核能發電的特點及前景預測

陳國云,范杜平 (.南昌大學理學院,江西南昌 33003;.長沙埃爾壓縮機有限責任公司,湖南長沙 4038)

核能發電的特點及前景預測

陳國云1,范杜平2(1.南昌大學理學院,江西南昌 330031;2.長沙埃爾壓縮機有限責任公司,湖南長沙 410138)

核能發電具有經濟、環保、安全的特點,發展和推廣核電既能確保能源的可持續發展,也能滿足環境保護的需要。近年來,核電發展取得了一定成績,但其熱污染和放射污染問題仍需引起重視并采取相關的措施。

核裂變;核能發電;反應堆

我國能源體系以燃煤為主,煤炭約占一次能源消耗的 70%。這種能源結構不僅依賴于已存的不可再生的地下儲煤,也給環境帶來了很大的危害。從環境保護的角度來看,煤和石油的燃燒會造成嚴重的環境污染,而核能是清潔能源,無 CO2、SO2及粉塵排放。近年來,各國致力于綜合解決核電站的安全性、經濟性、廢物處理和防止核擴散等問題,將建成新一代先進核能系統——第四代核電站[1]。本文綜述核能發電的特點,分析了核能在發電方面亟待解決的難題,并預測了其應用前景。

1 核電的特點

1.1 核電的經濟性

核能是高度濃縮的能源,1 t鈾裂變產生的能量相當于 240萬 t標準煤。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,運輸與儲存都很方便。構成核能發電成本的因素很多,包括基建投資費用、運行維護費用、燃料費用,以及核電站退役處理費用。核電發展初期,不僅基建投資費用昂貴,核燃料生產過程復雜,需要龐大的設備,加上特殊的安全措施需要,核能發電成本較高。目前,核能發電的成本有了很大降低,但核電站退役處理的費用遠比早先預計的為高。

1.2 核電的環保性

核能發電與火力發電不同,發電過程中不需要燃料儲倉、廢渣場地等,不直接產生 SO2、NOx、汞或其他與化石燃料的燃燒有關的污染物,也不直接產生 CO2,是清潔能源。目前,火電廠靠大量燃燒有機燃料發電,其排出的 SO2、CO2、N2O等氣體,不僅直接危害人體健康和農作物生長,還導致酸雨和“溫室效應”。核電站產生的放射性三廢,原則上回收處理存儲,不外排。排入環境的只是處理回收后殘余的尾氣,數量甚微。只要能確保安全運行,核電站對環境的影響是極小的,排放到環境的反射性氣體在嚴格的監督和控制之下,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

核電廠的核反應堆不會像原子彈那樣發生爆炸。核電廠核反應堆采用易裂變物質做燃料,這些燃料分散布置在反應堆內部,任何情況都不會像原子彈那樣發生爆炸。反應堆具有類似不倒翁的特點,其設計具有固有的安全性,當外界破壞了反應堆的平衡,核能釋放太快時,在一定范圍反應堆能不靠外界的干預,裂變反應會自然終止,使反應堆回到原來的狀態自動停對,絕對不會發生爆炸。如果海嘯、地震、熱風暴、雷擊、洪水等自然災害發生,反應堆會自動安全停閉。如果遇到核電廠附近的堤壩坍塌、風機墜毀、重大交通事故之類的嚴重事故,反應堆建筑物被砸時,反應堆也會安然無恙。

1.4 核電對環境和公眾的影響

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人體造成傷害。參照國際輻射單位和測試委員會的標準,我國規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的荒蕪地帶。我國核電廠對公眾造成的實際輻射量比規定的限制要小得多,核電廠對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

核電站的主要任務是將原子核裂變所釋放的核能轉變為電能。核電站中的反應堆種類很多,目前技術比較成熟且投入商業運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堆[2]。壓水堆核電站主要由原子核反應堆、一回路系統、二回路系統及其他輔助系統與設備組成。一回路系統也稱為核島,是將裂變轉化為水蒸汽的熱能裝置。反應堆所產生核能,使堆芯發熱溫度升高,高溫、高壓的冷卻水在主泵驅動下流進堆芯,將堆芯中的熱量帶至蒸汽發生器。蒸汽發生器再把熱量傳遞給二回路循環系統中的給水,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。這樣循環往復構成一個密閉的循環回路。為了確保安全,將整個一回路循環系統主設備集中安裝在安全殼內。

二回路循環系統亦稱常規島,由汽輪機、發電機、凝汽器、二回路循環泵、加熱器除氧器及水箱等設備組成。二回路中蒸汽發生器的給水吸收了一回路傳來的熱量后變成高壓蒸汽,推動汽輪機,帶動發電機發電。做功后的廢氣在凝汽器內冷卻凝結成水,再由給水泵送入加熱器加熱后重新返回蒸汽發生器,再變成高壓蒸汽推動發電機做功發電,這樣就構成了第二個密閉循環回路。二回路系統設備均安裝在汽輪發電機組廠房內。

2.2 核電的熱污染

從核電站的工作原理可以看出,核電站運行時形成的熱污染問題是一個無法回避的問題。由于核電站的效率低,核電廠每發 1 kW電所釋放的廢熱要比同級燃煤電廠多 40%,這種廢熱必須轉移到環境中去,轉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,可能產生各種各樣的化學和生物學的影響。

2.3 核電的放射污染

盡管核電站在運行過程中幾乎不產生 SO2和溫室氣體,但是它產生的放射性廢物污染始終是一個人們都關心的話題。核電站的核反應過程中會產生放射性裂變和活化產物,一部分通過氣態途徑進入環境,這些放射性流出物會改變當地的水體放射性水平,對水生物產生輻射劑量,還可能影響周圍的淡水資源的利用。

核電廠有嚴格的管理措施控制放射性物質的排放。核電廠三廢排放的原則是盡量回收,把排放量減至最少。核電廠內固體廢物完全不向環境排放,放射性活度較大的液體廢物轉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過處理、檢驗合格后排放。氣體廢物經處理和檢測合格后向高空排放[3]。但目前國內關于生物輻射影響的評價研究較少,也無相關評價標準[4]。我國人口密集,建設核電站時需考慮其對附近水體環境,尤其對居民飲用水的影響。此外,核電廠運行過程中需加入一定量的化學試劑以滿足系統運行要求,因此核電廠的液態流出物中除含有放射性核素外還包括一定量的化學污染物。要處理好核電站的放射污染物,首先需要我們引起重視,其次制定相關的政策和措施,此外還要在技術上增加投入,以保證電站周圍的居民免受其害。

3 核電發展前景預測

3.1 國外核電發展

美國是世界第一核電大國,目前運行的核電機組為 104臺,裝機容量達 970 G W,占世界核電裝機容量的 29%,為美國提供了 20%的電力。目前歐洲有近 135個核反應堆在運行,總裝機容量為125 G W,占歐洲總發電量的 35%。英國面臨的能源壓力最大,目前的 12座核電站大部分建于 20世紀中期,其核電提供了全國 25%的電力份額,天然氣發電的比例為 40%。盡管法國是世界上核電占電力比例最高的國家 (約占總發電量的 80%)并向周邊國家輸出電力,但法國仍在積極發展核電,并將在2020年建成球床式反應堆 (核電站反應堆型)。俄羅斯近年來克服了切尓諾貝利核事故后公眾強烈反對核電建設的障礙,并且繼續實行其強大的核工業發展計劃。俄羅斯 2004年有 10個核電站的 30座反應堆在運行,總功率為 22.242 G W,目前核電占全國發電量的16%。

亞洲國家中,韓國是發展中國家中發展核電最成功的國家之一,核電發電量已占全國發電量的40%。從 20世紀 70年代第一個核電站建成后,韓國核電一直穩步發展,預計到至 2015年韓國還將建12臺新的核電機組。日本能源經濟研究院也稱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容量為1100萬 kW,并計劃到 2020年為 2900萬 kW,到2030年為 6300萬 kW,到 2040年為 13100萬 kW,到2050年達27500萬 kW。

3.2 我國核電發展

我國發展核能具有重要的戰略意義,它不但能確保我國長期的能源安全,維持我國的核大國地位從而確保國家安全,還將帶動我國相關產業及其高新技術的發展并為改善環境污染形勢作出貢獻。長遠意義上說,核能除了用于發電之外還將為交通運輸和工業供熱 (如可用核能產氫和海水淡化等)提供能源,逐步取代日益短缺的石油資源。其實 30多年來我國的核電已取得令人矚目的成績,然而與國際先進水平還是有一定差距,表 1給出了已經建成且正在運行的核電機組。

在《2050年我國的能源需求》研究報告中,政府對我國中長期能源發展形勢和前景做了全面分析,計劃屆時核電占一次能源比重將提至 12.5%,占電力總裝機容量的 20%,達 240 G W。目前我國核電發展主要瞄準國際上“三代”大型壓水堆,以提高核電的安全性與經濟競爭力。國現有核電站的安全系數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,反應堆可以依靠本身的特性返回到安全狀態。

表1 中國已建成運行核電機組

4 結語

核電站運行時的熱污染和放射污染對周圍的水體環境和水生動植物會產生輻射劑量,這些都需要引起我們重視,并制定相關的政策和措施,此外政府還要在技術上,特別是人才培養上增加投入,以促進我國核電事業更快發展。巨大的核能因其經濟、環保和安全性決定了其未來很長一段時間內具有美好的發展前景。面對核能大發展的局面,我們應該重視人才培養,并使民眾知情。要設法使民眾摒棄提到核能就和原子彈聯系甚至談“核”色變狀態,對其合理引導,加強此方面的教育。這幾年隨著我國核電站的不斷出現,民眾對核能有所了解,但國家對核能的宣傳和核知識的普及還是必需的。

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

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

[3]雷達.核電廠與常規火電廠的比較 [J].武漢大學學報 (工學版),2009,42(Sup):85-89.

[4]張曉峰,田新珊,黃彥君,等.內陸核電廠對水庫環境的影響—以咸寧核電廠為例[J].湖泊科學,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

國家自然科學基金(41064002);南昌大學校基金(203353)

2011-05-07;

2011-09-08

陳國云(1980-),男,湖南長沙人,博士,講師,主要從事核技術及應用研究。E-mail:cgy8008@nuaa.edu.cn