原子能发电过程与装备.doc

原子能发电过程与装备人类的能源危机从上个世纪起逐渐凸显。长期以来,人类依赖的都是煤炭、石油、天然气等化石能源。核能的开发利用是现代科学技术的一项重大成就，和平、安全利用核能是人类文明进步的一种标志。一、核能概念从 20 世纪 40 年代原子弹的出现开始，核能就逐渐被人们所掌握，准确地说，“原子能”应该是化学能。比如燃烧煤、石油或天然气所获取的就是“原子能”，因为这种能量是可燃物质通过燃烧这一化学反应所释放的能量。化学反应过程仅仅是使一种或几种物质的分子结构在反应中变成了另外一种或几种物质的分子结构，即由一种或几种物质变成了另外一种或几种新的物质，并未涉及到原子的变化。而核能则是原子核通过核反应，改变了原有的核结构，由一种原子核变成了另外一种新的原子核，即由一种元素变成另外一种元素或者同位素，由此所释放出的能量。核能被广泛运用于工业、军事等领域。二、核能发电核电是核能发电的简称，是利用核能发电产生的电能。利用核能发电有利于优化国家或区域能源结构，提高能源安全性和经济性，在经济社会发展中发挥着越来越重要的作用。“福岛危机”引发了全球热议，对于核电是否应该存在展开了激烈的讨论，尽管每个事物都存在两面性，但是人们对于核电的魔鬼那一面还是难以承受的，但是，就目前而言，人类又十分享受来自作为天使的核电带来的福利。2011年7月，日本首相提出争取建立一个不依赖核电的社会，这是日本首次提出“去核电化”方针。从二战过后，好多国家陆续加入不持核的阵营。德国就在“福岛危机”后明确宣布“将在2022年前完全关闭境内所有核电厂”，成为首个宣布完全废除核电的主要工业国家。2011年 6月6日，大陆国家原子能机构主任陈求发在出席国际原子能机构理事会会议时表示，和平利用核能、提高清洁能源比重是中国能源发展战略的重要内容，中国主张在确保安全的前提下继续发展核电。1、 核能发电的益处1.1 核电是解决资源分布不均、能源短缺的重要途径 我国的煤、石油、水、天然气等资源储藏量虽然丰富，居世界前列，但是，由于人口众多，人均占有量却远远低于世界平均水平，电力资源开发利用问题尤为突出。同时，我国用来发电的煤炭和水力资源分布极不均衡。大约有70%煤炭资源集中分布在山西、陕西、内蒙古等中部地区，而我国经济活动最活跃的东南沿海地区则能源资源奇缺。要想解决电力资源的利用分布不均问题，只有两个办法，即北煤南运、西电东送，这在经济上是很不合算的，在技术上的难度也是较大的，长距离的能源资源运输给能源的有效利用造成了重重困难。而如果利用核能发电，核电厂燃料的运输很小，就不存在上述问题，并且核电的发电成本远远低于烧煤电厂的发电成本。从国家电力行业持续发展能源可能提供的条件出发，利用核能发电是解决我国资源分布不均、能源短缺、节省资金的重要途径。1.2 核电不会产生酸雨和温室效应 地球上的绿色能源比例较低，人类对能源的大量开发利用对生态平衡造成了严重的破坏。中国是除美国外的第二大能源消费国。在世界能源总消耗量中，中国的煤炭消耗占27.9%，而煤炭的76%又是被作为发电的能源。利用煤炭最直接的危害，是燃料燃烧时产生的二氧化碳和二氧化硫溶于天空中的水汽会形成“酸沉降”，使土地和湖泊酸化，造成庄稼减产、森林枯萎、水生动物死亡；烧煤产生的酸雨和温室效应威胁着人类和其他生物的生存。核电站自身不排放温室气体，考虑到它在建造和运行中所用的材料，其燃料链温室气体的排放系数约为13.7等效CO2克/千瓦时，水电燃料链为107.6等效CO2克/千瓦时。可见，核电站向环境释放的温室气体，只是同等规模煤电厂的百分之一。所以，为了减轻环境压力，保护我们的生存条件，保持我国经济的可持续发展，寻求对环境不会造成污染的核电代替煤炭和水电发电是非常重要的。1.3 核电的经济性核电的发电成本由运行费、基建费和燃料费三部分组成。核电站的运行费和火电站差不多，但核电站运行可靠，每年利用小时最高达8000小时，平均约为6000小时。实践证明，核电站的基建费虽然高于火电，但燃料费要比火电低得多，而两者的运行费又相差不多，所以折算到每度电的发电成本，核电已普遍低于火电约1550%。火电的燃料费约占发电成本的4060%，而核电只占2030%。同时，火电厂的发电成本受燃料价格的影响要比核电站大得多。1.4 核电的安全性核电用的核反应堆不会像原子弹哪样爆炸。核电厂核反应堆的结构和特性与原子弹完全不同，发电用的反应堆采用低浓的易裂物质作燃料，这些燃料分散布置在反应堆内部，任何情况下都不会向原子弹那样发生爆炸。反应堆具有类似了反应堆的平衡，核能释放太快时，在一定范围反应堆能不靠外界干预，裂变反应会自然终止，使反应堆回到原来的状态自动停堆，绝对不会发生爆炸。如果海啸、地震、热风暴、雷击等自然灾害发生，反应堆就会自动安全停闭；如果遇到核电厂附近的堤坝坍塌、飞机坠毁、重大交通事故之类的严重事故，反应堆建筑物被砸时，反应堆也会安然无恙。 2、核能发电的弊端有些核物理学家在四十年前夸称核能发电是世界上最清洁,最便宜,而且取之不尽,用之不竭的能源。但是近几十年来,核能发电的经验却告诉我们一个完全相反的事实,并且有许多原先没有预计到的严重缺点都一一显露了出来。2.1 从环境污染的观点来看核能发电是地球上最肮脏的工业。以一座1000兆瓦发电量的电厂来说,它每年将产生30吨含有高辐射的核废料。其中最具毒性的杯239约300公斤,约半斤的杯239就可使全球50亿人口受到辐射中毒,其毒性之烈是十分明显的,且其辐射性半衰期长达24,000年。目前绝大部分的核能电厂,对核废料均提不出一套妥善的处置方法,只能储积在厂旁,留给子孙后代去负责清理。少部分国家,如英国、日本等不顾公义,无视全球人民的遣责与反对,将核废料丢弃在公海中,危及广大海域的清洁。专家们曾研究将废料再制提炼出一部分有用的核燃料后,再把终极废料埋葬于地质稳定性超过百万年的深矿里。由于这些废料具有腐蚀性,且会不断地发热,科学家也开始担心原本预定作为埋藏处所的盐矿,由于外来因素的干预而破坏原有的稳定性。并且埋藏时间要达到数十万年之久,对于人文活动变化万千的人类而言,数百年或数千年的记载已不可考,更惶论如何确保关于这些废料的资料的储藏。核能电厂营运过程中,不断排放出辐射性物质,对人类的健康将构成极大的威胁。从核燃料的制造开始,铀的采矿,提炼浓缩,一直到反应炉的运转,不断产生并排出百余种辐射物质,其中铭90、艳137、碘131、碘129、氛85、铁59、锌65等对人类健康危害最大,这些物质产生的辐射,将导致癌症、白血病以及基因突变。戈夫曼及坦普林曾做过研究,并建议美国原子能委员会将170毫拉德的辐射最大容许剂量降低为17毫拉德,不然每年将增加32,000名癌症死亡病人,以及巧0万的基因病变。伯特尔以1963至1975进行核能电厂建厂前后,对威斯康星州低出生重量婴儿死亡率的统计,发现核能电厂建造后,暴露在辐射区的州平均婴儿死亡盈值数,由5%上升到28%。日本京都大学遗传学家石川佐田教授1974及1975年进行了核电厂辐射物质对TradesCantia雄蕊须的突变之研究证实了,即使是低度辐射,对基因仍然可以造成极大的影响而导致病变。2.3 从生态的观点来分析核能电厂在所有发电设施中对生态环境之冲击也最大。除了生物界长期遭受辐射污染所造成的死亡或伤害外,电厂排放出的废热,同样严重地伤害生物界。一部核能电厂反应炉所排放的废热,高达本身发电量的二倍多。以水作冷却媒体,可使附近水域的温度增高数度,而邻近数十平方公里的水域生态将完全遭受破坏。台湾北部核能一、二厂和南部恒春的核三厂,对沿海渔业造成很大的冲击。南湾的珊瑚也因遭受到废热水的伤害而大量死亡。 2.4 从安全的角度看核能电厂营运所冒的风险比其他传统能源设施要高得很多。由于操作人员的疏忽或错误,以及控制设施和安全系统的失常,可以使核能电厂的反应炉发生熔炉现象而导致辐射物质外泄。美国原子能委员会在1964年WASH一740修正报告中,曾经警告过核能电厂事故灾害的严重性。以200兆瓦的电厂为例,如发生灾害,可能使43,000人立即死亡,10万人受伤害,造成170亿美元的财务损失,辐射污染所波及的面积将有宾夕法尼亚州那么大(n万平方公里)。即使象欧洲及美、日这些具有长久核能发电经验的国家,反应炉意外的事件仍然不断地发生。以美国境内为例,每年反应炉发生的大小意外事故约达3000次。最严重的一次是1979年3月28日宾州三涅岛事件。虽然只损坏了20%的炉心,但五、六年来已耗费了10亿美元,而厂内辐射污染清除和维护的工作尚在进行。匹兹堡大学辐射物理学家欧内斯特斯特恩格拉斯曾对该意外事故后辐射外泄对邻近各州婴儿死亡率造成的影响进行了调查,发现宾州、纽约州和马里兰州的婴儿死亡率有明显的提高。宾州哈里斯堡儿童甲状腺病例,事故后约增高了10倍。2.5 从价格的角度看有人认为核能是最低廉的发电能源。但是这些年来,事实告诉我们并非如此。一座核能电厂的平均寿命为30年,使用完后尚需进行除役的工作。日本核能电厂若将除役的经费改为建厂经费的17%(目前为10%),则核能发电成本就高于火力发电成本。核能电厂废厂的除役,其费用很难精确计算,不同大小的电厂亦不成比例,以1000兆瓦压水式反应炉为例,包括埋葬、封存、迁移要费100一18()年之久,总费用可与建厂的费用相同。1984年,在美国核能发电的营运成本就已超过燃煤发电,如果再加上早期核能开发研究等成本,利用核裂变原理的核能发电,已逐渐失去它的经济价值。过去几年中,全世界放弃原定建厂计划而取消订单,或放弃建造中的核电厂而改建其他燃煤设施者共达144座。核能工业的开发已有重新检讨的必要了。 三、核电站核电站是利用原子核裂变或聚变反应所释放的能量来生产电能的发电站。目前，商业运行中的核电站都是利用核裂变反应来发电。核电站一般分为两部分：利用原子核裂变产生蒸汽的核岛（包括反应堆装置）和利用蒸汽发电的常规岛（包括汽轮发电机系统）。核电站使用的燃料一般是化学元素铀和钚。目前运行和在建的核电站类型主要是压水堆核电站、重水堆核电站、沸水堆核电站、快堆核电站、气冷堆核电站等。压水堆核电站是使用加压轻水作冷却剂和慢化剂，且水在堆内不沸腾，利用热中子引起链式反应的热中子反应堆，我国大亚湾核电站、岭澳核电站、秦山第一核电站、秦山第二核电站和田湾核电站均属这种堆型。重水堆核电站使用轻水作冷却剂、重水作慢化剂，且水在堆内不沸腾，同样是利用热中子引起链式反应的热中子反应堆，我国秦山第三核电站属于这种堆型。沸水堆核电站使用轻水作冷却剂和慢化剂，但水在堆内沸腾，利用热中子引起链式反应的热中子反应堆，日本福岛第一核电站属于这种堆型。快堆核电站是由快中子引起链式反应所释放出来的热能转换为电能的核反应堆，我国从俄罗斯引进的、将建在福建三明的核电站属于这种堆型。气冷堆核电站是以气体（二氧化碳或氦气）作为冷却剂，由热中子引起链式反应的热中子反应堆，到目前为止发展了天然铀石墨气冷堆、改进型气冷堆和高温气冷堆等三种堆型，我国将建的石岛湾核电站属于高温气冷堆。我国运行和在建的核电站主要是压水堆核电站。压水堆核电站一般有三个回路：一回路（反应堆装置）、二回路（汽轮发电机系统）和三回路（循环水系统）。核燃料在反应堆中发生特殊形式的“燃烧”，产生热量来加热一回路的冷却剂，被加热的冷却剂在主泵的推动下进入蒸汽发生器，加热二回路的水，使之变成蒸汽，然后又被主泵送回堆芯重新加热。这样不断循环称为一回路。蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机做功发电，然后进入冷凝器，冷却成水返回蒸汽发生器，这样的汽水循环过程称为二回路。三回路使用海水或淡水，它的作用是在冷凝器中冷却二回路蒸汽使之变回冷凝水。为了保证核电站的安全，在设计上还考虑了很多安全设施，包括：自动停堆系统、反应堆超压保护系统、应急堆芯注硼系统、应急堆芯冷却系统、应急给水系统、放射性物质包容系统及与之配套的应急供电和冷却通风系统等。2011年3月11日，日本福岛核电站安全系统执行了相关功能，比如，自动停堆、应急柴油发电机组启动等，但是由于发生了9级地震和海啸，相关系统由于水淹不可用而出现了全厂断电和丧失最终热阱。根据我国核安全法规和国际原子能机构的建议，我国核电站的设计、建造和运行过程都严格贯彻“纵深防御”的原则，从设备、措施等方面提供多层次的重叠保护，确保放射性物质能有效地包容起来而不发生泄漏。“纵深防御”包括以下五道防线：精心设计、精心施工，确保核电站的设备精良和安全培训；加强运行管理和监督，及时排除故障；设计提供多层次安全系统和保护系统，防止设备故障和人为差错酿成事故；启用核电站安全系统，加强事故中的电站管理，防止事故扩大化；启动厂内外应急响应计划，努力减轻事故对周边居民的影响。 四、发展的前景随着国际能源供应形势日趋紧张，为了满足电力需求的快速增长和更好地保护环境，核能发电再次引起各国的兴趣。国际权威机构预测，在未来25年中，全球将兴建90座至300座1600兆瓦的反应堆，迎来核电站建设的新高峰期。美国、法国等国的核电技术比较成熟，市场机制培育较为充分，而且大多是核电大国，它们对待核电的态度在很大程度上影响到世界核电的发展趋势。为了减少对传统能源石油、天然气的依赖，美国搁置