1 前言
人类的能源供应主要靠电力 , 电力的来源分为水电和火电 。水电受气候影响很大 , 故火电是必不可少的 。 传统的燃煤 (少量燃油 ) 火电越来越不适应现代社会的要求 。不但煤矿在地球上的储量有限 , 而且燃煤对大气和环境的污染也不可接受 。一台300MW的火电机组每天要烧 2000多吨煤 , 烧成的CO2 和 SO2 等有害气体排放大气 , 污染环境并使气温升高 , 烧后的煤灰堆放要占土地 。这样发展下去 , 地球将不堪承受 。而同样 300MW 的核电机组 , 每14 个月只要换几百公斤核燃料 , 就能连续发电一年多 , 运行中不装料不排污 ,“不吃不拉光干活” 。（核电站的“烟囱”是不冒烟的，只排放少量气体）。
过去一提到 “核电” , 人们马上会联想到可怕的原子弹和核辐射 , 谈虎色变 。现在经过科学家和工程技术人员的长期努力 , 核电的安全性已有足够可靠的保障 。所以说核电是一种强大 、可控 、清洁而又足够安全的能源 , 值得大力发展 。
2 核电的原理是什么
核电能量的来源与 “原子弹” 相同 , 即依赖于铀U235“裂变” 放能 。 U235核受中子轰击会分裂成 2 个较轻的原子核 ,同时放出 2～3 个中子及巨大的能量 ; 放出的中子继续轰击其他 U235,引起更多U235的裂变 ,这样像滚雪球一样 , 参加裂变的 U235及放出的中子越来越多 , 引起 “链式反应” 。当然中子也会被吸收或离散而消失 , 所以产生链式反应也是有条件的 , 这条件就是 “临界条件” , 最简单的 “临界条件” 是整块 U235的体积必须大于 “临界体积” 。原子弹中有两块 U235,分别的体积均小于临界体积 ,所以平时不会引起链式反应而爆炸 。 到需要攻击时先引爆一个火药雷管 , 利用火药爆炸产生的气压把两块 U235合成一块 ,其体积超过了临界体积 , 就引起链式反应 , 瞬间放出巨大的能量而爆炸 。
3 核电的能量为何能缓慢受控释放而不爆炸
核电反应堆的 U235浓度远低于原子弹 ( 约为1/ 30 ) ,而且核燃料中插了许多镉 ( Cd) 控制棒 ,周围还有大量的硼 (B) 水 ,它们对中子有强烈的吸收作用。
反应堆的核燃料 U235装量是大于临界体积的 ,但如镉棒插到底 ,则因其大量吸收中子 ,加上硼水的吸收 ,使链式反应终止。 要想起堆 , 应将硼水稀释到一定浓度 , 然后把镉棒稍稍上提 , 就能慢慢开始链式反应。只要精确地控制镉棒的插入深度 ,就能控制反应的强度(即链式反应的输出功率) ,使能量缓慢受控释放而不爆炸。 一旦发生紧急事故 ,保安装置会使镉棒靠自重迅速下落到底 ,全部插入反应堆中 ,吸收大量中子 ,使反应立即自动停止 ,免于事故扩大。
4 核电站是如何利用原子能来发电的
核电站是利用反应堆所产生的热能来发电的动力设施 ,它分为 “核岛” 和 “常规岛” 两部分 ,这 “岛” 可以理解为 “车间” 。 “核岛” 的中心是反应堆 , 代替火电厂的锅炉 。 目前世界上核电站常用的反应堆有压水堆 、 沸水堆 、 重水堆 、改进型气冷堆和快堆等 , 用得最多的是压水堆 。 因这部分有放射性 , 故对工作人员和设备均有特殊要求。其他如汽轮机、发电机和变压器等设备和一般火电厂相似 ,而且不带放射性 ,所以按常规要求处理。 所不同的是核电站的新蒸汽是饱和汽 , 而不象火电厂是过热汽。 所以同等功率下的蒸汽流量大 ,管道粗 ,汽缸大 ;而且饱和汽一膨胀就析出水分 , 要增设庞大的 “汽水分离器” 。“常规岛” 的其他设备与一般火电厂相似 ,只是要求可靠性更高。
压水堆核电站发电的流程见附图 。 反应堆的堆芯里装满核燃料 (其中插有控制棒) , 反应堆发生链式反应后即放出能量转化为热量 。为了冷却堆芯 ,把整个堆芯泡在流水 (硼水) 中 , 有专门的高压主泵打水循环 ,核反应的热量使水温升高 。因这部分水(叫一回路水) 接触核燃料 ,带有放射性 ,不能流向汽轮机做功发电 ; 必须通过一个叫 “蒸发器” (蒸汽发生器) 的热交换器 , 通过金属表面的传热 , 把热量传递给 “二回路水” , 将其加热成蒸汽 。由于蒸发器的隔离 ,使二回路的水和蒸汽不含放射性 ,可以通向汽轮机 ,推动汽轮机旋转 ,带动发电机而发电 。 汽轮机的排汽经海水冷却凝结成蒸馏水 , 经给水泵加压重新循环到蒸发器再次加热成蒸汽 , 如此循环不已 。因为经过一回路高压水的传递 , 核反应的热能就可产生二回路蒸汽用于发电 ,所以叫做 “压水堆” 。
5 核电站的安全有保障吗 ?
前苏联切尔诺贝利核电站的事故造成严重核泄漏 , 使人们惊魂未定。当时用的反应堆是 “石墨堆” ,即用石墨做中子缓冲剂 , 这种堆型安全程度不高 ,再加上运行管理的混乱 ,才酿成灾祸。 现在 “石墨堆” 早已淘汰 , “压水堆” 是当今最安全的堆型 , 它有三重安全屏障 ：
5. 1 燃料包壳
核燃料是 UO2 ,做成直径约 1cm 的小圆片 ,好像人们吃的药片。 把它们装入约 3 米长的锆 ( Zr) 合金细管并加封焊 ,这就是燃料包壳 ,是防止核泄漏的第一道屏障。
5. 2 压力壳
把一根根锆管组成的燃料棒组合成燃料组件 ,再把燃料组件组合成堆芯 ,包括其中插入的镉控制棒 ,一起装入一个厚重合金钢制的罐状压力容器 ,这是能
承受 219 个大气压和三、 四百度高温冲击的牢固的密闭容器 ,叫压力壳 ,是防止核泄漏的第二道屏障。
5. 3 安全壳
把上述压力壳 、 主泵 、 蒸发器等 “核岛” 的关键部件全部密封在一个二十层楼高的直径 36m 的钢铁混凝土 “大厦” 内 , 这个 “大厦” 内衬厚钢板 , 外浇 1m厚的钢筋混凝土 , 叫安全壳 , 是能耐受地震 、海啸和喷气式飞机撞击的牢不可破的第三道屏障 。
有了这三道屏障 , 再加上严密 、完善的管理系统 ,完全可以保障核电站的安全运行 。事实上我国自行设计 、建造和运行的第一座核电站 ,秦山核电站1 号机, 从1991 年 12 月 15 日首次并网发电以来一直安全运行 ,到2006年只停机换料 8 次 ,换料周期长达 14 个月 ,已跨入国际安全先进行列 。
6 核废料如何处理
已在反应堆内燃烧完而不能继续使用的核燃料称为 “乏燃料” (俗称 “核废料” ) , 它本身仍然含有可裂变物质 , 并伴有高度的放射性 。根据我国的核产业政策 , 乏燃料将进行 “后处理” , 从中提取可裂变材料 。为配合这一政策 , 刚从堆内卸出的核燃料组件必须存放在专门的乏燃料存储水池内 , 沉在6m深的水底就没有危险 , 保证乏燃料得到足够的衰变与冷却时间 。在经过一段时间的存放后 , 最终将乏燃料及其核责任转移给后处理部门 , 不准随便丢弃 。
7 我国核电发展的现状和前景如何
继秦山 1 号机 (310MW) 率先建成发电后 , 已有国产的秦山 2 期 ( 2 × 650MW ) 、 加拿大的秦山 3 期 ( 2× 700MW ) 相继建成发电 。另有深圳大亚湾核电站(法国反应堆 , 英国发电机 2 × 984MW) 和扩建的岭澳核电站 ( 法国机组 ,4 × 1000MW ) 建成发电 。到2006年为止 ,中国大陆投入运行的共有 11 台核电机组 ,总装机容量达 900 万千瓦 。 占全国发电总装机容量的 2. 3 % 。
目前我国在建的核电机组有江苏连云港田湾核电站 ( 俄罗斯机组 ,2 × 1060MW ) 即将发电 ,浙江台州三门核电站 ( 美国机组 ,2 × 1000MW) 即将开工 ,另外广东阳江核电站正在筹建 。秦山核电站第4期方家山国产2×1000MW工程于2008年开工。
中国核电技术已经成熟 , 除了自己设计建造的秦山一 、 二期核电站长期安全运行外 , 中国出口巴基斯坦的恰斯玛 300MW 核电站也一直安全正常运行 。
中国已将 “大力发展核电” 作为基本国策之一 ,据报道将在未来 15 年内建造 40 座 1000MW 级的大型核电站 。
让核电之花在中国大地绚丽盛开 !
初稿写于2006年
核电机组左起：发电机、汽轮机、汽水分离器
核电站发电流程
核电站主控室
中国大陆首发秦山核电站
