核電技術(shù)的興衰

核電技術(shù)的興衰

1堆型和堆芯的發(fā)展歷程1942年12月2日，在著名的科學(xué)家費米的指導(dǎo)下，位于加爾馬林健康中心的第一個核反應(yīng)堆達到了界限，表明人類已經(jīng)進入了能量社會。但是像許多其他的新技術(shù)一樣,核能首先被用到了軍事領(lǐng)域,如原子彈和艦艇核動力等,1945年投在日本廣島和長崎的原子彈與1951年投入使用的美國魚號核潛艇是其顯著標(biāo)志。不過軍事領(lǐng)域的成功應(yīng)用預(yù)示了和平利用核能的可行性,1954年6月前蘇聯(lián)建成了世界上第一座試驗性核電站,標(biāo)志著核電時代的到來。20世紀(jì)50年代末到70年代初,大規(guī)模發(fā)展核電的國家主要有美國、英國和前蘇聯(lián)等國家,發(fā)展的技術(shù)較成熟的核電堆型主要有壓水反應(yīng)堆(PWR)、沸水反應(yīng)堆(BWR)和鎂諾克斯型石墨氣冷反應(yīng)堆(MAGNOXGCR)和石墨水冷反應(yīng)堆(RBMK)等。20世紀(jì)70年代初的石油危機極大地沖擊了世界能源市場,一些國家,特別是自然資源比較匱乏的國家開始大規(guī)模發(fā)展核電,以減少對石油的依賴,確保國家的能源安全。這些國家有法國、日本、德國和加拿大等,其中法國和日本尤其突出,截止目前法國的核能發(fā)電比例已超過80%,日本也超過了40%,這一時期核電發(fā)展的主力堆型是PWR、BWR、CANDU(重水堆型)和RBMK等。到上世紀(jì)末,核電已提供了約17%的世界電力需求。我國在1964年爆炸了第一顆原子彈,1969年核動力潛艇陸上模式堆達到臨界,但在是否發(fā)展核電和采用什么堆型上長期爭論不休,直到20世紀(jì)80年代初才確定了壓水堆為主的核電技術(shù)路線,并開始了我國第一座核電站——秦山核電站的建設(shè)。1991年12月,秦山核電站并網(wǎng)發(fā)電,結(jié)束了我國無核電的歷史,隨后我國又陸續(xù)建設(shè)了廣東大亞灣核電站、廣東嶺澳核電站、秦山第二核電廠、秦山第三核電廠和江蘇田灣核電廠等核電站,已投運機組6臺,在建機組5臺,總裝機容量近900萬kW。但所有在建機組全部建成投產(chǎn)后,我國的核電占整個電力工業(yè)發(fā)電容量的比例也僅僅約3%,大大低于世界平均水平。世界核電的發(fā)展過程并非一帆風(fēng)順,在早期核能的發(fā)展過程中,曾經(jīng)發(fā)生了一些較嚴(yán)重的事故,如1957年的英國溫茨凱爾核反應(yīng)堆事故,就導(dǎo)致了堆芯的嚴(yán)重?fù)p毀和較大量的放射性釋放。1945年投放在日本廣島和長崎的原子彈帶給人類的心理沖擊及早期核能發(fā)展過程中發(fā)生的一些事故,引起了世界核能界,特別是西方國家的核能界對核安全的高度重視,在發(fā)展核電的過程中逐漸發(fā)展和形成了一套核安全思想和核電廠設(shè)計的基本安全要求,現(xiàn)在在運行的大部分核電廠可以說是基于這一套安全思想和設(shè)計要求的產(chǎn)物,它也保證了如此大量的核電廠在幾十年運行中的安全。2事故工況的多道防御眾所周知,核電廠的危害主要是放射性產(chǎn)物可能帶來的輻射危害,因而人們制定的核安全最終目標(biāo)是:建立并保持對輻射危害的有效防御,保護廠區(qū)人員、公眾和環(huán)境。為了滿足核安全最終目標(biāo)的要求,在核電廠的設(shè)計中將遵循兩個具體的安全目標(biāo)。在輻射防護方面,要“保證廠區(qū)人員和公眾在運行狀態(tài)下所受到的輻射照射低于規(guī)定限值并保持合理可行盡量低;保證減輕事故引起的照射”。一系列的國家法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了核電廠工作人員可接受的輻照劑量標(biāo)準(zhǔn)和核電廠的放射性物質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn),作為核電廠正常運行必須滿足的要求,同時核電廠在合理可行的前提下還要采取措施盡量降低工作人員所受劑量和放射性排放,如美國要求降低1人·雷姆的輻照劑量所花費代價不超過2000美元的話,則應(yīng)付諸實施;在核電廠的事故方面,要“保證從總體上防止事故的發(fā)生;保證在出現(xiàn)核電廠設(shè)計中考慮到的所有事故序列(即使是概率很低的序列)時,其放射性后果不大;通過預(yù)防和緩解措施保證發(fā)生嚴(yán)重后果的事故的可能性極低”。這要求核電廠采用保守的設(shè)計、高質(zhì)量的設(shè)備和嚴(yán)格的運行管理來使核電廠發(fā)生事故的可能性降到很低,即使如此,仍然要假想一系列可能發(fā)生的事故(這些事故發(fā)生的頻率可能低到10-6/運行堆年),并采取措施使假想事故的放射性后果不大。在核電廠的設(shè)計中,被廣泛采用的安全設(shè)計原則之一是縱深防御原則,即對安全有關(guān)的所有事項,不將安全依附與某一道單獨的防線,而是采用多道防御措施,確保防御的有效性。從核電廠的總體角度講,提供了如下層次的縱深防御:第一層次,通過保守的設(shè)計、高質(zhì)量的設(shè)備和嚴(yán)格的運行防止核電廠偏離正常運行工況。保守的設(shè)計,就是給構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備留有較大的運行裕量,并通過深入的分析假想出許多可能的事故工況,并采取措施限制其后果。如核電廠的抗震設(shè)計要能對付萬年一遇的地震,各種假想事故也達到了104～1010年一遇的水平;核電廠設(shè)備的制造要有嚴(yán)格的質(zhì)量保證措施、抗震鑒定和環(huán)境鑒定等,重要的設(shè)備,如反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng),要采用實際工業(yè)可以達到的最高水平制造;核電廠的運行,要遵循嚴(yán)格的運行管理大綱和程序;第二層次,通過檢測、自動觸發(fā)的控制和保護系統(tǒng)及運行人員的干預(yù)來糾正可能的對正常運行的偏離,防止這些偏離升級為事故工況;第三層次,基于如下假定,盡管極少可能,某些偏離仍然升級為事故工況,因此必須使用附加的設(shè)備和規(guī)程來控制事故的后果。在核電廠中除用于發(fā)電的工藝系統(tǒng)外,還設(shè)有專門的系統(tǒng),即所謂專設(shè)安全設(shè)施來實現(xiàn)這個要求。除上述防御層次外,核電廠還有一些附加設(shè)施和應(yīng)急計劃用以對付嚴(yán)重事故,對公眾提供進一步的保護?？v深防御的另一種應(yīng)用是多道屏障,為了防止核燃料中的放射性外泄,設(shè)有燃料包殼、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界和安全殼來包容放射性物質(zhì)。設(shè)計要保證每道屏障的有效性,并且為其提供保護。在核電廠的具體設(shè)計中,還采用了多種設(shè)計措施來提高可靠性和保證安全,主要的有:多重性。對承擔(dān)安全功能的系統(tǒng),采用多套冗余的系統(tǒng)和設(shè)備保證功能的可靠性:多樣性。為減少共因故障,對執(zhí)行同一安全功能的冗余系統(tǒng)里的設(shè)備,采用不同工作原理、不同的運行條件或不同的生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品;獨立性。對冗余系統(tǒng)的不同系列,放置在不同的廠房或房間內(nèi),防止一個系列的故障影響另外一個系列。固有安全和故障安全設(shè)計:盡量利用物質(zhì)的固有特性,如自然循環(huán)等。在設(shè)備發(fā)生故障時,要停留在對‘安全有利的位置等;在役試驗、維護、檢查和檢測。對構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備采用在役試驗、維護、檢查和檢測等措施,保證其功能的可靠性;設(shè)備停役:限制設(shè)備因維修、試驗、檢查等導(dǎo)致的停役,超出時限則須將核電廠置于安全狀態(tài)。核安全的具體要求還有很多,在這里不再詳述。總而言之,通過這一整套核安全思想的貫徹,現(xiàn)有核電廠的安全達到了很高的水平。美國利用概率安全評價(PSA)技術(shù)對現(xiàn)有核電廠的評估表明,核電廠發(fā)生嚴(yán)重堆芯損壞的頻率平均為10-4/堆年。由于有安全殼和嚴(yán)重事故的緩解手段,大規(guī)模放射性釋放的頻率還要降低一個數(shù)量級,即1000個核電廠運行100年才有可能導(dǎo)致一次較嚴(yán)重的大規(guī)模放射性釋放,而世界現(xiàn)有430余座核電廠在運行。1979年美國發(fā)生了聞名世界的三哩島核電廠事故,事故導(dǎo)致了反應(yīng)堆堆芯的嚴(yán)重熔毀,提醒人們必須高度重視核安全。但三哩島核電廠對公眾和環(huán)境的影響微乎其微,這也從一個側(cè)面證明了現(xiàn)有核安全思想和設(shè)計要求的適當(dāng)性及現(xiàn)有核電廠的安全性。作為一個反面的例子,前蘇聯(lián)脫離了世界核安全的主流,所設(shè)計建造的核電廠有諸多的安全欠缺,1986年發(fā)生的切爾諾貝利核電廠事故則造成了較嚴(yán)重的人員財產(chǎn)損失和環(huán)境后果。3堆型的確定和發(fā)展1979年發(fā)生的三哩島核電廠事故,特別是1986年發(fā)生的切爾諾貝利核電廠事故,引起了世界范圍內(nèi)對核電廠安全的高度重視。這固然有社會心理作用的一面,因為大量研究和運行實踐雖然證明核電廠對人員的風(fēng)險遠小于公共交通、采礦等許多行業(yè),但公眾對一次造成大量人員財產(chǎn)損失的事件總是特別敏感;另一方面也說明進一步加強核安全,提高核電廠安全性的必要性。1986年,美國核管會發(fā)布了關(guān)于核電廠安全目標(biāo)的政策聲明,對核電廠的安全提出了新的目標(biāo)。為了給公眾一個清晰、易于理解的概念說明核電廠所要達到的安全水平,政策聲明中提出應(yīng)該達到“鄰近核電廠的個人由于核電廠事故所導(dǎo)致的立即死亡風(fēng)險不超過美國人所面臨的其他事故所導(dǎo)致的立即死亡風(fēng)險總和的0.1%”和“核電廠鄰近區(qū)域人口由于核電廠運行導(dǎo)致癌癥死亡的風(fēng)險不超過其他全部原因所導(dǎo)致癌癥死亡風(fēng)險總和的0.1%”。而核電廠為了達到這個目標(biāo),要將大規(guī)模放射性釋放的頻率降低到10-6/堆年以下,即在現(xiàn)有的平均水平上再降低一個數(shù)量級。為了滿足新的安全水平要求,電力公司和核電供貨商都積極努力制定新的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),比較著名的有美國的用戶要求文件(URD)和德法兩國聯(lián)合制定的歐洲用戶要求文件(EUR)。在這些標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下,一系列新的核電堆型被開發(fā)出來或正在開發(fā),其中由美國GE公司、日本日立公司和東芝公司合作開發(fā)的先進沸水堆(ABWR)已經(jīng)獲得美國核管會的批準(zhǔn),并在日本建成運行了兩個機組;由原ABB/CE公司開發(fā)的SYSTEM80+和西屋公司開發(fā)的AP600先進壓水堆型也獲得美國核管會的批準(zhǔn);法國和德國也在聯(lián)合開發(fā)歐洲壓水堆(EPR)。這些堆型在多年成熟核電技術(shù)的基礎(chǔ)上又利用了多種先進技術(shù),如被動冷卻、計算機化的控制保護系統(tǒng)、模塊化建造等,力圖在安全性和經(jīng)濟性上都有較大提高,以增強社會對發(fā)展核電的信心和與其他能源的競爭能力。2000年美國的加利福尼亞州發(fā)生了嚴(yán)重的能源短缺,其他州,如紐約州等也發(fā)生了程度不同的電力缺乏,美國政府在考慮解決能源短缺政策時,已明確將核能作為一種選擇。世界范圍內(nèi)對核電的興趣在重新增長。2000年1月,美、法、日等9個國家召開了一個國際核電研討會,在會議上提出了所謂第四代核電的概念。目前一般認(rèn)為20世紀(jì)50、60年代核電初創(chuàng)時期開發(fā)的一些堆型可劃為第一代核電;20世紀(jì)70、80年代建造的、現(xiàn)在作為核電主力機型運行的堆型可劃為第二代核電;在URD或EUR指導(dǎo)下,近些年開發(fā)的,如ABWR、AP-WR、EPR等堆型可劃為第三代核電。而第四代核電力圖在發(fā)電成本、投資風(fēng)險、建造周期、降低輻射照射、容忍人為錯誤、減少廢物排放和放射性廢物處理、防止核擴散以及安全水平上進一步提高,以至可以取消廠外應(yīng)急計劃。但第四代核電目前還處于概念探索階段,雖然有一些堆型的初步設(shè)想,很多具體問題仍然不夠明朗。為適應(yīng)中國“十五”核電發(fā)展的需要,國家核安全局在2002年頒布了《新建核電廠設(shè)計中幾個重要安全問題的技術(shù)政策》,對國內(nèi)新建核電廠的安全水平提出了新的要求,它的貫徹執(zhí)行必然會使我國新建核電廠的安全水平進一步提高。4世界能源和環(huán)境問題隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會進步,人類對能源的需求越來越大。在傳統(tǒng)能源之外,人類正在探索太陽能、風(fēng)能和潮汐能多種新能源,但目前的技術(shù)水平導(dǎo)致這些能源的規(guī)模只能作為特殊條件下的補充,還無法取代傳統(tǒng)的化學(xué)燃料和核能源。在20世紀(jì)70、80年代,許多科學(xué)家對核聚變能源寄予了很大希望,認(rèn)為21世紀(jì)的頭20年內(nèi)很可能會有突破,但現(xiàn)在看來這個估計過于樂觀。中國經(jīng)濟近些年的快速發(fā)展導(dǎo)致了對能源需求的急劇增長,目前中國的年能源消耗折合大約20億t標(biāo)準(zhǔn)煤,中國的年發(fā)電總量已居于世界第二位,裝機容量超過3億kW。即使如此,中國的人均能源擁有量仍遠低于世界平均水平,預(yù)計到本世紀(jì)中葉,中國的總能源需求還要增加3倍。中國的能源結(jié)構(gòu)中煤炭所占比例過大,導(dǎo)致了嚴(yán)重的酸雨、粉塵和溫室氣體排放等問題,同時占用了大約一半的鐵路、水路運輸能力。2001年中國的石油進口已接近7000萬t,居世界第二位,世界石油市場的波動已對中國經(jīng)濟產(chǎn)生較大影響。有資料預(yù)計,到2020年,中國的石油進口將超過2.5億t/a,因而能源安全問題將成為一個影響經(jīng)濟發(fā)展和國家安全的重大問題。另有資料預(yù)計,到2008年,中國將成為世界第一大溫室氣體排放國,屆時來自國際上的減排壓力將顯著增加。把核能擺在適當(dāng)?shù)奈恢?作為解決能源和環(huán)境問題的一個重要手段日益顯得重要。世界核電近50年的運行經(jīng)驗表明,核電是一種安全、清潔的能源