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    核电技术发展: 自1951年12月美国实验增殖堆1号(EBR-1)首次利用核能发电以来,世界核电至今已有50多年的发展历史。截止到2018年年底,全世界核电运行机组共有500多台,其发电量约占世界发电总量的18%

    1、什么是核能

    世界上一切物质都是由原子构成的,原子又是由原子核和它周围的电子构成的。轻原子核的融合和重原子核的分裂都能放出能量,分别称为核聚变能和核裂变能,简称核能。

    大家提到的核能是指核裂变能。 前面提到核电厂的燃料是铀。铀是一种重金属元素,天然铀由三种同位素组成:

    铀-235 含量0.71%

    铀-238 含量99.28%

    铀-234 含量0.0058% 铀-235是自然界存在的易于发生裂变的唯一核素。

    当一个中子轰击铀-235原子核时,这个原子核能分裂成两个较轻的原子核,同时产生2到3个中子和射线,并放出能量。如果新产生的中子又打中另一个铀-235原子核,能引起新的裂变。在链式反应中,能量会源源不断地释放出来。

    铀-235裂变放出多少能量呢?1千克铀-235全部裂变放出的能量相当于2700吨标准煤燃烧放出的能量。

    2、核反应堆原理

    反应堆是核电站的关键设计,链式裂变反应就在其中进行。 反应堆种类很多,核电站中使用最多的是压水堆。

    压水堆中首先要有核燃料。核燃料是把小指头大的烧结二氧化铀芯块,装到锆合金管中,将三百多根装有芯块的锆合金管组装在一起,成为燃料组件。大多数组件中都有一束控制棒,控制着链式反应的强度和反应的开始与终止。

    压水堆以水作为冷却剂在主泵的推动下流过燃料组件,吸收了核裂变产生的热能以后流出反应堆,进入蒸汽发生器,在那里把热量传给二次侧的水,使它们变成蒸汽送去发电,而主冷却剂本身的温度就降低了。从蒸汽发生器出来的主冷却剂再由主泵送回反应堆去加热。冷却剂的这一循环通道称为一回路,一回路高压由稳压器来维持和调节。

    3、什么是核电站

    火力发电站利用煤和石油发电,水力发电站利用水力发电,而核电站是利用原子核内部蕴藏的能量产生电能的新型发电站核电站大体可分为两部分:一部分是利用核能生产蒸汽的核岛、包括反应堆装置和一回路系统;另一部分是利用蒸汽发电的常规岛,包括汽轮发电机系统。

    核电站用的燃料是铀。铀是一种很重的金属。用铀制成的核燃料在一种叫“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能,再用处于高压力下的水把热能带出,在蒸汽发生器内产生蒸汽,蒸汽推动气轮机带着发电机一起旋转,电就源源不断地产生出来,并通过电网送到四面八方,这就是最普通的压水反应堆核电站的工作原理。

    在发达国家,核电已有几十年的发展历史,核电已成为一种成熟的能源。我国的核工业已也已有40多年发展历史,建立了从地质勘察、采矿到元件加工、后处理等相当完整的核燃料循环体系,已建成多种类型的核反应堆并有多年的安全管理和运行经验,拥有一支专业齐全、技术过硬的队伍。核电站的建设和运行是一项复杂的技术。我国目前已经能够设计、建造和运行自己的核电站。秦山核电站就是由我国自己研究设计建造的。

    4、什么是核电厂

    电是电厂生产出来的。我们知道有烧煤或石油的火力发电厂,有靠水力发电的水电站,还有一些靠风力、太阳能、 地热、潮汐能、波浪能、沼气生产电力的小型或实验性发 电装置。核电厂就是一种靠原子核内蕴藏的能量,大规模生产电力的新型发电厂。

    核电厂用的燃料是铀。铀是一种很重的金属。用铀制成的核燃料在一种叫做“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能,再用处于高压力下的水把热能带出,在蒸汽发生 器内产生出来,并通过电网送到四面八方。这就是最普通 的压水反应堆核电厂的工作原理。

    5、什么是放射性

    约在100年前,科学家发现某些物质能放出三种射线:α(阿尔法)射线、β(贝塔)射线,γ(伽玛)射线。

    以后的研究证明:α射线是α粒子(氦原子核)流,β射线是β粒子(电子)流,统称粒子辐射。类似的还有中子射线、宇宙射线等。γ射线是波长很短的电磁波,称为电磁辐射。 类似的还有X射线等。

    这些射线的共同特点是:1、有一定穿透物质的能力;2、人的五官不能感知,但能使照相底片感光;3、照射到某些特 殊物质上能发出可见的荧光;4、通过物质时有产生电离作用。

    射线主要通过电离作用对生物体产生一定的影响。

    射线并不可怕,我们吃的食物、住的房屋,甚至我们的身体 内都有能放出射线的物质。我们戴夜光表、作X光检查、乘飞机、吸烟都会接受一定的辐射剂量。但是,过高的辐射剂量会引起有害健康的效应。

    两个关于放射性的计量单位

    6、什么是反应堆

    核反应堆是一个能维持和控制核裂变链式反应,从而实现核能-热能转换的装置。

    核电厂用的压水反应堆有一个厚厚的钢质贺筒形外壳,腰部有几个进水口和出水口,称为压力容器,900兆瓦的压水堆,其压力容器高12米,直径3.9米,壁厚约0.2米。

    压力容器内是堆芯,堆芯由燃料组件和控制棒组件等组成。水在它们的间隙中流过。水在此起两个作用,一是降低中子的速度使之易于被铀-235核吸收,二是带出热量。900兆瓦压水堆 一般装有157个燃料组件,约含80吨二氧化铀。

    压力容器顶装有控制棒驱动机构,通过改变控制棒的位置来实现开堆、停堆(包括紧急停堆)和调节功率的大小。

    7、什么叫做核事故

    一般来说,在核设施(例如核电厂)内发生了意外情况,造成放射性物质外泄,致使工作人员和公众受超过或相当于规定限值的照射,则称为核事故。显然,核事故的严重程度可以有一个很大的范围,为了有一个统一的认识标准,国际上把核设施内发生的有安全意义的事件分为七个等级。

    由表可以看出,只有4-7级才称为“事故”。5级以上的事故需要实施场外应急计划,这种事故世界上共发生过三次, 即苏联切尔诺贝利事故、英国温茨凯尔事故和美国三里岛事故。

    8、核电部分厂房描述

    中国的大部分厂房都是这样的——

    1)反应堆厂房:包括内外安全壳和内部结构以及堆芯熔融物捕捉器。反应堆厂房是双层圆筒形结构,该建筑包容并支撑与一回路相关的主要设施(包括压力容器和主冷却回路,包括主泵,蒸发器和稳压器)。反应堆换料腔和内部结构。辅助设备。厂房的主要功能是防止外部事件对内部反应的影响,确保不发生泄漏。包括一回路发生事故失水,使厂房内压力和温度升高。

    1.1)安全壳:安全壳是双层墙体结构,其中内墙体由预应力混凝土筒体和混凝土穹顶构成,内面衬以钢衬里,保证密封。外安全壳抵抗外部冲击。1.8米宽的环形区域将内外安全壳隔离,该区域处于负压状态,收集发生泄漏事故后泄漏物的收集,保证泄漏物在排入大气前被过滤,双层安全壳是考虑在严重事故对环境的有效保护。

    1.2)内部结构:主要功能是提供反应堆压力容器的支撑和附属设备的支撑;人员及设备的生物防护;防止管道的甩击和飞射物对安全壳、各回路以及安全系统的影响。

    1.3)结构描述:内部结构是钢筋混凝土结构包括一次屏蔽墙,二次屏蔽墙,反应堆换料腔;楼板和墙体。

    1.4)堆芯熔融物捕捉器:位于堆芯CVCS和VDS系统下部分为三部分,由堆坑下部、堆芯熔融物扩展通道和扩张区域组成。表面覆盖细石混凝土。底部有循环水系统,用以事故状态下对熔融物降温,水来自换料储水箱。

    2)安全厂房:安全厂房1&4分为9层,分别布置在安全壳两侧;厂房2&3分为8层,布置在一起,采用双层墙体。外墙与厂房各楼层分开,通向厂房的门应有门禁系统。

    3)燃料厂房:位于反应堆厂房和安全厂房2、3相对的位置,与反应堆厂房和安全厂房位于一个筏基础之上。9层(0.00-19.5m区域)。西侧为乏燃料水池及相关设施。东侧为事故废气过滤机组。采用双层墙,门应有门禁系统。

    4)核辅助厂房:核辅助厂房内设置与电厂运行必需的与安全无关的辅助系统,同时设置有部分维修区域。是钢筋混凝土结构,基础与厂房的筏基础是分离的,放射性设备周围设置屏蔽结构以及有系统的隔离。提供充分的生物隔离。

    5)进出厂房:基础厂房内设有为保障人员安全进出核岛所必需的设备和设施。进出厂房的基础和核岛的基础临近,设置沉降缝,允许相对的位移。

    6)放射性废弃物厂房:分为放射性废弃物厂房(HQB)和放射性废弃物储存厂房(HQS),其可收集、储存、处理液体和固体放射性废弃物。为两个机组公用,它同1号机组的核辅助厂房建筑直接连接,用来储存、运输树脂类废弃物以及收集、临时储存、运送废液。在放射性废弃物厂房和2号机辅助厂房附属建筑(2HQS)之间连接一条热管,用来输送2号机的废液。

    7)应急柴油机房:(HD)是钢筋混凝土结构,其钢筋混凝土筏基及地下部分及外墙使用沥青绝缘材料来防水的。用来放置柴油燃料储存罐、柴油燃料槽房间的楼板、墙体及天花板表面是掺合了憎油材料的水泥砂浆抹面的。

    8)安全厂用水泵房:为混凝土结构,其钢筋混凝土结构设计、配合比及工艺应具备足够的耐久性以保证结构主体能防止地下水和海水的侵蚀,所有与水接触的混凝土表面应使用精细模板,其他地方可以使用粗制模板。


    核电行业市场可观

    核电站只需消耗很少的核燃料,就可以产生大量的电能,每千瓦时电能的成本比火电站要低20%以上。核电站还可以大大减少燃料的运输量。例如,一座100万千瓦的火电站每年耗煤三四百万吨,而相同功率的核电站每年仅需铀燃料三四十吨。核电的另一个优势是干净、无污染,几乎是零排放,对于发展迅速环境压力较大的中国来说,再合适不过。

    2007年,中国核电总发电量628.62亿千瓦时,上网电量为592.63亿千瓦时,同比分别增长14.61%和14.39%。田湾核电站2台106万千瓦的机组分别于2007年5月和8月投入商运,中国核电运行机组达到11台,运行总装机容量达907.8万千瓦。

    截至2007年底,中国电力装机容量达到7.13亿千瓦,全国电力供需继续保持总体平衡态势。同时,随着田湾核电站两台百万千瓦核电机组投产,目前全国核电装机容量已达885万千瓦。

    2007年全国水电、火电装机容量均保持超过10%的增长,分别达到1.45亿千瓦和5.54亿千瓦。而风电并网生产的装机总容量则实现翻番,达到403万千瓦。

    中国对于核电的发展已经开始放宽政策,长期以来,中国官方一直强调要“有限”发展核电产业。而在2003年以来,中国出现了全面性能源紧张。在这种情况下,国内关于大力发展核电产业的呼声日益强烈。高层关于发展核电的这一最新表态无疑是值得肯定的,因为它确立了核电产业的战略性地步,不但对解决中国长期性的能源紧张有积极意义,而且也是和平时期保持中国战略威慑能力的理想途径,可谓“一箭双雕”。

    中国目前建成和在建的核电站总装机容量为870万千瓦,预计到2010年中国核电装机容量约为2000万千瓦,2020年约为4000万千瓦。到2050年,根据不同部门的估算,中国核电装机容量可以分为高中低三种方案:高方案为3.6亿千瓦(约占中国电力总装机容量的30%),中方案为2.4亿千瓦(约占中国电力总装机容量的20%),低方案为1.2亿千瓦(约占中国电力总装机容量的10%)。

    中国国家发展改革委员会正在制定中国核电发展民用工业规划,准备到2020年中国电力总装机容量预计为9亿千瓦时,核电的比重将占电力总容量的4%,即是中国核电在2020年时将为3600-4000万千瓦。也就是说,到2020年中国将建成40座相当于大亚湾那样的百万千瓦级的核电站。

    从核电发展总趋势来看,中国核电发展的技术路线和战略路线早已明确并正在执行,当前发展压水堆,中期发展快中子堆,远期发展聚变堆。具体地说就是,近期发展热中子反应堆核电站;为了充分利用铀资源,采用铀钚循环的技术路线,中期发展快中子增殖反应堆核电站;远期发展聚变堆核电站,从而基本上“永远”解决能源需求的矛盾。

    技术及市场现状

    国际核电企业以日系为中心,形成三足鼎立的局面:日本富士财团的日立―美国通用、日本三井财团的东芝―美国西屋、日本三菱财团的三菱重工―法国阿海珐。日本核电技术和市场的垄断雏形已经出现,中国加快发展核能应用的能源战略调整必然受制于日本

    核电技术方案

    纵观核电发展历史,核电站技术方案大致可以分四代,即:

    第一代核电站

    核电站的开发与建设开始于上世纪50年代。1954年,前苏联建成电功率为5兆瓦的实验性核电站:1957年,美国建成电功率为9万千瓦的shipping port 原型核电站,这些成就证明了利用核能发电的技术可行性。国际上把上述实验性和原型核电机组称为第一代核电机组。

    第二代核电站

    上世界60年代后期,在实验性和原型核电机组基础上,陆续建成电功率在30万千瓦的压水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核电机组,它们在进一步证明核能发电技术可行性的同时,使核电的经济性也得以证明。上世纪70年代,因石油涨价引发的能源危机促进了核电的大发展。目前世界上商业运行的四百多座核电机组绝大部分是在这段时期建成的,习惯上称之为第二代核电机组。

    第三代核电站

    上世纪90年代,为了解决三里岛和切尔诺贝利核电站的严重事故的负面影响,世界核电业界集中力量对严重事故的预防和缓解进行了研究和攻关,美国和欧洲先后出台了“先进轻水堆用户要求”文件,即URD文件(utility requirements document)和“欧洲用户对轻水堆核电站的要求”,即(EUR)文(European utility requirements document),进一步明确了预防与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。国际上通常把满足URD文件或EUR文件的核电机组称为第三代核电机组。对第三代核电机组要求能在2010年前进行商用建造。

    第四代核电站

    2000年1月,在美国能源部的倡议下,美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷等十个有意发展核能的国家,联合组成了“第四代国际核能论坛”(GIF),于2001年7月签署了合约,约定共同合作研究开发第四代核能技术。根据设想,第四代核能方案的安全性和经济性将更加优越,废物量极少,无需厂外应急,并具备固有的防止核扩散的能力。高温气冷堆,熔盐堆,钠冷快堆就是具有第四代特点的反应堆。

    第一代核电站为原型堆,其目的在于验证核电设计技术和商业开发前景;第二代核电站为技术成熟的商业堆,目前在运的核电站绝大部分属于第二代核电站;第三代核电站为符合URD或EUR要求的核电站,其安全性和经济性均较第二代有所提高,属于未来发展的主要方向。

    大家已经知道了自然界中放射性是到处存在的,我们一直在接受天然本底的辐照。那么这种天然辐射主要来自哪里?它们的程度又如何哪?天然辐射的“本底”有两个来源:一个是高能粒子形式的辐射,它来自外层空间,统称宇宙射线;另一个来源是天然放射性,即天然存在于普通物质(如空气、水、泥土和岩石,甚至食物)中的放射性辐射。另外现代社会中人们还会接触到各种人为的辐射,如X光检查,看电视,使用微波炉等。下表按辐射的大小列出了各种本底辐射。从中可以看到人类的吃、用、住、行都会接受微量的放射性辐照,其中受核电厂的辐照是微乎其微的,完全可以忽略不计。

    多强的辐照会对人体造成危害

    辐射对人体的效应是从细胞开始的。它会使细胞的衰亡加速,使新细胞的生成受到抑制,或造成细胞畸形,或造成人体内生化反应的改变。
在辐射剂量较低时,人体本身对辐射损伤有一定的修复能力,可对上述反应进行修复,从而不表现出危害效应或症状。但如果剂量过高,超出了人体内各器官或组织具有的修复能力,就会引起局部或全身的病变。下表为目前国际上公认的辐射的生物效应。从中可以看到:人体能够耐受一次25雷姆的集中照射而不致遭受损伤。当然各个人的抵抗能力和体质是有所不同的。

 
 
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