堆冷卻水也許可以營造適合紅樹林生長的環(huán)境。吳放聯(lián)系了多所大學(xué)的專家開展調(diào)研,并在今年6月開始了這項工程,目標(biāo)是將紅樹林生長的最北位置擴展到北緯37度附近。

  海陽核電站采用的是第三代核電技術(shù),也是目前商用大型核反應(yīng)堆最先進的技術(shù),外觀特征就是核島的外形像白酒瓶,瓶蓋位置裝有大量冷卻水。發(fā)生極端意外時,這3000噸水會自動下沉用于冷卻核反應(yīng)堆,可以做到72小時不需要人工干預(yù),保障機組安全。“第三代技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計理念就是,削弱‘人’的不穩(wěn)定因素。”吳放說。

  中國的核電站已經(jīng)設(shè)計了完備的操作機制,幾乎所有的操作必須有書面或口頭的批準(zhǔn)才能進行。一名海陽核電站的工作人員向中青報·中青網(wǎng)記者演示,即使是交換兩條接線,也要使用不同的顏色分別標(biāo)記線路和接口,并事無巨細地記錄每一步操作,最大程度避免人的失誤帶來風(fēng)險。盡管這項操作在普通人的家中就是拔線、插線這么簡單。還有人調(diào)侃,和做核電的人打交道,總會遭遇“靈魂三問”:“你為什么這么做?你這么做有依據(jù)嗎?誰告訴你這么做的?”大多數(shù)時候,反應(yīng)堆所在的核島內(nèi)并沒有人,具體的操作都由全自動化系統(tǒng)進行,只需要主控室的操縱員在核島外給出指令即可。

  在這里,沒有員工擔(dān)心發(fā)生事故,也不擔(dān)心自己受到超量的核輻射。海陽核電站每一個有受到輻射風(fēng)險的員工從入職起就會配備一枚專屬的核輻射檢測儀,持續(xù)監(jiān)控他累積受到的核輻射劑量。

  為了消除民眾對核的恐懼,海陽核電站的工作人員經(jīng)常到社區(qū)、街道上進行科普宣傳,接受采訪的工作人員說,民眾的接受度普遍很高,沒有人表現(xiàn)出恐懼,還有民眾說:“你們比我們離核更近,你們都不怕,我們怕什么?”海陽核電站2019年的一次街訪結(jié)果顯示,95%的市民對核電站表達的是積極或中立的態(tài)度,剩下的5%是不了解或不關(guān)心。

  按照環(huán)評要求,核電站在建設(shè)前、施工中需要多次向周邊居民征求意見,沒有人表示反對。

  一位工作人員解釋,居民完全不用擔(dān)心核能供暖會帶來核輻射。“且不說核加熱的水并不是用戶家中用來供暖的水,這中間經(jīng)過了5次換熱,每個換熱環(huán)節(jié)都有絕對的物理隔離,即使是用于冷卻的海水也是完全不含輻射的。”他解釋,“這就像我們吃自熱小火鍋,只有熱量的傳遞,沒有物質(zhì)的交換。加熱層不會影響到食用層的安全性。”

  在吳放的計劃中,未來核能的能量利用率還要提升。給海陽市供暖后,核電站的能量利用率從36.69%提升至了39.94%。據(jù)測算,如果實現(xiàn)給煙臺、青島、威海供暖,單臺機組3000萬平方米的供熱面積,這個數(shù)字將提升至約55.9%。“這相當(dāng)于一個核電站頂一個半核電站。”吳放說。

  海陽每年冬季供暖要消耗原煤10萬噸,轉(zhuǎn)為核能供暖后,將少向大氣排放二氧化碳18萬噸。相比全國因供暖產(chǎn)生的碳排放,這是一個微不足道的小數(shù)字,才0.03%,但這項嘗試如果能在中國大陸在運行的51座和更多建設(shè)中的核電站鋪開,這個數(shù)字將變得更加可觀。全世界范圍內(nèi),在運行的核電站大約有400座。對吳放這代核電人來說,對核能的利用仍是一場沒有盡頭的探索。吳放期待,未來核能還能在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用,人類不再談“核”色變。

  就像家里的暖氣片一樣,可以大膽摸。

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