核电厂乏燃料池

关注福岛,话说核电——浅谈核能利用的历史、现状和未来文/许道礼申森天灾人祸,又一次把日本推向风口浪尖!
2011年3月11日,日本发生里氏9.
0级大地震,引发海啸,并造成重大伤亡.
地震、海啸带来的次生危害,似乎更严重,全世界的目光,都被吸引到了福岛核电站.
地震、海啸、核泄漏、核辐射、核危机……成为新闻媒体的关键词,严重的事态发展,核泄漏与爆炸,着实让人揪心,世界各国人民对福岛核电站表现出莫大关注和担忧.
作为近邻中国,特别是相隔2000公里的上海,对福岛第一核电站1号、3号以及2号反应堆先后发生氢气爆炸,并造成放射性物质外泄的严重事故,深深不安,甚至发生了一场抢购碘盐的风波,有专家戏言,吃几公斤碘盐才能预防,岂不成了"盐锔鸡"那么这场危机究竟怎么会发生的目前的技术能确保核电安全吗未来核电技术将走向何方福岛核电厂到底发生了什么福岛核电厂危机的本质是核燃料余热冷却问题.
大家知道,核电厂发电利用的是核裂变反应产生的热量.
在反应堆中核燃料铀受到中子轰击后会裂变成两个较小的原子核,同时释放出2.
6个中子用于下一次的核裂变,还会释放热量.
事实上每次裂变生成的两个较小的原子核并不都是相同的,因此在反应堆中核燃料铀裂变后会产生上百种元素,而且这些裂变产物绝大多数是很不稳定的同位素,它们会不断通过辐射和释放能量(热)趋向稳定,这个过程叫做衰变.
衰变过程从反应堆开始运行就伴随着了,反应堆停堆后,核裂变反应生成的热量没有了,新的衰变不会产生了,但已有的衰变仍要持续下去,这就是反应堆停堆后的余热的来源.
一般来说,裂变终止后10秒,衰变能量(余热)为反应堆满功率的7%左右,10分钟后降至3%左右,1天后降至1%以内,之后,衰变能量以很低的速度继续下降,但会长期持续,因为有的同位素其半衰期达数千年甚至上万年.
这次地震来临时,福岛核电厂进行了自动停堆,核裂变反应就停止了,由于外电网被地震破坏,电厂就自动启动了柴油发电机来带动反应堆余热冷却系统,此时电厂处于正常的停堆后余热带出冷却状态.
然而之后巨大的海啸,将电厂所有的柴油发电机都淹了,这样堆芯和乏燃料池中的燃料棒的余热就失去了持续的冷却.
以福岛1号机组为例,它的电功率是46万千瓦,是6个机组中最小的,其反应堆热功率为140万千瓦左右,如以1%计,衰变中的核燃料就像一个14000千瓦的大火炉,不停燃烧升温.
如果不冷却,堆芯会在被加温至数千摄氏度后融化,继而融毁压力容器,造成大量放射性物质释放.
期间在1000多度时还会由于燃料棒包壳材料锆与水进行反应生成大量氢气,这些氢气积聚到一定数量就会发生爆炸.
而在乏燃料池中,乏燃料的衰变也在不断进行,因此也需要冷却,否则也会因为高温损坏,释放出放射性物质.
温度进一步上升也可能导致氢气产生,从而发生氢气爆炸事故.
从福岛核电厂1至3号机组都发生过氢气爆炸、大量放射性释放现象来看,它们的反应堆至少已经历过1200多度以上的高温,燃料棒损坏情况是很严重的.
此次日本福岛核电站的事故,虽因自然灾害造成,但是政府和技术人员的应对相对滞后,动作迟缓也是原因,包括对操作员的授权不够,因为在极端情况下采用海水向反应堆注水应在事先制定的应急预案中考虑了的,而无须由日本首相来批准.
如果能够早一天注入海水,这次事故的后果或许就不会像今天这么严重.
此外福岛核电站本身也存在一些安全设计问题,堆型为沸水堆,放射性容易泄漏.
其设计也比较过时,是建于三里岛事故之前的机组,没有像后期的先进沸水堆那样设置大型的安全壳.
如果能像三里岛事故那样有大型的安全壳,尽管堆芯已经熔毁,对环境的放射性排放还是可以极其有限的.
此外三里岛事故后国际上提出了许多改进安全的措施,尤其是在对付严重事故方面的措施,但此次福岛核电厂的表现让人感到它在对付严重事故方面能力明显不足,以至事故扩大到这么严重的程度.
要完全解决福岛危机看来还需有不短的时间.
核能利用的历史回顾人类跨入了解原子核的大门首先是从发现X光和放射性元素开始的.
之后德国科学巨匠爱因斯坦于1905年发布了著名的质能关系式:E=MC2(即能量=质量X真空中的光速平方),揭示了原子核内部蕴藏着巨大的能量,为后来的核裂变、核聚变等提供了理论依据.
随后中子、铀原子核的裂变等一系列的发现从根本上动摇了人类对原子的认识.
1942年12月,在费米领导下,美国在芝加哥大学建成世界上第一座核反应堆,证明了实现受控核裂变链式反应的可能性,使人类找到了从自然界中获得更多能源的途径,费米堆的诞生将人类带入了崭新的原子能利用新时代.
然而人类利用核能却是从原子弹、核潜艇开始,同时正因为核能技术在军事领域的不断应用,使核能利用的技术也日趋成熟.
1954年,前苏联建成世界上第一座专门用于发电的原子能发电站,虽然其电输出功率仅为5000千瓦,但它揭开了人类和平利用原子能的序幕.
核能的和平利用始于上世纪50年代初期.
1951年12月20日美国爱达荷国家反应堆试验中心使用实验增殖反应堆(EBRI)的余热试验发电,第一次产生了电流,当时电功率仅为100千瓦,虽然是第一次用核能点亮了灯泡,但它没有将电能输入电网,因此严格意义上它不能算作"电厂",当然也不能算作世界上第一座原子能发电站.
1954年前苏联建成世界上第一座原子能发电站——奥布灵斯克(Obninsk)核电站.
它利用浓缩铀作燃料,采用石墨慢化水冷堆技术,输出电功率为5000千瓦.
核电站位于俄罗斯卡卢加州,它的投入使用标志着人类核电时代的到来,也意味着核能的和平利用成为现实.
上图为奥布宁斯克核核电站的主控室.
如果要与当代的现代化核电站相比,奥布宁斯克核核电站的主控室和主控制台看上去就显得小很多、简陋很多了.
继1954年前苏联建成世界上第一座原子能发电站后,1956年英国和法国也建成一批生产钚和发电两用的气冷堆核电站.
美国西屋公司利用其核潜艇技术建成了世界上第一座商用核电站——美国希平港(Shippingport)核电站,见左图.
其电功率仅为6万千瓦,于1957年12月23日达到满功率运行,1982年退役,1987年原厂址清理干净成为附近居民和儿童可以进行野餐和游玩的公园.
民用核能发电的真正大规模发展是在二十世纪70年代至80年代早期,人们称这一时期建设的核电厂为第二代核电厂.
从1970年至1975年,核电装机容量每年以30%的速度增长.
在有的国家,甚至以超过100%的速度增长.
这是因为当时全球经济处于高速发展期,电力的需求也处于高速增长中.
同时人们理想地认为原子能是无穷无尽的,已经可以大规模地取代煤和石油,煤和石油可以仅仅作为化工原料来加以利用.
因此至1987年,在不到20年的时间里,世界核发电量就从可忽略不记发展到占全球总发电量的16%.
并形成了几个主要的核电技术类型,它们是:压水堆核电厂、沸水堆核电厂、重水堆(CANDU)核电厂、气冷堆核电厂、以及压力管式石墨水冷堆核电厂.
其中气冷堆核电厂由于其经济性竞争不过轻水堆核电厂,在上世纪70年代末停止了兴建.
石墨水冷堆核电厂在切尔诺贝利事故以后也不再兴建.
核能发电在80年代发展逐步缓慢,其根本原因是全球经济的增长缓慢,其他因素包括环境保护者的反对、高利率、1973年和1979年石油震荡引起的能源消耗下降等,特别是受到1979年美国三里岛核电站和1986年前苏联切尔诺贝利核电站两起核事故的影响.
三里岛核事故是核能民用的第一次重大核事故,虽然没有对公众和环境产生放射性影响,但是增强了公众对核能发电的担忧和反对,同时巨大的经济损失打击了新核电项目的投资.
前苏联切尔诺贝利核电站事故更增强了人们对核电安全的担忧,之后除了亚洲外其他核电国家基本都没有建设新的核电厂.
进入本世纪后,由于环境问题日益突出和新一轮经济发展对电力需求的增加,发展核电重新成为一个世界热点,因为核电是可大规模替代化石燃料的清洁安全能源.
世界已有核电国家纷纷提出了新的核电发展计划,目前没有核电的国家也纷纷计划建设核电站,根据国际原子能机构的统计,30多个国家向国际原子能机构表达了希望建设核电厂的愿望,其中10多个国家已开始了一些实质性的活动.
目前全世界在役核电机组有436个,它们的发电量占世界总发电量的16%.
我国大陆目前在役核电机组有13个,它们的发电量占全国总发电量的2%.
目前的技术能确保核电安全吗这次福岛核电站事故,是继1979年3月三哩岛和1986年4月切尔诺贝利两起重大核事故后又一起重大事故.
这三起大事故有一个共性就是这三座核电厂都是较老的设计,当初在设计中认为已经对事故防范考虑得很周全了,但在人为失误和超级自然灾害面前就显得无能为力了.
事实上也正是通过这些事故,推动世界核电的安全技术在不断发展之中.
三里岛事故发生的原因,主要是操作员人为失误造成的.
事故过程中稳压器上有一个阀门打开后没有回座,于是一直在漏水,但操作员只看到稳压器水位太高,于是就把冷却堆芯的注水系统关闭了,从而造成堆芯温度太高发生了熔毁,将一次普通事故变成了一次严重事故.
其背后的重要原因是人机对话设计的缺陷.
如果有直接的堆芯温度测量仪表,操作员就不会关闭堆芯冷却系统;如果有堆芯过冷度仪表,操作员就可以知道堆芯中冷却剂是否出现了沸腾工况;如果系统异常报警区分了优先级,操作员就不会被10多分钟内出现了500多个报警搞得晕头转向.
三里岛事故后,核电厂设计进行了改进:增加了宽量程的堆芯温度监视仪表;增加了堆芯过冷度实时监测仪表,并确定了堆芯过冷度的最低限值;增加了稳压器卸压阀开度指示仪表;增加了压力容器水位指示系统;增加了关键安全参数显示系统;确定了报警信号的优先级别,等等,并且随着IT技术的发展,人机接口变得越来越友好.
这些人机接口的改进大大提高了操作员对电厂安全状态判断的正确性,从而提高了核电厂的安全性.
人们称设计上采用了三里岛事故后提出的改进措施的核电厂为二代+核电厂.
切尔诺贝利核电站事故的原因在于设计上存在一个缺陷——固有安全性不足.
在它的设计中,堆芯温度越高核反应越激烈,从而温度就更高,形成了恶性循环.
而目前的核电站的核反应堆都具有自稳性,堆芯越热核反应就越小,堆芯变冷则核反应增加,能保证系统的相对稳定.
此外事故还反映出切尔诺贝利核电站在核安全文化方面的缺失,如果没有至上而下一系列的违法规程的行为,切尔诺贝利事故也就不会发生.
因此切尔诺贝利事故后国际原子能机构(IAEA)第一次提出了在核电厂中进行核安全文化建设的倡议,得到了全世界核工业界的积极响应.
一切以核安全为先决条件进行决策和行动,从人员行为到制度保障全方位地促进和保障核电厂的安全.
自从三里岛事故,尤其是切尔诺贝利事故后,世界各国的科学家对核电厂严重事故做了很多研究,类似福岛核电站的堆芯熔毁,氢气爆炸等等,都提出了许多防范措施.
我国核电厂是在三里岛事故后建造的,因此都考虑了这些改进措施,并且我国国家核安全局要求我国核电厂都必须设置这些改进措施,哪怕是国外引进建设的核电厂.
我国国家核安全局也要求我国核电厂都必须进行核安全文化建设.
另外针对严重事故,我国现在设计的核电站大多装有消氢系统,不让氢气积累到高浓度,随时将其消除.
还有供电问题,我国现在设计的核电站也都设置了额外的备用柴油发电机组,以防御全厂失电的情况.
这些措施的采用,使核电厂的安全防范能力得到很大提高,只要应对正确,类似福岛核电站事故是可以预防的.
但显然福岛核电站在防御严重事故方面的能力是不足的,对待严重事故的准备也是不足的,反映出核安全文化建设方面还没有完全到位.
因此可以预期,福岛核电站事故后,又将有一批改进措施被提出,从而人们对核电站安全对掌控水平又将提高一个层次.
世界核电发展趋势核电技术经过50多年的发展,其中有成功经验,也有失败教训,不断引发人们的思索和争议.
随着国际政治、社会、经济、科学和技术的发展和需求,核电技术也在不断的探索和进步中,特别是美国三哩岛核电厂和前苏联切尔诺贝利核电厂的事故,让人们更加深刻地反思核电站的安全性,虽然这期间核电站建得少了,但人们对提高核电站安全性和经济性的研究始终没有中断,产生了新的第三代核电技术,如:压水堆中的AP600、AP1000、ERP和System80+,沸水堆中的SABWR等.
例如,AP1000核电厂与传统的二代或二代+压水堆核电厂的最大不同在于安全系统的"非能动化".
所谓"非能动化安全系统"就是利用自然物理现象(蒸发、冷凝、自然循环、自然对流等)以及气体蓄能等来驱动流体流动,带走堆芯衰变热和安全壳中的热量,而不需要外部能源.
这些优点可完全克服这次日本福岛核电厂事故中暴露出第二代核电厂设计缺陷.
非能动设计理念的引入,使核电站的设计发生了根本的变化:1)安全系统设计简化、系统设置简化、工艺布置简化、施工量减少、工期缩短、运行和维修方便,最终使AP1000在安全性能显著提高的同时,经济上也具有了较强的竞争力.
2)事故处理简化,大大降低人因错误.
在发生事故后,至少在72小时内,操作员不必采取手动动作;在72小时以外,仅需要操纵员简单的动作和少量的厂外援助;在严重事故情况下,安全壳特性满足厂外放射性剂量限值的要求,至少72小时内,不需要厂外应急援助;在72小时以外,仅需少量的厂外援助,大大提高安全性.
3)非能动系统可靠、经济.
例如:设置的非能动安全壳冷却系统,事故时依靠钢安全壳外壁气流通道的空气对流和冷却水蒸发,带走安全壳内的热量,防止安全壳内超温超压.
冷却水的水箱设在安全壳头顶上,水依靠重力下流.
同时安全壳内的热蒸汽被钢安全壳冷却时会凝结成水,这些水通过预设水槽自然地收集起来,然后又可回到堆芯,冷却燃料元件,形成自然循环系统.
4)能防止堆芯熔穿压力容器.
AP-1000设置了熔融堆芯滞留设施(IVR)来缓解严重事故的后果.
在发生堆芯融化事故时,堆腔淹没系统将水注入堆内的同时,也注入压力容器外壁与堆坑绝热层之间的空间,以冷却从堆芯落到压力容器下封头上的堆芯熔融物,保证压力容器下封头不被熔穿,使堆芯熔融物保持在反应堆压力容器内,避免堆芯熔融物与安全壳混凝土底板发生放热反应,可防止安全壳底板直接受热破损和蒸汽爆炸的发生.
目前世界首批4台采用此AP1000技术的核电厂正在我国浙江三门和山东海阳建设中.
此外至上世纪末,根据国际政治的需要,新的第四代核能系统研发目标又被提了出来,其总目标是要在2030年左右创新地开发出新一代核能系统,使其在安全性、经济性、可持续发展性、防核扩散、防恐怖袭击等方面都有显着的先进性和竞争能力;它不仅要考虑用于发电或制氢等的核反应堆装置,还应把核燃料循环也包括在内,组成完整的核能利用系统.
目前已选定了六种反应堆型的概念设计,作为第四代核能系统的优先研究开发对象,我国也参与了这一国际联合开发工作.
上图为第四代核能系统中六种反应堆型之一的熔盐堆示意图.
此外人类对核聚变能的和平利用探索始终没有停止.
50年来,全世界共建造了上百个托卡马克装置,在改善磁场约束和等离子体加热上下足了功夫.
上世纪70年代,人们对约束磁场研究有了重大进展,通过改变约束磁场的分布和位形,解决了等离子体粒子的侧向漂移问题.
终于在90年代初实现了氘、氚的聚变反应,将含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到了摄氏3亿度,聚变能量约束时间达2秒.
反应持续1分钟,产生了1018个聚变反应中子,聚变反应输出功率约1.
8兆瓦.
1997年更是创造了核聚变输出功率12.
9兆瓦的新记录,此后这个记录被不断刷新.
2006年中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等6方在比利时首都布鲁塞尔草签了《国际热核聚变实验堆(ITER)联合实施协定》,标志着开创核聚变研究新里程碑的ITER计划正式进入了执行阶段,ITER计划就是合力建设世界上第一座聚变实验堆的计划.
与不可再生能源和常规清洁能源不同,聚变能具有资源无限,不污染环境,不产生高放射性核废料等优点,是人类未来能源的主导形式之一,也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一.
一旦实现聚变能和平利用,人类的能源问题就基本彻底解决了.