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1        什么是核能?——核能概述

2    为什么需要核能?——核能发展的背景

3    核能有哪些优势?——核能的优势

4    核电站安全吗?——核电站的安全保障

5    核电站如何选址?——核电站设计建造

6    核电站有辐射危险吗?——核电站的辐射防护

7    核电站如何发电?——核能发电的原理

8    核电站类型有哪些?——核反应堆类型

9    核废料如何处理?——核废料安全处置

10   哪些国家在用核电?——核能发展现状

11   中国需要核电吗?——中国核能发展意义

12   中国核能技术水平如何?——中国核能技术发展现状

1    什么是核能?——核能概述

1.1  核能是一种高效、安全、可靠的清洁能源

核能是20世纪人类的一项伟大发现,并已取得了十分重要的成果。1942122日,著名科学家恩里科·费米领导几十位科学家,在美国芝加哥大学启动成功了世界上第一座核反应堆,标志着人类从此进入了核能时代。

自上世纪50年代以来,前苏联、美国、法国等发达国家建造了大量核电站。目前,核能发电量占全世界总发电的12.9%,共有437座核电站,83%的核电站建在发达国家,其中美国103座,法国58座,日本50座。核电站的建造、运行经验表明,核电是一种高效、安全、可靠的清洁能源。

1.2  核能利用方式

核能分为核裂变能和核聚变能两种,由核裂变反应释放出的能量称为核裂变能,由核聚变反应释放的能量称为核裂变能。核裂变能是目前核能利用的主要形式,商用核电站均属于核裂变能,核聚变能目前正处于研究阶段。

核裂变反应:铀-235、钚-239、铀-233等重原子在中子作用下分裂为两个碎片,同时放出中子和大量能量的过程。

核聚变反应:两个轻原子核在特殊条件下,聚合成一个较重原子核,同时释放巨大能量过程。

2    为什么需要核能?——核能发展的背景

2.1  化石能源的枯竭不可避免

按照现有的资源储量和消耗速度,化石能源的枯竭是不可避免的:

p  石油将在54年后枯竭;

p  天然气将在64年后用尽;

p  资源量最大的煤炭也仅够开采112年。

注:数据来自《BP世界能源统计2012

2.2  气候变暖与环境污染形势严峻

联合国规划署评估:化石能源的使用会导致二氧化碳排放过量,到2100年全球平均气温会比现在上升4.3℃,将引起南北极冰川融化、海平面上升1.4米,从而淹没大片经济发达的沿海地区,还可能引起其他一系列严重的环境污染问题。

2.3  为什么不用其他新能源

生物质能

ü  能流密度低,占用大量土地资源

ü  有机物能量低 ,难以大规模应用

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水能

ü  对生态环境存在着破坏性的影响

ü  增长的速度跟不上能耗增长速度

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风能

ü  分布在人烟稀少地区,输电困难

ü  受气候和季节影响,供应不稳定

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地热能

ü  受地域限制, 通常位於地震带附近

ü  开发难度大,难以大规模应用

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太阳能

ü  造价昂贵,难以大规模使用

ü  受气候和季节影响,供应不稳定

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潮汐能

ü  投资大,效率低

ü  受潮汐涨落的限制, 供应不稳定

在众多能源形式中,只有核能是可大规模应用的替代性能源,未来核能将逐步取代化石能源成为人类的主要能源。

3    核能有哪些优势?——核能的优势

3.1  核能是清洁的能源,环境影响小

利用核能发电既不产生烟尘、二氧化硫和氮的氧化物,又不产生二氧化碳。即使考虑从采矿到生产燃料、使用燃料(例如发电)的整个燃料链来进行比较,核能产生的有害气体也比化石燃料少得多。从整个燃料链比较,我国同样规模的核电与煤电相比,核电向环境释放的温室气体只是煤电的百分之一。

3.2  核能是高效的能源,资源消耗少

一座百万千瓦级的核电站每年消耗的核燃料约30吨,只需一辆重型卡车运载一次即可;而一座同样功率的燃煤电厂每年要消耗原煤约300万吨,需要一列40节车厢的火车每天不停地运载。

3.3  核能是安全的能源,发生事故概率小

核电的世界上最安全的行业之一,全世界50多年来500多座反应堆在其总共运行12千多堆年的运行历史中,只发生过3起堆芯熔化的严重事故。而现在先进核电站的安全性能更好,发生事故概率更小。

4    核电站安全吗?——核电站的安全保障

4.1  多道实体屏障——防止放射性外泄

p  第一道屏障:燃料元件包壳

将核燃料烧结成芯块,封装在锆合金包壳管内,将裂变产物限制在包壳内部。

p  第二道屏障:压力容器

压力容器将一回路主要设备包容内,避免堆芯和一回路放射性物质释放出去。压力容器由20厘米左右壁厚的不锈钢容器做成,可以承受一百多个大气压的压力。

p  第三道屏障:安全壳

在压力容器外设置安全壳,事故时阻止从一回路系统外逸的裂变产物泄漏到环境中去。安全壳是一个1米左右厚度的钢筋水泥结构,可保护重要设备免遭外来袭击(如飞机坠落)的破坏。

4.2  多层次防护——纵深防御原则

第一道防线:严格执行质量标准,保证足够的设计裕量,防止发生异常事件。

第二道防线:严格执行运行规程,及时控制异常事件,防止异常事件升级为事故。

第三道防线:自动启用安全保护系统,启动应急运行规程,防止事故恶化。

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第四道防线:启动事故处理规程,保证安全壳不破裂,防止放射性物质外泄。

第五道防线:启动场外应急响应,努力减轻事故对公众和环境的影响。

有了以上互相依赖、相互支持的各道防线,核电站是非常安全的!

5    核电站如何选址?——核电站设计建造

5.1  苛刻的场址要求

为防止放射性的外泄事故发生,保证核电站周围环境和居民的安全,我国对核电站厂址的选择有着近乎苛刻的要求。如:

ü  厂址半径10km范围内不应有10万人以上的城镇

ü  厂址半径5km范围内不存在区域性地表断裂

ü  厂址半径5km范围内道路交通条件良好

ü  厂址附近的工业设施不会威胁到核电厂的安全运行

ü  ······

依据这些要求,核电站的厂址需要经过比选,即先圈定几个有希望的候选地带,再采用“淘汰赛”确定最终的胜出者,我国核电站厂址都是千挑万选出来的!

6    核电站有辐射危险吗?——核电站的辐射防护

6.1  什么是辐射?

辐射存在于整个宇宙空间,人类有史以来一直受着天然电力辐射源的辐射,包括宇宙射线、地球放射性核素产生的辐射等。

人类所受到的集体辐射剂量主要来自天然本底辐射(约76.58%)和医疗辐射(约20%)。核电站产生的辐射剂量非常小(约0.25%)。联合国原子辐射影响科学委员会2010年发布的报告称,在所有人为因素导致的辐射中,医疗辐射所占的比例高达98%

6.2  核电站如何阻止辐射

辐射是可以通过适当的方法进行阻止的,在三种射线中,α射线穿透性最弱,用一张纸就可以挡住;γ射线的穿透性最强,要用很厚的混凝土才能挡住;β射线的穿透能力介于二者之间,用几毫米的铝片可以挡住。核电站通过设置严密的防护系统,把绝大部分的辐射射线都阻止在反应堆内,保证对周围居民不会造成影响。

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火电站烟尘中含有重金属元素,也带有一定的放射性,所以火电站也一样会有辐射。与严密防护的核电站相比,于火电站的废气直接排入大气,从周围居民受到的辐射强度来讲,火电站的辐射影响反倒要比核电站更强。

7    核电站如何发电?——核能发电的原理

7.1  核能发电原理

核能发电是指利用核反应堆中核裂变或核聚变所释放出的热能进行发电,核电站中能量转换的过程为:

7.2  压水堆核电站发电过程

目前,我国在运行的核电站多为压水堆核电站,其余类型的核电站运行过程同压水堆电站相同。压水堆核电站可分为三个回路系统,分别为:

p 一回路:反应堆堆芯由核裂变产生巨大的热量,一回路水在主泵的驱动下将堆芯热量带出,在蒸汽发生器内将热量传递给管外二回路水;

p 二回路:二回路水在蒸汽发生器内受热沸腾成为蒸汽,蒸汽推动汽轮发电机组做功产生电力;

p 三回路:蒸汽从汽轮机排出,被撒回来的海水或淡水冷却后,再循环到蒸汽发生器重新受热。

8    核电站类型有哪些?——核反应堆类型

8.1  核电站反应堆分类

核电站反应堆按反应方式可分为裂变堆、聚变堆和混合堆,裂变堆已经进入商业应用,聚变堆和混合堆正在研究中,现有的核电站全是裂变堆;

裂变堆是利用裂变能的反应堆,按冷却剂的不同可分为压水堆、沸水堆、重水堆和快堆等。

8.2  世界各类在役堆运行现状

       注:上述数据截止于2012年,由国际原子能机构IAEA发布。

9    核废料如何处理?——核废料安全处置

9.1  核电站的废物分为三类

u  低放射性废物:

受轻微污染的固体和液体,如:衣服、手套、沐浴后的水等。

u  中放射性废物:

核电站的固体和液体废物,如:用过的反应堆组件及零件。

u  高放射性废物:

乏燃料被提取有用物质后剩下的废物。

9.2  中低放射性废物处理

9.3  高放射性废物处理

乏燃料送后处理厂经处理,其中97%可循环再用,剩余的3%是高放射性废物。世界各国几十年来对高放射性核废料处理技术进行了广泛的研究。经过对各种方法评估比较后,深地质处置法是目前的选择,即将高放射性核废料保存在深入地下几百米处的特殊处置库内。同时,各国正在开展高放射性废物嬗变处理研究工作。

10   哪些国家在用核电?——核能发展现状

10.1 世界核电发展现状

自上世纪50年代以来,核能的利用已经历了50多年的发展。截止2013年,全球核能发电量占总发电量的13%,全球在运核电机组437台,总装机容量3.74524亿千瓦,主要分布在美国、欧洲、日本、韩国等发达国家。

 

机组数(台)

装机容量(万千瓦)

核电占总发电量的比例(%

全球

437

37452.4

12.9

美国

103

10157

19.3

法国

58

6313

77.7

俄罗斯

33

2416.4

17.6

日本

50

4439.6

18.1

韩国

23

2078.7

34.6

10.2 中国核电发展现状

中国目前投入运营的核电站包括浙江秦山核电站,广东大亚湾核电站、广东岭澳核电站、江苏连云港田湾核电站、福建宁德核电站等18台机组,总装机容量约1400万千瓦。

中国在建核电站机组有28座,新建核电站主要有辽宁红沿河核电站、福建福清核电站、广东阳江核电站、广东台山核电站、山东海阳核电站、浙江三门核电站、海南昌江核电站、广西防城港核电站等。

11   中国需要核电吗?——中国核能发展意义

11.1 电力需求巨大

目前,中国正处在工业化、城镇化加快推进的重要时期。从发达国家和地区的发展经验表明,这一时期电力需求将保持较快增长态势。预计到2020年,中国全社会用电需求量将达到7.67万亿千瓦时,是2008年的2.2倍。

11.2 能源结构不合理

2012年,中国的一次能源生产量为33.3亿吨标准煤,其中煤炭占76.3%,石油占8.9%,天然气占4.3%,核电占0.7%,水电占8.5%,风电及其他占1.3%。由于我国对火电的过度依赖,导致了严重的环境问题。燃烧煤、石油和天然气,向大气中排放的二氧化碳和甲烷是温室气体的主要成分,排放的二氧化硫、氮氧化物是形成酸雨的主要物质,排放的烟尘是PM2.5PM10的主要来源。

积极推进核电建设,是我国能源建设的一项重要政策,对于满足经济和社会发展不断增长的能源需求,保障能源供应与安全,保护环境,实现电力工业结构优化和可持续发展,提升我国综合经济实力、工业技术水平和国际地位,都具有重要的意义!

12   中国核能技术水平如何?——中国核能技术发展现状

12.1 中国核能技术现状

中国的核工业起步于上世纪50年代中期,现已形成比较完善的核工业体系。中国在1971年开始进行核电厂的研究和设计。经过几十年的努力,我国迄今已经建成和正在建设的核电机组已经达到十几套,先后建成了秦山、大亚湾、田湾等多个核电基地。

浙江秦山核电站是我国自行设计和建造的第一座核电站,于1994年投入商业运行,已有10多年的安全运行良好业绩,被誉为“国之光荣”。

广东大亚湾核电站是我国引进国外资金、设备和技术的第一座大型商用核电厂,于1994年投入商业运行,每年的发电量超过100亿千瓦时。

浙江三门核电站是全球首座非能动先进压水堆AP1000,是目前全球最先进的核电机组,第三代核电技术,有效提高了核电站的安全和经济性。

12.2 先进核能技术现状

我国在先进核能系统领域进行了大量的研究工作。2011721日,中国实验快堆成功实现并网发电,标志着我国在先进核能技术领域步入了世界先进行列,对我国核电持续稳定发展具有重大战略意义。山东石岛湾核电高温气冷堆核电站示范工程是世界上第一座具有第四代核能系统安全特征的20万千瓦级高温气冷堆核电站。此外,中科院核能安全技术研究所从事的加速器驱动次临界堆、国际热核聚变堆、铅基快堆等研究项目均处于国际先进水平。

中国实验快堆

加速器驱动次临界堆

聚变发电堆

 

 
 日期:【2013-06-22】
 
 

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