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核电简介
来源:李自淳   时间: 2015-11-23    字体大小[]

1.前言

人类的能源供应主要靠电力,电力的来源分为水电和火电。水电受气候影响很大,故火电是必不可少的。传统的燃煤火电越来越不适应现代社会的要求,不但煤矿在地球上的储量有限,而且燃煤对大气和环境的污染也不可接受。一台30万千瓦的火电机组每天要烧2000多吨煤,烧成的CO2SO2等有害气体排放大气,烧后的煤灰堆放要占土地。而同样千瓦的核电机组,每14个月只要换几百公斤核燃料,就能连续发电一年多,运行中不装料不排污,“不吃不拉净干活”(核电站的“烟囱”是不冒烟的,只排放少量气体)。

过去一提到“核电”,人们马上会联想到可怕的原子弹和核辐射,谈虎色变。现在经过科学家和工程技术人员的长期努力,核电的安全性已有足够可靠的保障。所以说核电是一种强大、可控、清洁而又足够安全的能源,值得大力发展。

2.核电的原理是什么

原子反应分为裂变和聚变,具体表现于原子弹和氢弹。虽然聚变氢弹试验成功已有50多年,而且聚变的原料更丰富低廉,生成物更清洁,能量更巨大,但和平利用的工程更复杂。虽然世界上早就在大力试验研究和平利用聚变能源,但真正到商业应用还有几十年距离。目前世界上所有的核电站全部是裂变原理,核电能量的来源与“原子弹”相同,即依赖于铀U235“裂变”放能。U235核受中子轰击会分裂成2个较轻的原子核,同时放出23个中子及巨大的能量。放出的中子继续轰击其他 U235,引起更多U235的裂变,这样像滚雪球一样,参加裂变的U235及放出的中子越来越多,引起“链式反应”。当然中子也会被吸收或离散而消失,所以产生链式反应也是有条件的,这条件就是“临界条件”。最简单的“临界条件”是整块U235的体积必须大于“临界体积”。原子弹中有两块U235 ,各自的体积均小于临界体积,所以平时不会引起链式反应而爆炸。到需要攻击时先引爆一个火药雷管,利用火药爆炸产生的气压把两块U235合成一块,其体积超过了临界体积,就引起链式反应,瞬间放出巨大的能量而爆炸。

3.核电的能量为何能缓慢受控释放而不爆炸

核电反应堆的U235浓度远低于原子弹(约为1/30),而且核燃料中插了许多镉(Cd)控制棒,周围还有大量的硼(B)水,它们对中子都有强烈的吸收作用。

反应堆的核燃料U235装量是大于临界体积的,但如镉棒插到底,则因其大量吸收中子,加上硼水的吸收,使链式反应终止。要想起堆,应将硼水稀释到一定浓度,然后把镉棒稍稍上提,就能慢慢开始链式反应。只要精确地控制镉棒的插入深度,就能控制反应的强度(即链式反应的输出功率),使能量缓慢受控释放而不爆炸。一旦发生紧急事故,保安装置会使镉棒靠自重迅速下落到底,全部插入反应堆中,吸收大量中子,使反应立即自动停止,避免事故扩大。

4.核电站是如何利用原子能来发电的

核电站是利用反应堆所产生的热能来发电的动力设施,它分为“核岛”和“常规岛”两部分,这“岛”可以理解为“车间”。“核岛”的中心是反应堆,代替火电厂的锅炉。目前世界上核电站常用的反应堆有压水堆、沸水堆、重水堆、改进型气冷堆和快堆等,用得最多的是“压水堆”。因这部分有放射性,故对工作人员和设备均有特殊要求。其他如汽轮机、发电机和变压器等设备和一般火电厂相似,而且不带放射性,所以按常规要求处理。所不同的是核电站的新蒸汽是饱和汽,而不像火电厂是过热汽。所以同等功率下的蒸汽流量大,管道粗,汽缸大;而且饱和汽一膨胀就析出水分,要增设庞大的“汽水分离器”。“常规岛”的其他设备与一般火电厂相似,只是要求可靠性更高。

下面以秦山1号机为例来说明:压水堆核电站发电的流程见附图。反应堆的堆芯里装满核燃料(其中插有控制棒),反应堆发生链式反应后即放出能量转化为热量。为了冷却堆芯,把整个堆芯泡在流水(硼水)中,有专门的高压主泵打水循环,核反应的热量使水温升高。因为这部分水(叫一回路水)接触核燃料,带有放射性,不能流向汽轮机做功发电;必须通过一个叫“蒸发器”的热交换器,通过金属表面的传热,把热量传递给“二回路水”,将其加热成蒸汽。由于蒸发器的隔离,使二回路的水和蒸汽不含放射性,可以通向汽轮机,推动汽轮机旋转,带动发电机而发电。汽轮机的排汽经海水冷却凝结成蒸馏水,经给水泵加压重新循环到蒸发器再次加热成蒸汽,如此循环不已。因为经过一回路高压水的传递,核反应的热能就可产生二回路蒸汽用于发电,所以叫做“压水堆”。

5.核电站的安全有保障吗

前苏联切尔诺贝利核电站的事故造成严重核泄漏,使人们惊魂未定。当时用的反应堆是“石墨堆”,即用石墨做中子缓冲剂, 这种堆型安全程度不高,再加上运行管理的混乱,才酿成灾祸。现在“石墨堆”早已淘汰,“压水堆”是当今最安全的堆型,有三道安全屏障

5.1燃料包壳

核燃料是UO2,做成直径约1厘米的小圆片,好像人们吃的药片。把它们装入约3米长的锆(Zr)合金细管并加封焊,这就是燃料包壳,是防止核泄漏的第一道屏障。

5.2压力壳

把一根根锆管组成的燃料棒组合成燃料组件,再把燃料组件组合成堆芯,包括其中插入的镉控制棒,一起装入一个厚重合金钢制的罐状压力容器。这是能承受219个大气压和三、四百度C高温冲击的牢固的密闭容器,叫压力壳,是防止核泄漏的第二道屏障。

5.3安全壳

把上述压力壳、主泵、蒸发器等“核岛”的关键部件全部密封在一个二十层楼高的、直径36米的钢铁混凝土“大厦”内,这个“大厦”内衬厚钢板,外浇1米厚的钢筋混凝土,叫安全壳,是能耐受地震、海啸和喷气式飞机撞击的牢不可破的第三道屏障。

有了这三道屏障,再加上严密、完善的管理系统,完全可以保障核电站的安全运行。事实上我国自行设计、建造和运行的第一座核电站,秦山核电站1号机,从19911215日首次并网发电以来一直安全运行,换料周期长达14个月,已跨入国际安全先进行列。

6.核废料如何处理

已在反应堆内燃烧完而不能继续使用的核燃料称为“乏燃料”(俗称“核废料”),它本身仍然含有可裂变物质,并伴有高度的放射性。根据我国的核产业政策,乏燃料将进行“后处理”,从中提取可裂变材料。为配合这一政策,刚从堆内卸出的核燃料组件必须存放在专门的乏燃料存储水池内,沉没在6米深的水底就没有危险,保证乏燃料得到足够的衰变与冷却时间。在经过一段时间的存放后,最终将乏燃料及其核责任转移给后处理部门,不准随便丢弃。

7.核电的安全等级

世界上根据核电的安全性和经济性把它分为4代。第一代是美国和前苏联在上世纪5060年代建的试验示范型核电站,早已淘汰。目前世界上运行的基本都是第二代及其改进型,有足够的安全性。但经过日本福岛核电站的事故,暴露出在极端情况下还是会出现堆芯熔化和辐射物释放的严重后果。所以现在已经制定出第三代的设计标准。分美国AP1000和欧洲EPR两种方案。其安全程度比第二代提高100倍。我国和美国西屋公司合作引进AP1000技术,在中国浙江三门建成了世界上第一个第三代AP1000核电站,比美国超前了两年半。即将建成的山东海阳核电站和广东台山引进的法国EPR核电站也都是第三代的。

但是美国和欧洲的第三代核电“太大、太复杂、太贵”,一般国家用不起。我国自主设计的第三代核电技术“华龙一号”既安全又便宜,已经通过国家的设计审查并在福建省福清核电站56号机开工建设。通过引进、消化、吸收和再创新,我国企业基本掌握了先进的第三代核电技术,并自主开发了国际领先的具有第四代特征的高温气冷堆技术,其示范工程在山东石岛湾核电站进展顺利。

8.我国核电发展的现状和前景如何

我国核电起步较晚,大陆首台核电机组于1994年才正式运行。但我们立志“科技强国”,走高科技发展道路,迅速赶上和超过了国际先进水平。除了早期的秦山123期和海南昌江核电站外,其他基本均为“百万机组”,即发电机容量在一百万千瓦左右,如深圳大亚湾和扩建的岭澳、浙江三门、江苏田湾、福建福清和宁德、秦山扩建方家山、山东海阳、辽宁红沿河、广西防城港等核电站。到20153月底为止,中国大陆投入运行的共有23台核电机组,总装机容量达2139.5万千瓦。占全国发电总装机容量的2.2%

2015年我国在建核电总容量世界第一,共有29台机组,总容量3126.5万千瓦。自主机组国产化率超过85%

中国核电技术已经成熟,21年来,大陆所有核电机组,包括出口巴基斯坦的恰斯玛核电站运行全部安全正常。中国自己研制的二代改进和三代新技术核电站价廉物美,有很大的出口潜力。

中国已将“大力发展核电”作为基本国策之一,到2020年将建成4000万千瓦以上的核电机组,在建机组超过1800万千瓦。让核电之花在中国大地绚丽盛开!

 
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