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科普:浅谈核电的来龙去脉及若干关注的热点问题 精选

已有 11143 次阅读 2011-4-1 09:10 |个人分类:科普文章|系统分类:科普集锦| 热点问题, 核电站工作原理

       图1 核电站的工作原理图

 

 

作 者 按 语

 

本文应最近“百科知识”编辑的邀约,在此编写这篇科普文章,目的让公众更好地了解、正确地认识并自觉地驾驭核电,以便能够真正和平利用原子能,为全人类造福。同时也是与广大网友进行交流,讨论和交换一些看法。编写中我主要参考文献包括(法国) 雅克.勒克莱尔(Jacqes Leclercq)著,常叙平编译,“当今核时代”(The Nuclear Age)(北京:海洋出版社,1994),还参考了网上核电和电视台有关的日本福岛核泄露的新闻报道。在此一并表示真诚的致谢!

 

            浅谈核电的来龙去脉及若干关注的热点问题
 
                                              方锦清编写
 
 前言

如果从1951年美国在一台快中子增殖反应堆上进行最早的核动力发电算起,世界上核电发展已经走过了60年的辉煌而艰难曲折的历程。许多的经验教训值得回味和总结。法国核电专家雅克.勒克莱尔(Jacqes Leclercq)在他的论著[1]:“当今核时代”里,详细描述了世界核工业的历史和现在,并展望了未来发展。书中指出:“核电步入能源领域原因有二:20世纪初40年中所取得的基础科学发现,以及人类进行的研究和开发——随着第二次世界大战的爆发,核科学研究与开发又有所加强,终于导致了灭绝性(核)武器的研制,同时也为原子能和平利用铺平了道路。”在世界范围内,1973年中东战争引起的石油危机加速了核电的发展,而且对于一些国家和地区“核电是一种颇为吸引力的解决途径。尽管核电有竞争优势,但是各国发展核电的速度却因势而异,……”。显然,全球核电的发展是不平衡的,法国在世界名列前茅。

令人震惊的是,2011311日日本发生了9级大地震、大海和福岛电站严重的核泄露,再次引发了曾经销声匿迹的“是否还要核电”的新一场大辩论在世界范围开始了。日本地震观测史以来最强的地震和最大的核事故,是日本“二战”以来最大的自然灾害,引起了全世界的高度关注。美国加州理工学院指出,日本11日发生的9级大地震威力强大,致使日本东部向北美洲方向移动了3.6米;意大利地球物理和火山研究所数据显示,此次强震使地球地轴发生了25厘米的偏移;让南极洲的一个冰川滑动了半米。它是地球上自1900年以来的第四大地震。美国宇航局专家测算,日本强震推动地球转得更快,使每天缩短了1.6微秒。同时,日本大地震引起了触目惊心的海啸,特别是造成了福岛核电站6级的核泄露严重事故,反应堆发生了氢气爆炸,周围居民受到放射性侵害。福岛第一核电站2号机组涡轮机房地下室积水放射性物质活度超标10万倍左右。随后还发现在土壤里存在剧毒的钚燃料,在海水里出现比正常超过4千多倍的碘-131等放射性物质。许多数据说明,日本这次核泄露已经构成接近国际上评价的7级严重核事故了。于是,国际上一场核电安全问题新的大辩论又沸沸扬扬地展开了。鉴于目前事态不断变化,我们有必要来了解一下核电的来龙去脉(工作原理、简历和主要问题等),以及人们关注的一些热点问题,本文是在“百科知识”编辑的邀约下,在此编写这篇科普文章,目的让公众更好地了解、正确地认识并自觉地驾驭核电,以便能够真正和平利用原子能,为全人类造福。

1.    核电站的基本工作原理

核电站(nuclear power plant)顾名思义是利用核反应产生电能的装置,也就是应用核分裂(Nuclear Fission)或核聚变(Nuclear Fusion)反应所释放的的能量转变为电能的发电厂。迄今世界上能够商业运转中的核能发电厂都是利用核分裂反应而发电,目前国际上还没有实现商用核聚变反应的发电厂。目前核电站的基本工作原理示于图1

核电站一般分为两大部分:一是利用原子核裂变生产蒸汽的核岛,包括核反应堆装置和一回路系统;二是利用蒸汽发电的常规岛,包括汽轮发电机系统,使用的燃料一般是放射性重金属:铀和钚。核电站与火力发电厂的最大不同是,以原子反应堆或称核反应堆来代替火力发电站(工厂)的锅炉,以核燃料在核反应堆中发生链式核反应这种特殊形式的燃烧来产生所需要的热量,即利用这些核反应产生的热量来加热水使之变成水蒸汽,这样就可以把核能转变成热能。而水蒸汽通过管路进入汽轮机,来推动汽轮发电机发电,再把机械能转变成为电能。由此可见,核电站的汽轮发电机及电器设备与普通火电站大同小异,其最大的奥妙主要在于核反应堆。核电的发展正是取决于应用不同类型的反应堆,由此世界上已经发展到4代核电站核心技术。因此,下面我们首先讨论作为核电最关键的核反应堆。

2.核反应堆的工作原理及相关设备

21基本工作原理

核反应堆,又称为原子反应堆,或简称反应堆,是装配了核燃料以实现大规模可控裂变链式反应的装置。其工作原理可概述如下。 

  世界上任何物质都是有原子组成,而且原子内存在层次结构,原子由原子核与核外电子组成;原子核由质子与中子组成。但是并不是所有元素都可以用来作核燃料,核反应堆里安装的核燃料是铀235。早在20世纪30年代科学家已经发现:当铀235的原子核受到外来中子轰击时,一个原子核会发生裂变,吸收一个中子后分裂成两个质量较小的原子核,同时放出2—3个中子。这种裂变产生的中子又去轰击另外的铀235原子核,引起新的裂变。如此反应不断地持续进行下去,称为核裂变的链式反应。每次裂变能够放出一定的能量,正是依靠链式反应在核反应堆里产生了大量热能。然后,利用循环水,或利用其他物质作为热载体,带走热量以避免反应堆因过热烧毁,如果热量无法带走,造成堆芯熔化,或发生氢气等爆炸使得安全壳破裂,那就会发生日本福岛核电站那样严重的核泄露事故。利用从反应堆里导出的热量来使水变成水蒸气,从而推动汽轮机发电,这里供核电站汽轮机的蒸汽为较低压力下的饱和蒸汽,温度约300左右。由此可知,核反应堆最基本的组成是:裂变原子核和热载体。但是只有这两个条件还无法工作。这是由于反应堆内链式反应所产生的高速中子会大量飞散,必须设法把中子减速下来,以增加与原子核碰撞的机会;为此,要求把核反应堆设计成能够按照人的意愿决定其工作状态,也就是必须采取有效的设施来实现可控目的。因为铀及裂变产物都有强放射性,会对人造成伤害,因此,为了确保运行时做到安全第一,同时必须采取十分可靠的防护和严格的安全措施。总而言之,核反应堆的合理结构应该也必须具备五大要求:核燃料+慢化剂+热载体+控制设施+防护装置

 

 22核电站的重要的配套设备

核电站除了核反应堆这样的关键核心设备外,还必须有一些与之配套的重要设备。这里以压水堆核电站为例,它们是主泵,稳压器,蒸汽发生器,安全壳,汽轮发电机和危急冷却系统等。它们在核电站中有各自发挥其特殊功能。简介如下。

主泵它的功用是把冷却剂送进堆内,然后流过蒸汽发生器,以保证裂变反应产生的热量及时传递出来。主泵则是反应堆的心脏,而反应堆中的冷却剂就好比人体血液。

稳压器:又称压力平衡器,是用来控制反应堆系统压力变化的设备。在正常运行时,起保持压力的作用;在发生事故时,提供超压保护。稳压器里设有加热器和喷淋系统,当反应堆里压力过高时,喷洒冷水降压;当堆内压力太低时,加热器自动通电加热使水蒸发以增加压力。

蒸汽发生器:其作用是把通过反应堆的冷却剂的热量传给二次回路水,并使之变成蒸汽,再通入汽轮发电机的汽缸作功。

安全壳:用来控制和限制放射性物质从反应堆扩散出去,以保护公众免遭放射性物质的伤害。万一发生罕见的反应堆一回路水外逸的失水事故时,安全壳是防止裂变产物释放到周围的最后一道屏障。安全壳一般是内衬钢板的预应力混凝土厚壁容器。

汽轮机:核电站用的汽轮发电机在构造上与常规火电站用的大同小异,所不同的是由于蒸汽压力和温度都较低,所以同等功率机组的汽轮机体积比常规火电站的大。

危急冷却系统:为了应付核电站一回路主管道破裂的极端失水事故的发生,近代核电站都设有危急冷却系统。它是由注射系统和安全壳喷淋系统组成。一旦接到极端失水事故的信号后,安全注射系统向反应堆内注射高压含硼水,喷淋系统向安全壳喷水和化学药剂。便可缓解事故后果,限制事故蔓延。

 

23 反应堆不是原子弹

 

    值得特别指出的是,反应堆不是原子弹,它实际上不会发生核爆炸。因为两者的设计思想、构造和部件完全不同。原子弹是一种不可控的自持链式反应装置,需要使用可迅速形成临界体积的高纯易裂变材料——铀‐235浓度至少95%或钚。触发链式反应发展得非常快,以以致未等介质散开就积聚了大量能量。爆炸的剧烈程度取决于这种能量的积聚。例如,投在长崎的原子弹是一个中空的钚球,靠合理安排的炸药形成临界体积,达到临界体积后才发生原子弹爆炸。

    反应堆则是一种人工控制的自持链式反应装置。它的设计与原子弹完全不同,注意到浓度差别非常重要,反应堆里装的是天然铀或低浓度铀(丰度2-5%之间),以致很难达到临界。铀‐238之类的中子吸收材料的存在能够阻止任何不可控制的功率浮动。反应堆里的核反应是一种平凡的核反应,不存在能使能量积聚到“爆炸”的紧箍器件 或压力容器,当然也没有专门引爆的中子注入部件,因此完全不具备原子弹爆炸的基本条件。日本福岛第一核电站1号、3号机组相继发生的是氢气爆炸,事故的原因是反应堆堆芯产生的水蒸气外泄至容器外,在反应堆丧失冷却剂事故时,燃料元件棒束未被冷却剂液体浸没而处于裸露状态,导致持续升温,直到温度超过核燃料管锆合金的熔点,发生堆芯熔化,于是高温锆合金包壳跟堆体里面存留的水发生剧烈化学反应,产生了氢气,氢气泄漏出堆体,积聚到厂房里面,和建筑物内的氧气发生剧烈反应,直至气压超过厂房承受能力而导致爆炸。这个爆炸不仅把厂房摧毁,还会把连接堆体的管道破坏,这些管道里面有长期积累下的放射性物质,结果释放到开放环境中,造成长期的核污染。

    从上可见,反应堆与原子弹爆炸完全是二回事,切不可混为一谈。总之,反应堆实际上不可能发生核爆炸。
 
3.核电站使用的核反应堆类型
 
    核电站中的反应堆设计具有多样性,也就是说,核反应堆具有不同类型,相应形成不同的核电站。可以利用下列三个特点表征不同类型的反应堆。第一,所用的核燃料可以是天然铀或浓缩铀、钚或钍;第二,使用不同类型的冷却剂——水、二氧化碳、氦气或钠;第三,用于控制链式反应中释放的中子能量的慢化剂,可以是石墨、重水或普通的“轻水”。有六种主要类型的反应堆,每种采用不同的“一回路”系统设计,以产生用于生产蒸汽的热量。核电站中所谓“二回路”或常规部分在各种类型的反应堆中具有相同的普遍特点,“二回路”将蒸汽的能量在蒸轮-发电机组在转换成电。 1954苏联第一座商业核电厂——奥布宁斯克建成投产以来,核电发展实际已经历56年。根据国际原子能机构的数据,目前全世界正在运行的核电机组共有433台,其中:压水堆(Pressurized Water ReactorPWR)60%,沸水堆(Boiling Water ReactorBWR)21%,重水堆(Pressurized heavy water reactorPHWR)10%,石墨堆(graphite coating Reactor, GCR)等其它堆型占9%这里介绍迄今国际上核电站常用有4种类型的核反应堆。

 

31 压水堆核电站

 

  以压水堆为热源的核电站。它在1985年初占世界核电装机总容量的56%,占在建容量的72%。在核电厂机组数量和装机容量方面都处与领先地位。压水堆主要由核岛和常规岛组成。压水堆核电站核岛中的四大部件是蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯。在核岛中的系统设备主要有压水堆本体,一回路系统,以及为支持一回路系统正常运行和保证反应堆安全而设置的辅助系统。常规岛主要包括汽轮机组及二回等系统,其形式与常规火电厂类似。


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2 沸水堆核电站

以沸水堆为热源的核电站。沸水堆是以沸腾轻水为慢化剂和冷却剂并在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽的动力堆。沸水堆与压水堆同属轻水堆,都具有结构紧凑、安全可靠、建造费用低和负荷跟随能力强等优点。它们都需使用低富集铀作燃料。沸水堆核电站系统有:主系统(包括反应堆);蒸汽-给水系统;反应堆辅助系统等。1986年世界核点装机容量的四分之一采用沸水堆技术,在未来市场中仍然占有显著的地位。 

 

33 重水堆核电站

 

以重水堆为热源的核电站。重水堆是以重水作慢化剂的反应堆,可以直接利用天然铀作为核燃料。重水堆可用轻水或重水作冷却剂,重水堆分压力容器式和压力管式两类。重水堆核电站是发展较早的核电站,有各种类别,但已实现工业规模推广的只有加拿大发展起来的坎杜型压力管式重水堆核电站。

35 快堆核电站

  快堆核电站是由快中子引起链式裂变反应所释放出来的热能转换为电能的核电站。快堆在运行中既消耗裂变材料,又生产新裂变材料,而且所产可多于所耗,能实现核裂变材料的增殖。

目前,世界上已商业运行的核电站堆型,如压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆等都是非增殖堆型,主要利用核裂变燃料,即使再利用转换出来的钚-239等易裂变材料,它对铀资源的利用率也只有1—2%,但在快堆中,铀-238原则上都能转换成钚-239而得以使用,但考虑到各种损耗,快堆可将铀资源的利用率提高到60—70%,也可使核废料产生量得到最大程度的降低,实现放射性废物最小化。中国核工业集团公司2010721在北京宣布:由中核集团中国原子能科学研究院自主研发的中国第一座快中子反应堆——中国实验快堆(CEFR)达到首次临界。这是中国核电领域的重大自主创新成果,意味着中国第四代先进核能系统技术实现了重大突破。采用已在美、法、俄、日等8个国家有多堆运行经验的钠冷快堆技术,其热功率为65兆瓦,电功率20兆瓦。由此,中国成为世界上少数几个掌握快堆技术的国家之一。快中子反应堆是世界上第四代先进核能系统的首选堆型,代表了第四代核能系统的发展方向。其形成的核燃料闭合式循环,国际专家普遍认为,发展和推广快堆,可从根本上解决世界能源的可持续发展和绿色发展问题。对于快堆未来发展,中国快堆发展拟采取三步走的发展战略,即从实验快堆示范快堆大型商用快堆,建造中国实验快堆是中国快堆发展第一步。在未来中核集团将加快推进第四代核电机组-中国示范快堆的建造,并以此为契机,推动中国铀钚混合燃料制造技术等配套技术的发展,逐步建立中国先进核能体系。

 
4.四代核电站的发展历程

 

目前,全球近90%的一次能源消费依赖石油、天然气、煤炭三大化石型能源。如何寻求在传统能源价格上涨趋势中可替代性逐步显现的新能源,已是各主要能源消费大国的战略任务。核电凭借资源丰富,环境污染低,已成为国际能源领域投资热点。高效率、高清洁的核能将在能源格局中扮演越来越重要的的角色。据国际研究机构的预测,到2030年全球的核电发电量实现翻倍。美国能源部2007年宣布,美国在未来2年内将兴建32座核能发电厂;俄罗斯计划在2020年前建造40台核电机组;英国于20081月决定恢复建设核电站;我国计划到2020年,核电运行装机容量争取达到4000万千瓦,据国家能源局表示正考虑调整为7000万千瓦或以上。

20世纪50年代中期第一座商业核电站投产以来,核电发展已历经近60年。根据国际原子能机构的数据,目前全世界正在运行的核电机组共有433台,其中:压水堆(Pressurized Water ReactorPWR)60%,沸水堆(Boiling Water ReactorBWR)21%,重水堆(Pressurized heavy water reactorPHWR)10%,石墨堆(graphite coating Reactor, GCR)等其它堆型占9%。全世界核电总装机容量约为3.7亿千瓦;核电年发电量占世界发电总量的17%2007年核电发电量占全国总发电量25%以上的国家和地区共16个,其中立陶宛和法国的核电份额均超过60%。各国核电装机容量的多少,很大程度上反映了各国经济、工业和科技的综合实力和水平。我国目前的核电正在运行的有11各级组,910万千瓦的装机。目前发改委已经批准了11个核电项目,28个机组,已经开工的建设有24个机组。从目前情况来看,我国目前在建的核电规模已经在世界上名列第一位,到2020年,核电装机可能会达到8000万千瓦,在世界上排第二位。事实上,中国已经成为一个名副其实的核电大国。

41第一代核电站

  

50年至60年代初苏联、美国等建造的第一批单机容量在300MWe左右的核电站,如美国的希平港核电站和英第安角1号核电站,法国的舒兹(Chooz)核电站,德国的奥珀利海母(Obrigheim)核电站,日本的美浜1号核电站等。第一代核电厂属于原型堆核电厂,主要目的是为了通过试验示范形式来验证其核电在工程实施上的可行性。

 
42 第二代核电站

 

  上世纪70年代,因石油涨价引发的能源危机促进了核电发展,目前世界上商业运行的400多台机组大部分在这段时期建成,称为第二代核电机组。第二代核电厂主要是实现商业化、标准化、系列化、批量化,以提高经济性。自60年代末至70年代世界上建造了大批单机容量在6001400MWe的标准化和系列化核电站,以美国西屋公司为代表的Model 212600MWe,两环路压水堆,堆芯有121合组件,采用12英尺燃料组件)、Model 3121000MWe3环路压水堆,堆芯有157盒组件,采用12英尺燃料组件,),Model 314 1040MWe3环路压水堆,堆芯有157盒组件,采用14英尺燃料组件),Model 4121200MWe4环路压水堆,堆芯有193盒组件,采用12英尺燃料组件,)、Model 4141300MWe4环路压水堆,堆芯有193盒组件,采用14英尺燃料组件)、System801050MWe2环路压水堆)以及一大批沸水堆(BWR)均可划入第二代核电站范畴。法国的CPYP4P4也属于Model 312Model 414一类标准核电站。日本、韩国也建造了一批Model 412BWRSystem80等标准核电站。

  第二代核电站是目前世界正在运行的439座核电站(20079月统计数)主力机组,总装机容量为3.72亿千瓦。还共有34台在建核电机组,总装机容量为0.278亿千瓦。在三里岛核电站和切尔诺贝利核电站发生事故之后,各国对正在运行的核电站进行了不同程度的改进,在安全性和经济性都有了不同程度的提高。

  不过如今,从事核电的专家们对第二代核电站进行了反思,当时认为发生堆芯熔化和放射性物质大量往环境释放这类严重事故的可能性很小,不必把预防和缓解严重事故的设施作为设计上必须的要求,因此,第二代核电站应对严重事故的措施比较薄弱。

 
43 第三代核电站

 

  对于第三代核电站类型有各种不同看法。美国核电用户要求文件(URD)和欧洲核电用户要求文件(EUR)提出了第三代核电站的安全和设计技术要求,它包括了改革型的能动(安全系统)核电站和先进型的非能动(安全系统)核电站,并完成了全部工程论证和试验工作以及核电站的初步设计,它们将成为第三代核电站的主力堆型。

  目前,我国第三代核电项目正在浙江三门和山东海阳进行建设,和正在运行发电的第二代核电机组相比,预防和缓解堆芯熔化成为设计上的必须要求,而这一点也正是作为第二代核电站的福岛核电站近期事故中暴露出来的弱点。据悉,我国第三代核电站将装备有蓄水池,这样的大水箱在紧急情况下能释放出大量的水,从而达到降温等应急需求。

  通过总结经验教训,美国、欧洲和国际原子能机构都出台了新规定,把预防和缓解严重事故作为设计上的必须要求,满足以上要求的核电站称为第三代核电站。

  目前,世界上技术比较成熟、可以据以建造第三代核电机组的设计,主要有美国的AP1000(压水堆)ABWR(沸水堆),以及欧洲的EPR(压水堆)等型号,它们发生严重事故的概率均比第二代核电机组小100倍以上。美国、法国等国家已公开宣布,今后不再建造第二代核电机组,只建设第三代核电机组。而我国有13台第二代核电机组正在运行发电,未来重点放在建设第三代核电机组上,并开发出具有我国自主知识产权的中国品牌的第三代先进核电机组。为此,我国也在考虑第三代核电自主化依托工程,建设第三代AP1000压水堆核电机组。国家中长期科技发展规划纲要已将大型先进压水堆核电站列为重大专项。

 
44 第四代核能系统

 

  有别于核电技术或先进反应堆,第四代核能系统概念,最先由美国能源部的核能、科学与技术办公室提出,始见于19996月美国核学会夏季年会,同年11月的该学会冬季年会上,发展第四代核能系统的设想得到进一步明确; 20001月,美国能源部发起并约请阿根廷、巴西、加拿大、法国、日本、韩国、南非和英国等9个国家的政府代表开会,讨论开发新一代核能技术的国际合作问题,取得了广泛共识,并发表了九国联合声明。随后,由美国、法国、日本、英国等核电发达国家组建了第四代核能系统国际论坛(GIF,拟于2-3年内定出相关目标和计划;这项计划总的目标是在2030年左右,向市场推出能够解决核能经济性、安全性、废物处理和防止核扩散问题的第四代核能系统(Gen-IV)。

  第四代核能系统将满足安全、经济、可持续发展、极少的废物生成、燃料增殖的风险低、防止核扩散等基本要求。

  目前,世界各国都在不同程度上开展第四代核电能系统的基础技术和学课的研发工作。

  第四代核电能系统包括三种快中子反应堆系统和三种热中子反应堆系统:钠冷快堆系统,铅合金冷却快堆系统,气冷快堆系统,超高温堆系统,超临界水冷堆系统和熔盐堆系统。

 
5.核电安全原则的制定与保障问题   
 
核电安全是公众最关注的一个问题。这节介绍核电安全原则与保障问题。首先,必须通过科学技术进步,不断地提高和完善核电站的所谓“本质安全水平”,也就是不要靠人,因为人是最容易犯错误的,而是靠核电站本身的设计和设施来杜绝事故发生。其次,必须切实加强核电产业在全产业环节上的安全设计与监管。由于近60年的科学技术进步,现在核电站的安全是有保障的
 
 5.1 安全原则:质量第一,安全第一

 

  核实施的安全性依靠设置在危险的分数线产物与公众之间的一系列屏障来保证。为了保护核电站工作人员和核电站周围居民的健康,核电站必须始终坚持质量第一,安全第一的原则。 核电站的设计、建造和运行均采用纵深防御的原则,从设备、措施上提供多等级的重迭保护,以确保核电站对功率能有效控制,对燃料组件能充分冷却,对放射性物质不发生泄漏。纵深防御原则一般包括五层防线,即第一层防线:精心设计、制造、施工,确保核电站有精良的硬件环境。建立周密的程序,严格的制度,对核电站工作人员有高水平的教育和严格的培训,人人注意和关心安全,有完备的软件环境。第二层防线:加强运行管理和监督,及时正确处理异常情况,排除故障。第三层防线:在严重异常情况下反应堆正常的控制和保护系统动作,防止设备故障和人为差错造成事故。第四层防线:发生事故情况时,启用核电站安全系统包括各外设安全系统加强事故中的电站管理,防止事故扩大保护反应堆厂房安全壳。第五层防线:万一发生极不可能发生的事故并伴有放射性外泄启用厂内外应急响应计划努力减轻事故对周围居民和环境的影响。

  按照纵深防御的原则,目前的设计在核燃料和环境外部空气之间设置了四道屏障。即第一道屏障:燃料芯块核然料放在氧化铀陶瓷芯块中,并使得大部分裂变产物和气体产物95%以上保存在芯块内。第二道屏障:嫌料包壳,燃料芯块密封在铅合金制造的包壳中构成核燃料芯棒错合金,具有足够的强度且在高温下不与水发生反应。第三道屏障:压力管道和容器冷却剂系统将核燃料芯棒封闭在20cm以上的钢质耐高压系统中避免放射性物质泄漏到反应堆厂房内。第四道屏障:反应堆安全壳用预应力钢筋混凝土构筑壁厚近100cm,内表面加有0.6cm的钢衬,可以抗御来自内部或外界的飞出物,防止放射性物质进入环境。

 
52 完备的安全系统

  核电站配置的外设安全系统主要有以下几个方面:

  隔离系统,用来将反应堆厂房隔离开来,主要有自动关闭穿过厂房的各条运行管道的阀门收集厂房内泄漏物质将其过滤后再排出厂外。

  注水系统,在反应堆可能失水时,向堆芯注水,以冷却燃料组件避免包壳破裂,注入水中含有硼,用以制止核链式反应。注水系统使用压力氮气,在无电流和无人操作情况下在一定压力下可自动注水。

  事故冷却器和喷淋系统,用来冷却厂房以降低厂房的压力。在厂房压力上升时先启动空气冷却(风机换热器)的事故冷却器;再进一步可以启动厂房喷淋系统将冷水或含翻水喷入厂房,以降热和降压。

  以上所有安全保护系统均采用独立设备和冗余布置,均备有事故电源,安全系统可以抗地震和在蒸汽空气及放射性物质的恶劣环境中运行。核电站运行人员须经严格的技术和管理培训,通过国家核安全局主持的资格考试,获得国家核安全局颁发的运行值岗操作员或高级操作员执照才能上岗,无照不得上岗。执照在规定期内有效,过期后必须申请核发机关再次审查。

  万一发生了核外泄事故, 应启动应急计划。应急计划的内容主要包括:疏散人员,封闭核污染区(核反应堆及核电站),清除核污染,以保证人身安全和环境清洁。

 
53 核电站选址至关重要

  核电站的选址必须非常慎重,要求特别高,绝对不能掉以轻心。通常国际核电站选址遵循四大原则:经济、技术、安全、环境和社会,后面三个原则有着密切的相互联系。从核安全的角度来看,核电站选址最关键,必须考虑到公众和环境免受放射性事故释放所引起的过量辐射影响,同时要考虑到突发的自然事件或人为事件对核电厂的影响,所以,核电站必须选在人口密度低,易隔离的、与经济发达地区的相对偏远地区,厂址深部必须没有断裂带通过,而且要求核电站数千米范围内没有活动断裂,厂址100千米海域、50千米内陆,历史上没有发生过6级以上地震,厂址区600年来也没有发生6级地震的构造背景。

但是,日本核电站选址和布局存在上述严重问题。早在2004年《日本时报》(英文版)刊发美国地震学家莫雷特(Leuren Moret)的一篇特稿,分析指出:日本列岛坐落在环太平洋火山带上,这是一个环绕南北美洲、亚洲和东南亚列岛的火山活跃带和大地构造带。由于太平洋构造板块及其他几个板块的向西移动,导致其向亚洲板块之下俯冲,从而会在这一带引发大地震和火山活动。日本处于四个地质板块的交界处,是俯冲带的边缘,也是全球构造运动最活跃的地区。海底板块的剧烈运动所产生的超高压力和温度,造成了日本的火山爆发。特别强调:“尽管如此,日本还是像全世界不少国家一样——这些国家和地区百分之八十五把核电作为主要的能源供应。事实上,日本已成为全球核电三巨头之一。美国2000年经能源部(DOE)确认的核反应堆为118座,法国为72座,而据200312月日本内阁发布的白皮书确认,日本已在运行的核反应堆为52座。这52座核反应堆——占全日本总发电量的百分之三十多——修建在跟加利福尼亚面积相当的范围内,而且为了利用海水冷却,几乎全部建在沿海地区,相互之间的距离多数不超过150公里。最令人担心的是,反应堆选址一直存在问题,大多数错误地选在活性断层,更严重的是竟然选在太平洋沿岸的俯冲带上,这一带经常发生里氏7—8级甚至更高级别的大地震。日本大地震的平均周期不足十年。日本这个全球第三的核电国家,其危险的地质条件却是全世界绝无仅有。”神户大学的地震学家和教授石桥克彦曾经说:一想到这些情况,我就提心吊胆。他说:这就像是一架载着炸弹的神风特攻队飞机,说不定什么时候就会爆炸。

由此可见,对日本核电而言,问题不在于会不会发生核灾难,而在于核灾难将在什么时候发生。就像前苏联在切尔诺贝利核灾难之后一样,日本也将成为世代人遭受核辐射病折磨的国家。农业地区的广泛污染也将造成公众健康方面的灾难。国民经济将遭受不复之劫。但是遗憾的是,专家的忠告并没有得到应有的重视,终于酿成现在的大祸。这个教训非常深刻,必须引起世界各国的高度重视

  同时,由于核电站运行中产生了巨大热量,核电站的选址必须靠近水源,最好是靠海,这也是大型核电站都建在海边的一个重要原因,并且靠海还可以解决大件设备运输问题。万一发生危险,在平的海岸线和放射物均匀发散的情况下,污染陆地面积只是完全在内陆的一半。但是建在海边有利的同时也多出一个风险,就是海啸或者台风带来大浪的可能。通常会建设防波堤来抵御巨浪的冲击。但是防波堤只能抵御一定程度的冲击,如果是比较大的海啸的话,像日本这次17多米高的排山倒海的海啸,防波堤无能为力的,不可避免产生十分严重的后果。2011311日日本9级大地震及海啸导致核泄露就是一例。

  从上述来看,内陆地区核电选址要更加特别慎重,因为内陆地区的水源全部为淡水,并且几乎所有的大江大河都直接向周边城市供应生活用水,在这种情况下建设核电站,一旦发生泄漏事故,后果不堪设想。

 
6.核电的优势与风险问题
 

目前,全球近90%的一次能源消费依赖石油、天然气、煤炭三大化石型能源。大量使用煤、石油等化石燃料所引起的环境问题越来越引起各国人们的关注和忧虑,所以世界各国都在竭力发展洁净能源,以替代化石燃料,目前洁净能源类型包括核电、风能、太阳能、水电、地热能等。如何寻求在传统能源价格上涨趋势中可替代性的新能源,已是各主要能源消费大国的战略任务。人们逐渐认识到唯有核能是最有发展前景的高效的洁净能源。

 

61 核电的优势

首先,核能发电不会造成空气污染,因为它不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中。

 其次,核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍,故核能电厂所使用的燃料体积小,运输与储存都很方便,一座一百万千瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料,一次航行的飞机就可以完成运送。  4.

第三,核能发电的成本中,燃料费用所占的比例较低,核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响,故发电成本较其他发电方法为稳定。

总之,核电凭借资源丰富,环境污染低,已成为国际能源领域投资热点。据国际研究机构的预测,到2030年全球的核电发电量实现翻倍。美国能源部2007年宣布,美国在未来2年内将兴建32座核能发电厂;俄罗斯计划在2020年前建造40台核电机组;英国于20081月决定恢复建设核电站;我国计划到2020年,核电运行装机容量争取达到4000万千瓦,据国家能源局表示正考虑调整为7000万千瓦或以上。

 

62 核能的风险(缺点)问题

第一, 核安全最令人担心。核能电厂会产生高低阶放射性废料,或者是使

用过之核燃料,虽然所占体积不大,但因具有放射线,故必须特别慎重处理。一旦出现核泄露事故,例如,日本福岛核电站的核泄漏,其辐射量已经相当于国际评价标准的6级甚至更高。此次事故的规模已经超过了被评为5级的美国三里岛核事故,局部地区土壤受污染的程度已经达到被评为7级的前苏联切尔诺贝利核电站事故的水平,包括土壤中发现了剧毒的钚燃料等,有报道福岛耕地受污染或今年不再适宜农民种水稻了。今后福岛核电站周边的土地恐怕在很长时间内都无法使用。同时,由于福岛核电站使用的燃料比切尔诺贝利核电站多,而且有反应堆使用了含有高毒性的钚核燃料,因此福岛核电站事故可能会比切尔诺贝利带来更严重的后果。目前核电站的情况仍很难预测,由于曾出现化学爆炸和火情,日本福岛第一核电站1号、2号和3号机组的状况令人担忧,同时,整个核电站的状况也仍然不稳定,并且这种状况可能会持续数周或数月。由于此次福岛第一核电站事故非常复杂,目前很难确定事故何时才能处理完毕。此次事故处理可能长期化。如内阁官房长官枝野幸男在新闻发布会上明说,核电站形势依然不可测,化解危机可能耗时长久。

第二,         目前核能发电厂热效率较低,因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏,故核能电厂的热污染较严重。

第三,         核能电厂投资成本太大,电力公司的财务风险较高。

第四,         核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。 第五,兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。 第六,核电厂的反应器内有大量的放射性物质,如果在事故中释放到外界环境,会对生态及民众造成伤害。

     以上问题已经引起了全世界民众的高度关注,一方面必须从科学和工程上全面妥善地解决,首先需要对核电站在所有合理的预测、想象和已经发生的事故下,逐一重新评估已经考虑过的问题,以确保万无一失。另外一方面,必须向公众及时通报完整的信息,并接受公众的质询和合理建议,使相信核电站能够也一定会采取各种可能的手段来确保公众的健康和安全,绝对不会受到放射性的伤害。像日本这次核泄露方面的情况通报不够充分,有的数据还有错误,这引起日本和世界公众的普遍担忧和批评。各国都必须接受这个深刻的教训!提高千万倍警惕!!

 

主要参考文献

[1] 雅克.勒克莱尔(Jacqes Leclercq)著,常叙平编译,“当今核时代”(The Nuclear Age),北京:海洋出版社,1994

还参考了网上和电视台的新闻报道。在此一并深表感谢!

 

 



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