核能供热

核能供热

utilization of nuclear energy in district heat supply 以核裂变产生的能量为热源的城市集中供热方式。它是解决城市能源供应，减轻运输压力和消除烧煤造成的环境污染的一种新途径。

供热方式

城市集中供热所需温度不高，现有的核能技术较易满足要求。目前，正在发展的有三种核能供热方式：

①城市集中供热专用低温供热堆。这种堆的压力为1～2兆帕，可以输出100°C左右的热水供城市应用。由于反应堆工作参数低，安全性好，有可能建造在城市近郊。

②核热电站。它和普通热电站原理相似，只是用核反应堆代替矿物燃料锅炉。核热电站反应堆工作参数高，必须按照电站选址规程建在远离居民区的地点，从而使它的发展在一定的程度上受到限制。

③化学热管远程核供热系统。是正在研究的先进技术。它利用高温气冷堆产生的900°C左右的高温热源，进行可逆反应，并在常温下通过管道送到用户，在再生（甲烷化）装置中产生逆反应放出化学热，供用户应用。这种方法可将核热送到远处供大片地区使用。

经济效益

由于采取了多重密封与屏蔽措施，因此核供热堆，特别是低温供热堆运行时排放到环境中的放射性物质甚至比烧煤锅炉还少得多。从经济上看，核供热堆的初始投资高于烧煤锅炉，但燃料费较省，与同功率的烧煤锅炉相比，每年核燃料的运输量仅约为煤量的十万分之一，可以输出100°C左右的热水供城市应用。比烧油锅炉的燃料费低得更多。有些国家已经开始发展核供热堆。已运行的核电站中，有十余座实行抽汽供热。

性质：核供热堆是一种以输出显热为主的核能系统。可用于城镇居民供暖和综合利用。作为核电的补充，它的推广应用有助于改善能源结构，减排温室气体和改善城镇环境。核供热堆具有良好的固有安全性，系统简单，运行可靠，可以建在靠近居民稠密区，节省显热远距离输送的昂贵费用。世界上第一座5MW核供热试验堆于1989年在中国建成并运行。运行结果表明，中国开发的核供热堆具有优异的性能。

核能的其他应用

1 宇航、卫星中的核电源

人造地球卫星和宇宙飞船都需要使用长期、可靠性高的电源。然而通常的化学电池重量大、使用期短，不能适应卫星、飞船工作。因此，在卫星、飞船中多数采用太阳能电池和蓄电池联合供电。但是，太阳能电池在离太阳太近或较远外，都不能适用。即使是太阳系内，据推算，海王星所接受到的太阳能，单位面积功率还不到地球上的1/900，无法利用。另外在需要供电功率较大时，太阳能设备体积和重量也很大，不适用于空间设备。

随着空间技术的发展，60年代开始研究适用于卫星、飞船上的核能电源。它是将核能转换成电能并供给航天器或电推力火箭使用的设备和系统。图为空间核电源的热电转换方式。

空间核电力装置可以分为放射性同位素衰变热转化成电的小型核电池和将核反应堆裂变的热量直接转化成电的小型核动力装置两类。

核电池

核电池是利用放射性同位素的射线被物质吸收产生热能，并通过热－电转换设备获得电力。

核电池采用的放射性同位素来主要有锶－90（Sr－90，半衰期为28年）、钚－238（P u－238，半衰期89.6年）、钋－210（Po-210半衰期为138.4天）等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池。燃料放在电池中心，周围用热电元件包覆，放射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。这种电池尺寸小，重量轻，它可适用于卫星、宇宙飞船上供电。但由于这些放射性同位素不存在自然界中，均由核电反应堆内生产，功率不可能很大，核电池的功率水平一般在1千瓦左右，使用寿期由几个月到几年。目前核电池已应用在地球轨道的卫星上。

空间核电站

随着空间技术的发展，长期载人的大型宇宙飞船和宇宙空间站，需要功率在几千瓦以上的电源；大型通讯卫星也需要功率较大的电源。而且根据空间使用的特殊要求：电源设备重量要轻、寿命要长、体积要小、功率要大。为此国际空间核动力研究，一种是集热源、热电转换排热于一体的核电力装置。另一种的微型的核发电装置。

微型核发电装置，其反应堆采用高浓度的铀燃料与氢化锆慢化剂均匀混合的热中子反应堆，反应堆产生的热量由液体金属钠－钾合金带出，钠－钾冷却剂带出热量在热电转换放热器中转换成电能。这种方式转换效率高，但由于在空间长期调整旋转；无重力汽－液两相分离和材料、耐高温等问题，难以解决，因而目前尚未实际应用。

在最新空间核反应堆技术中，将铀燃料元件制成象二极管一样，用核燃料与金属钨片制作成阴极，金属铌做成阳极，抽真空后，再装入铯蒸汽，使电子容易由阴极飞出。这种装置称为热离子发射转换堆。（见附图空间热离子核反应堆）。反应堆中裂变产生热量，将钨加热到1300－2000℃的高温，钨便发射出大量电子，通过二极管和外电路形成电流。用这种反应堆发电不需要运动部件，整个装置可以做得小而轻，目前功率可以达到10千瓦以上，进一步改进功率可达1000千瓦。将应用于大型通讯卫星和星际航行的宇宙飞船的主要电源。

火箭核推进发动机

利用核能作为航天器推进初级能源的核动力装置可以分为核热火箭发动机和核电火箭发动机两类。

核热火箭发动机系统是利用核能加热工质产生推力的火箭发动机系统。它的工作原理与化学火箭发动机相似，只是加热能源不同。核热火箭发动机的比冲高，寿命长，但技术复

杂，适用于长期工作的航天器。利用核裂变反应堆的核火箭发动机系统，工质一般为氢气，被反应堆加热后调整喷出，产生推力。反应堆用固体燃料时，工质喷射速度可达到8－12km /s。用液体和气体核燃料时事提高工质温度，使工质喷射速度达到15－20km/s。图为固体堆芯核热火箭发动机系统。

核电火箭发动机系统是将核反应堆裂变或裂变能首先转换为电能，为电火箭供电，然后由电火箭产生推力的推进系统。电火箭可以是电热火箭发动机、静电火箭发动机（离子火箭发动机）和电磁流体发动机。俄罗斯和美国都在开发发电和推进两用的空间核反应堆动力系统，推进部分同核热火箭发动机系统，但加入发电元件。这样的空间核反应堆动力系统，既有核热火箭发动机系统的功能，又有空间核反应堆电源的功能。图为典型的以热离子元件为发电元件的发电推进两用空间核反应堆动力系统。

2 核能供热

核能供能是利用核反应堆生产的能量直接供热。它可以用这种能量单纯供热，也可以用综合利用。如热电联供。核能供热是核能应用的一个重要方面。目前约有70%一次能源用于供热，而核能供热的优点是环境污染小，燃料运输量小，因此核能供热的市场前景十分广阔的。应用核能供热方式有两种：

第一种是在发电的同时采用抽气供热，这与常规热电厂相似。这种方式从有效利用燃料角度来分析，经济性较好。但是核供热电站一般蒸汽参数较低，相应的汽轮发电机效率低，设备大，相应的热效率低于烧有机燃料的供热电站。

第二种为建造单纯核供热站，即建造只产生低压蒸汽和热水而不发电。则反应堆不必采用高温高压，只有1.5～2.0兆帕，甚至更低压力。这样反应堆等一回路系统设备管道的制造安装容易成本低。另外，核供热站低温低压，安全可靠，可以建造在热用户附近，降低热管网投资，直接向市区供热。

目前世界已有的主要低温供热堆型有：（1）壳式一体化自然循环压水堆，如前苏联设计的AST－500，其热功率为500MW，工作压力为2.0兆帕；（2）池式核供热堆，如加拿大建成的SLOW POKE堆热功率2000千瓦。反应堆为池式常压；自然循环，冷却水出口温度为80℃，在热交换器处被冷却剂50℃后通用反应堆，热利用率可达50%。此外，瑞典的ASEA 公司也设计成类似的供热站。上图为低温核供热站。

我国自行设计建造的第一座低温核供热模式堆采用深水池式低温供热堆，热功率为5M W，池表面为常压，冷却水温度可达114℃，向热网提供90℃左右热水，该核供热站已于19 89年建成运行。

目前我国已设计壳式一体化自然循环核供热堆。其热功率为200MW，工作压力为2.5兆帕，反应堆堆芯和主热交换器均布置在压力壳内。系统压力由压力壳内上部空间中氮气和水汽混合物压力维持。图为壳式自然循环供热堆。