核能發(fā)電的特點(diǎn)及前景預(yù)測(cè)

陳國(guó)云,范杜平 (.南昌大學(xué)理學(xué)院,江西南昌 33003;.長(zhǎng)沙埃爾壓縮機(jī)有限責(zé)任公司,湖南長(zhǎng)沙 4038)

核能發(fā)電的特點(diǎn)及前景預(yù)測(cè)

陳國(guó)云1,范杜平2(1.南昌大學(xué)理學(xué)院,江西南昌 330031;2.長(zhǎng)沙埃爾壓縮機(jī)有限責(zé)任公司,湖南長(zhǎng)沙 410138)

核能發(fā)電具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全的特點(diǎn),發(fā)展和推廣核電既能確保能源的可持續(xù)發(fā)展,也能滿足環(huán)境保護(hù)的需要。近年來,核電發(fā)展取得了一定成績(jī),但其熱污染和放射污染問題仍需引起重視并采取相關(guān)的措施。

核裂變;核能發(fā)電;反應(yīng)堆

我國(guó)能源體系以燃煤為主,煤炭約占一次能源消耗的 70%。這種能源結(jié)構(gòu)不僅依賴于已存的不可再生的地下儲(chǔ)煤,也給環(huán)境帶來了很大的危害。從環(huán)境保護(hù)的角度來看,煤和石油的燃燒會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,而核能是清潔能源,無 CO2、SO2及粉塵排放。近年來,各國(guó)致力于綜合解決核電站的安全性、經(jīng)濟(jì)性、廢物處理和防止核擴(kuò)散等問題,將建成新一代先進(jìn)核能系統(tǒng)——第四代核電站[1]。本文綜述核能發(fā)電的特點(diǎn),分析了核能在發(fā)電方面亟待解決的難題,并預(yù)測(cè)了其應(yīng)用前景。

1 核電的特點(diǎn)

1.1 核電的經(jīng)濟(jì)性

核能是高度濃縮的能源,1 t鈾裂變產(chǎn)生的能量相當(dāng)于 240萬 t標(biāo)準(zhǔn)煤。核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍,故核能電廠所使用的燃料體積小,運(yùn)輸與儲(chǔ)存都很方便。構(gòu)成核能發(fā)電成本的因素很多,包括基建投資費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、燃料費(fèi)用,以及核電站退役處理費(fèi)用。核電發(fā)展初期,不僅基建投資費(fèi)用昂貴,核燃料生產(chǎn)過程復(fù)雜,需要龐大的設(shè)備,加上特殊的安全措施需要,核能發(fā)電成本較高。目前,核能發(fā)電的成本有了很大降低,但核電站退役處理的費(fèi)用遠(yuǎn)比早先預(yù)計(jì)的為高。

1.2 核電的環(huán)保性

核能發(fā)電與火力發(fā)電不同,發(fā)電過程中不需要燃料儲(chǔ)倉(cāng)、廢渣場(chǎng)地等,不直接產(chǎn)生 SO2、NOx、汞或其他與化石燃料的燃燒有關(guān)的污染物,也不直接產(chǎn)生 CO2,是清潔能源。目前,火電廠靠大量燃燒有機(jī)燃料發(fā)電,其排出的 SO2、CO2、N2O等氣體,不僅直接危害人體健康和農(nóng)作物生長(zhǎng),還導(dǎo)致酸雨和“溫室效應(yīng)”。核電站產(chǎn)生的放射性三廢,原則上回收處理存儲(chǔ),不外排。排入環(huán)境的只是處理回收后殘余的尾氣,數(shù)量甚微。只要能確保安全運(yùn)行,核電站對(duì)環(huán)境的影響是極小的,排放到環(huán)境的反射性氣體在嚴(yán)格的監(jiān)督和控制之下,周圍的居民由此受到的輻射劑量小于來自天然本底的1%。

1.3 核電的安全性

核電廠的核反應(yīng)堆不會(huì)像原子彈那樣發(fā)生爆炸。核電廠核反應(yīng)堆采用易裂變物質(zhì)做燃料,這些燃料分散布置在反應(yīng)堆內(nèi)部,任何情況都不會(huì)像原子彈那樣發(fā)生爆炸。反應(yīng)堆具有類似不倒翁的特點(diǎn),其設(shè)計(jì)具有固有的安全性,當(dāng)外界破壞了反應(yīng)堆的平衡,核能釋放太快時(shí),在一定范圍反應(yīng)堆能不靠外界的干預(yù),裂變反應(yīng)會(huì)自然終止,使反應(yīng)堆回到原來的狀態(tài)自動(dòng)停對(duì),絕對(duì)不會(huì)發(fā)生爆炸。如果海嘯、地震、熱風(fēng)暴、雷擊、洪水等自然災(zāi)害發(fā)生,反應(yīng)堆會(huì)自動(dòng)安全停閉。如果遇到核電廠附近的堤壩坍塌、風(fēng)機(jī)墜毀、重大交通事故之類的嚴(yán)重事故,反應(yīng)堆建筑物被砸時(shí),反應(yīng)堆也會(huì)安然無恙。

1.4 核電對(duì)環(huán)境和公眾的影響

正常人體能耐受一次 0.25 Sv的集中輻射而不至于遭到傷害,只有過劑量的輻射才能對(duì)人體造成傷害。參照國(guó)際輻射單位和測(cè)試委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)規(guī)定了人體每年接受輻射的限制,即從事放射性工作的人員每年接受輻射不得超過 0.05 Sv,核電設(shè)施周圍居民每年接受的輻射不得超過 0.01 Sv。因核電站所使用的反應(yīng)堆由里到外依次采用了堆芯、壓力殼、安全殼、包殼等多重屏蔽,使得就算反應(yīng)堆附近的輻射劑量也很小了,何況核電站一般建在離居民很遠(yuǎn)的荒蕪地帶。我國(guó)核電廠對(duì)公眾造成的實(shí)際輻射量比規(guī)定的限制要小得多,核電廠對(duì)人體輻射致癌的影響可以說微不足道。

2 核電亟待解決的難題

2.1 核電站的工作原理與主要堆型

核電站的主要任務(wù)是將原子核裂變所釋放的核能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。核電站中的反?yīng)堆種類很多,目前技術(shù)比較成熟且投入商業(yè)運(yùn)行使用的一般有如下幾種:壓水堆、沸水堆、重水堆和其它堆,主力堆型是壓水反應(yīng)堆[2]。壓水堆核電站主要由原子核反應(yīng)堆、一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)與設(shè)備組成。一回路系統(tǒng)也稱為核島,是將裂變轉(zhuǎn)化為水蒸汽的熱能裝置。反應(yīng)堆所產(chǎn)生核能,使堆芯發(fā)熱溫度升高,高溫、高壓的冷卻水在主泵驅(qū)動(dòng)下流進(jìn)堆芯,將堆芯中的熱量帶至蒸汽發(fā)生器。蒸汽發(fā)生器再把熱量傳遞給二回路循環(huán)系統(tǒng)中的給水,使給水加熱成為高壓蒸汽,放熱后的冷卻水又重新流回堆芯。這樣循環(huán)往復(fù)構(gòu)成一個(gè)密閉的循環(huán)回路。為了確保安全,將整個(gè)一回路循環(huán)系統(tǒng)主設(shè)備集中安裝在安全殼內(nèi)。

二回路循環(huán)系統(tǒng)亦稱常規(guī)島,由汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、凝汽器、二回路循環(huán)泵、加熱器除氧器及水箱等設(shè)備組成。二回路中蒸汽發(fā)生器的給水吸收了一回路傳來的熱量后變成高壓蒸汽,推動(dòng)汽輪機(jī),帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。做功后的廢氣在凝汽器內(nèi)冷卻凝結(jié)成水,再由給水泵送入加熱器加熱后重新返回蒸汽發(fā)生器,再變成高壓蒸汽推動(dòng)發(fā)電機(jī)做功發(fā)電,這樣就構(gòu)成了第二個(gè)密閉循環(huán)回路。二回路系統(tǒng)設(shè)備均安裝在汽輪發(fā)電機(jī)組廠房?jī)?nèi)。

2.2 核電的熱污染

從核電站的工作原理可以看出,核電站運(yùn)行時(shí)形成的熱污染問題是一個(gè)無法回避的問題。由于核電站的效率低,核電廠每發(fā) 1 kW電所釋放的廢熱要比同級(jí)燃煤電廠多 40%,這種廢熱必須轉(zhuǎn)移到環(huán)境中去,轉(zhuǎn)移的辦法可以用冷卻塔,或者利用河流、池塘或海洋。如采用水冷卻,則所需的總水量大得驚人,1000MW機(jī)組核電站冷卻水量為 28400L/s,水溫通常要升高 100℃。由于溫度升高,可能產(chǎn)生各種各樣的化學(xué)和生物學(xué)的影響。

2.3 核電的放射污染

盡管核電站在運(yùn)行過程中幾乎不產(chǎn)生 SO2和溫室氣體,但是它產(chǎn)生的放射性廢物污染始終是一個(gè)人們都關(guān)心的話題。核電站的核反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生放射性裂變和活化產(chǎn)物,一部分通過氣態(tài)途徑進(jìn)入環(huán)境,這些放射性流出物會(huì)改變當(dāng)?shù)氐乃w放射性水平,對(duì)水生物產(chǎn)生輻射劑量,還可能影響周圍的淡水資源的利用。

核電廠有嚴(yán)格的管理措施控制放射性物質(zhì)的排放。核電廠三廢排放的原則是盡量回收,把排放量減至最少。核電廠內(nèi)固體廢物完全不向環(huán)境排放,放射性活度較大的液體廢物轉(zhuǎn)化成固體的廢物也不排放,像工作人員淋浴水之類低放射性廢水經(jīng)過處理、檢驗(yàn)合格后排放。氣體廢物經(jīng)處理和檢測(cè)合格后向高空排放[3]。但目前國(guó)內(nèi)關(guān)于生物輻射影響的評(píng)價(jià)研究較少,也無相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[4]。我國(guó)人口密集,建設(shè)核電站時(shí)需考慮其對(duì)附近水體環(huán)境,尤其對(duì)居民飲用水的影響。此外,核電廠運(yùn)行過程中需加入一定量的化學(xué)試劑以滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求,因此核電廠的液態(tài)流出物中除含有放射性核素外還包括一定量的化學(xué)污染物。要處理好核電站的放射污染物,首先需要我們引起重視,其次制定相關(guān)的政策和措施,此外還要在技術(shù)上增加投入,以保證電站周圍的居民免受其害。

3 核電發(fā)展前景預(yù)測(cè)

3.1 國(guó)外核電發(fā)展

美國(guó)是世界第一核電大國(guó),目前運(yùn)行的核電機(jī)組為 104臺(tái),裝機(jī)容量達(dá) 970 G W,占世界核電裝機(jī)容量的 29%,為美國(guó)提供了 20%的電力。目前歐洲有近 135個(gè)核反應(yīng)堆在運(yùn)行,總裝機(jī)容量為125 G W,占?xì)W洲總發(fā)電量的 35%。英國(guó)面臨的能源壓力最大,目前的 12座核電站大部分建于 20世紀(jì)中期,其核電提供了全國(guó) 25%的電力份額,天然氣發(fā)電的比例為 40%。盡管法國(guó)是世界上核電占電力比例最高的國(guó)家 (約占總發(fā)電量的 80%)并向周邊國(guó)家輸出電力,但法國(guó)仍在積極發(fā)展核電,并將在2020年建成球床式反應(yīng)堆 (核電站反應(yīng)堆型)。俄羅斯近年來克服了切尓諾貝利核事故后公眾強(qiáng)烈反對(duì)核電建設(shè)的障礙,并且繼續(xù)實(shí)行其強(qiáng)大的核工業(yè)發(fā)展計(jì)劃。俄羅斯 2004年有 10個(gè)核電站的 30座反應(yīng)堆在運(yùn)行,總功率為 22.242 G W,目前核電占全國(guó)發(fā)電量的16%。

亞洲國(guó)家中,韓國(guó)是發(fā)展中國(guó)家中發(fā)展核電最成功的國(guó)家之一,核電發(fā)電量已占全國(guó)發(fā)電量的40%。從 20世紀(jì) 70年代第一個(gè)核電站建成后,韓國(guó)核電一直穩(wěn)步發(fā)展,預(yù)計(jì)到至 2015年韓國(guó)還將建12臺(tái)新的核電機(jī)組。日本能源經(jīng)濟(jì)研究院也稱2030年日本核電在一次能源中的份額將從 2004年的11%上升到 20%。印度目前核電總裝機(jī)容量為1100萬 kW,并計(jì)劃到 2020年為 2900萬 kW,到2030年為 6300萬 kW,到 2040年為 13100萬 kW,到2050年達(dá)27500萬 kW。

3.2 我國(guó)核電發(fā)展

我國(guó)發(fā)展核能具有重要的戰(zhàn)略意義,它不但能確保我國(guó)長(zhǎng)期的能源安全,維持我國(guó)的核大國(guó)地位從而確保國(guó)家安全,還將帶動(dòng)我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)及其高新技術(shù)的發(fā)展并為改善環(huán)境污染形勢(shì)作出貢獻(xiàn)。長(zhǎng)遠(yuǎn)意義上說,核能除了用于發(fā)電之外還將為交通運(yùn)輸和工業(yè)供熱 (如可用核能產(chǎn)氫和海水淡化等)提供能源,逐步取代日益短缺的石油資源。其實(shí) 30多年來我國(guó)的核電已取得令人矚目的成績(jī),然而與國(guó)際先進(jìn)水平還是有一定差距,表 1給出了已經(jīng)建成且正在運(yùn)行的核電機(jī)組。

在《2050年我國(guó)的能源需求》研究報(bào)告中,政府對(duì)我國(guó)中長(zhǎng)期能源發(fā)展形勢(shì)和前景做了全面分析,計(jì)劃屆時(shí)核電占一次能源比重將提至 12.5%,占電力總裝機(jī)容量的 20%,達(dá) 240 G W。目前我國(guó)核電發(fā)展主要瞄準(zhǔn)國(guó)際上“三代”大型壓水堆,以提高核電的安全性與經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)現(xiàn)有核電站的安全系數(shù)主要依靠人工操作保障,而新一代核電站將具有固有安全性,一旦遇到故障,反應(yīng)堆可以依靠本身的特性返回到安全狀態(tài)。

表1 中國(guó)已建成運(yùn)行核電機(jī)組

4 結(jié)語

核電站運(yùn)行時(shí)的熱污染和放射污染對(duì)周圍的水體環(huán)境和水生動(dòng)植物會(huì)產(chǎn)生輻射劑量,這些都需要引起我們重視,并制定相關(guān)的政策和措施,此外政府還要在技術(shù)上,特別是人才培養(yǎng)上增加投入,以促進(jìn)我國(guó)核電事業(yè)更快發(fā)展。巨大的核能因其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和安全性決定了其未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)具有美好的發(fā)展前景。面對(duì)核能大發(fā)展的局面,我們應(yīng)該重視人才培養(yǎng),并使民眾知情。要設(shè)法使民眾摒棄提到核能就和原子彈聯(lián)系甚至談“核”色變狀態(tài),對(duì)其合理引導(dǎo),加強(qiáng)此方面的教育。這幾年隨著我國(guó)核電站的不斷出現(xiàn),民眾對(duì)核能有所了解,但國(guó)家對(duì)核能的宣傳和核知識(shí)的普及還是必需的。

[1]林立志,楊小晶,林雷.高溫氣冷堆核電站:新型的核能發(fā)電技術(shù)[J].國(guó)際電力,2004,8(4):30-31.

[2]牛立.核能發(fā)電與我國(guó)核電事業(yè)之路 [J].電站輔機(jī),2006,96 (1):25-27.

[3]雷達(dá).核電廠與常規(guī)火電廠的比較 [J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào) (工學(xué)版),2009,42(Sup):85-89.

[4]張曉峰,田新珊,黃彥君,等.內(nèi)陸核電廠對(duì)水庫(kù)環(huán)境的影響—以咸寧核電廠為例[J].湖泊科學(xué),2010,22(2):181-188.

Characteristics of nuclear power and forecast of prospects

Nuclear power have the characteristics of econom ic,environment-pro tectal and secure,which would ensure the sustainable development of energy.In addition,developm ent and popularization of nuclear power are also dem and of environmentalprotection.Nuclear power industry had obtained great success recently years,but it’s pollution of heat and radiation exits as before.Related departments should pay more attent ion to the pollution,and further steps should be taken for controlling.

uclear fission;nuclear power;reactor〗

T M623

B

1674-8069(2011)05-048-03

國(guó)家自然科學(xué)基金(41064002);南昌大學(xué)校基金(203353)

2011-05-07;

2011-09-08

陳國(guó)云(1980-),男,湖南長(zhǎng)沙人,博士,講師,主要從事核技術(shù)及應(yīng)用研究。E-mail:cgy8008@nuaa.edu.cn