核能发电的特点及前景预测

陈国云,范杜平 (.南昌大学理学院,江西南昌 33003;.长沙埃尔压缩机有限责任公司,湖南长沙 4038)

核能发电的特点及前景预测

陈国云1,范杜平2(1.南昌大学理学院,江西南昌 330031;2.长沙埃尔压缩机有限责任公司,湖南长沙 410138)

核能发电具有经济、环保、安全的特点,发展和推广核电既能确保能源的可持续发展,也能满足环境保护的需要。近年来,核电发展取得了一定成绩,但其热污染和放射污染问题仍需引起重视并采取相关的措施。

核裂变;核能发电;反应堆

我国能源体系以燃煤为主,煤炭约占一次能源消耗的 70%。这种能源结构不仅依赖于已存的不可再生的地下储煤,也给环境带来了很大的危害。从环境保护的角度来看,煤和石油的燃烧会造成严重的环境污染,而核能是清洁能源,无 CO2、SO2及粉尘排放。近年来,各国致力于综合解决核电站的安全性、经济性、废物处理和防止核扩散等问题,将建成新一代先进核能系统——第四代核电站[1]。本文综述核能发电的特点,分析了核能在发电方面亟待解决的难题,并预测了其应用前景。

1 核电的特点

1.1 核电的经济性

核能是高度浓缩的能源,1 t铀裂变产生的能量相当于 240万 t标准煤。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。构成核能发电成本的因素很多,包括基建投资费用、运行维护费用、燃料费用,以及核电站退役处理费用。核电发展初期,不仅基建投资费用昂贵,核燃料生产过程复杂,需要庞大的设备,加上特殊的安全措施需要,核能发电成本较高。目前,核能发电的成本有了很大降低,但核电站退役处理的费用远比早先预计的为高。

1.2 核电的环保性

核能发电与火力发电不同,发电过程中不需要燃料储仓、废渣场地等,不直接产生 SO2、NOx、汞或其他与化石燃料的燃烧有关的污染物,也不直接产生 CO2,是清洁能源。目前,火电厂靠大量燃烧有机燃料发电,其排出的 SO2、CO2、N2O等气体,不仅直接危害人体健康和农作物生长,还导致酸雨和“温室效应”。核电站产生的放射性三废,原则上回收处理存储,不外排。排入环境的只是处理回收后残余的尾气,数量甚微。只要能确保安全运行,核电站对环境的影响是极小的,排放到环境的反射性气体在严格的监督和控制之下,周围的居民由此受到的辐射剂量小于来自天然本底的1%。

1.3 核电的安全性

核电厂的核反应堆不会像原子弹那样发生爆炸。核电厂核反应堆采用易裂变物质做燃料,这些燃料分散布置在反应堆内部,任何情况都不会像原子弹那样发生爆炸。反应堆具有类似不倒翁的特点,其设计具有固有的安全性,当外界破坏了反应堆的平衡,核能释放太快时,在一定范围反应堆能不靠外界的干预,裂变反应会自然终止,使反应堆回到原来的状态自动停对,绝对不会发生爆炸。如果海啸、地震、热风暴、雷击、洪水等自然灾害发生,反应堆会自动安全停闭。如果遇到核电厂附近的堤坝坍塌、风机坠毁、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。

1.4 核电对环境和公众的影响

正常人体能耐受一次 0.25 Sv的集中辐射而不至于遭到伤害,只有过剂量的辐射才能对人体造成伤害。参照国际辐射单位和测试委员会的标准,我国规定了人体每年接受辐射的限制,即从事放射性工作的人员每年接受辐射不得超过 0.05 Sv,核电设施周围居民每年接受的辐射不得超过 0.01 Sv。因核电站所使用的反应堆由里到外依次采用了堆芯、压力壳、安全壳、包壳等多重屏蔽,使得就算反应堆附近的辐射剂量也很小了,何况核电站一般建在离居民很远的荒芜地带。我国核电厂对公众造成的实际辐射量比规定的限制要小得多,核电厂对人体辐射致癌的影响可以说微不足道。

2 核电亟待解决的难题

2.1 核电站的工作原理与主要堆型

核电站的主要任务是将原子核裂变所释放的核能转变为电能。核电站中的反应堆种类很多,目前技术比较成熟且投入商业运行使用的一般有如下几种:压水堆、沸水堆、重水堆和其它堆,主力堆型是压水反应堆[2]。压水堆核电站主要由原子核反应堆、一回路系统、二回路系统及其他辅助系统与设备组成。一回路系统也称为核岛,是将裂变转化为水蒸汽的热能装置。反应堆所产生核能,使堆芯发热温度升高,高温、高压的冷却水在主泵驱动下流进堆芯,将堆芯中的热量带至蒸汽发生器。蒸汽发生器再把热量传递给二回路循环系统中的给水,使给水加热成为高压蒸汽,放热后的冷却水又重新流回堆芯。这样循环往复构成一个密闭的循环回路。为了确保安全,将整个一回路循环系统主设备集中安装在安全壳内。

二回路循环系统亦称常规岛,由汽轮机、发电机、凝汽器、二回路循环泵、加热器除氧器及水箱等设备组成。二回路中蒸汽发生器的给水吸收了一回路传来的热量后变成高压蒸汽,推动汽轮机,带动发电机发电。做功后的废气在凝汽器内冷却凝结成水,再由给水泵送入加热器加热后重新返回蒸汽发生器,再变成高压蒸汽推动发电机做功发电,这样就构成了第二个密闭循环回路。二回路系统设备均安装在汽轮发电机组厂房内。

2.2 核电的热污染

从核电站的工作原理可以看出,核电站运行时形成的热污染问题是一个无法回避的问题。由于核电站的效率低,核电厂每发 1 kW电所释放的废热要比同级燃煤电厂多 40%,这种废热必须转移到环境中去,转移的办法可以用冷却塔,或者利用河流、池塘或海洋。如采用水冷却,则所需的总水量大得惊人,1000MW机组核电站冷却水量为 28400L/s,水温通常要升高 100℃。由于温度升高,可能产生各种各样的化学和生物学的影响。

2.3 核电的放射污染

尽管核电站在运行过程中几乎不产生 SO2和温室气体,但是它产生的放射性废物污染始终是一个人们都关心的话题。核电站的核反应过程中会产生放射性裂变和活化产物,一部分通过气态途径进入环境,这些放射性流出物会改变当地的水体放射性水平,对水生物产生辐射剂量,还可能影响周围的淡水资源的利用。

核电厂有严格的管理措施控制放射性物质的排放。核电厂三废排放的原则是尽量回收,把排放量减至最少。核电厂内固体废物完全不向环境排放,放射性活度较大的液体废物转化成固体的废物也不排放,像工作人员淋浴水之类低放射性废水经过处理、检验合格后排放。气体废物经处理和检测合格后向高空排放[3]。但目前国内关于生物辐射影响的评价研究较少,也无相关评价标准[4]。我国人口密集,建设核电站时需考虑其对附近水体环境,尤其对居民饮用水的影响。此外,核电厂运行过程中需加入一定量的化学试剂以满足系统运行要求,因此核电厂的液态流出物中除含有放射性核素外还包括一定量的化学污染物。要处理好核电站的放射污染物,首先需要我们引起重视,其次制定相关的政策和措施,此外还要在技术上增加投入,以保证电站周围的居民免受其害。

3 核电发展前景预测

3.1 国外核电发展

美国是世界第一核电大国,目前运行的核电机组为 104台,装机容量达 970 G W,占世界核电装机容量的 29%,为美国提供了 20%的电力。目前欧洲有近 135个核反应堆在运行,总装机容量为125 G W,占欧洲总发电量的 35%。英国面临的能源压力最大,目前的 12座核电站大部分建于 20世纪中期,其核电提供了全国 25%的电力份额,天然气发电的比例为 40%。尽管法国是世界上核电占电力比例最高的国家 (约占总发电量的 80%)并向周边国家输出电力,但法国仍在积极发展核电,并将在2020年建成球床式反应堆 (核电站反应堆型)。俄罗斯近年来克服了切尓诺贝利核事故后公众强烈反对核电建设的障碍,并且继续实行其强大的核工业发展计划。俄罗斯 2004年有 10个核电站的 30座反应堆在运行,总功率为 22.242 G W,目前核电占全国发电量的16%。

亚洲国家中,韩国是发展中国家中发展核电最成功的国家之一,核电发电量已占全国发电量的40%。从 20世纪 70年代第一个核电站建成后,韩国核电一直稳步发展,预计到至 2015年韩国还将建12台新的核电机组。日本能源经济研究院也称2030年日本核电在一次能源中的份额将从 2004年的11%上升到 20%。印度目前核电总装机容量为1100万 kW,并计划到 2020年为 2900万 kW,到2030年为 6300万 kW,到 2040年为 13100万 kW,到2050年达27500万 kW。

3.2 我国核电发展

我国发展核能具有重要的战略意义,它不但能确保我国长期的能源安全,维持我国的核大国地位从而确保国家安全,还将带动我国相关产业及其高新技术的发展并为改善环境污染形势作出贡献。长远意义上说,核能除了用于发电之外还将为交通运输和工业供热 (如可用核能产氢和海水淡化等)提供能源,逐步取代日益短缺的石油资源。其实 30多年来我国的核电已取得令人瞩目的成绩,然而与国际先进水平还是有一定差距,表 1给出了已经建成且正在运行的核电机组。

在《2050年我国的能源需求》研究报告中,政府对我国中长期能源发展形势和前景做了全面分析,计划届时核电占一次能源比重将提至 12.5%,占电力总装机容量的 20%,达 240 G W。目前我国核电发展主要瞄准国际上“三代”大型压水堆,以提高核电的安全性与经济竞争力。国现有核电站的安全系数主要依靠人工操作保障,而新一代核电站将具有固有安全性,一旦遇到故障,反应堆可以依靠本身的特性返回到安全状态。

表1 中国已建成运行核电机组

4 结语

核电站运行时的热污染和放射污染对周围的水体环境和水生动植物会产生辐射剂量,这些都需要引起我们重视,并制定相关的政策和措施,此外政府还要在技术上,特别是人才培养上增加投入,以促进我国核电事业更快发展。巨大的核能因其经济、环保和安全性决定了其未来很长一段时间内具有美好的发展前景。面对核能大发展的局面,我们应该重视人才培养,并使民众知情。要设法使民众摒弃提到核能就和原子弹联系甚至谈“核”色变状态,对其合理引导,加强此方面的教育。这几年随着我国核电站的不断出现,民众对核能有所了解,但国家对核能的宣传和核知识的普及还是必需的。

[1]林立志,杨小晶,林雷.高温气冷堆核电站:新型的核能发电技术[J].国际电力,2004,8(4):30-31.

[2]牛立.核能发电与我国核电事业之路 [J].电站辅机,2006,96 (1):25-27.

[3]雷达.核电厂与常规火电厂的比较 [J].武汉大学学报 (工学版),2009,42(Sup):85-89.

[4]张晓峰,田新珊,黄彦君,等.内陆核电厂对水库环境的影响—以咸宁核电厂为例[J].湖泊科学,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

国家自然科学基金(41064002);南昌大学校基金(203353)

2011-05-07;

2011-09-08

陈国云(1980-),男,湖南长沙人,博士,讲师,主要从事核技术及应用研究。E-mail:cgy8008@nuaa.edu.cn