新能源核能

第五章新能源•1核能•2太阳能•3风能•4地热能•5海洋能•6生物质能•7氢能1核能1.1福岛核事故1.2什么是核能1.3核能的开发与利用1.4核能的特点1.5核能的和平利用1.1日本福岛核电站事故2011年3月11日当地时间14:46，日本本州岛附近海域发生9级特大地震（震源深度20公里），随后引发10米以上海啸，造成日本历史上空前的地震-海啸大灾难。海啸前后对比福岛核电站岌岌可危地震发生前：1号、2号、3号机组处于运行状态4号、5号、6号机组处于停堆检修状态机组编号电功率/热功率（MW）堆型投入运行时间1460/1380BWR-319712784/2381BWR-419743784/2381BWR-419764784/2381BWR-419785784/2381BWR-4197861100/3293BWR-51979•东京3月11日14：46，福岛核电站以东140公里处海底发生9级地震•15：34，海啸到达电站，浪高达14米，摧毁了应急柴油机。•23时左右，蓄电池耗尽，汽动泵停运，堆芯丧失所有冷却功能•福岛核事故是在出现超强自然灾害（超设计工况地震、叠加设计未预期的海啸）以及沸水堆设计安全性不足的情况下发生的。事故发展事故发展2事故发展•第一安全对策实现：反应堆及时关闭•第二安全对策没有实现：首先是全厂断电，后备的蓄电池容量不足，堆心得不到冷却•第三安全对策部分失效：因不能冷却，压力升高，开始有计划的向外释放，后期被迫释放•控制与冷却是最为基本的对策，是前提和基础，包容只能在前两个对策有效的情况下才可实施。事故处置●地震发生后，正在运行的1号、2号、3号机组自动停堆，靠备用的柴油发电机供电的应急冷却系统随即启动，维持堆内燃料元件的水冷却循环。（经受住了9级地震的考验）●大约在震后51分钟，海啸淹没并冲毁了应急冷却系统—柴油机系统。●日本东京大学Kuno先生：当地海啸的历史记录为5.7m，核电站设防为10m，而本次海啸为14m紧急调用移动式柴油机，但由于功率较小而冷却不够，堆芯冷却水蒸发，燃料元件露出水面，温度上升，燃料包壳（锆）与水反应，生成氢气。氢气的积累导致一系列爆炸或爆燃。3月12日，1号机组厂房发生氢气爆炸；3月14日，3号机组厂房发生更猛烈氢气爆炸；3月15日，2号机组厂房抑压池发生爆炸；3月15、16日，4号机组厂房乏燃料水池氢爆燃；3月16日，5号、6号机组乏燃料水池升温。●上述爆炸或爆燃，导致放射性物质外泄。●反应堆堆芯和乏燃料水池因失水使燃料急剧升温，出现部分燃料元件熔毁情况。●3月12日，有人建议注入海水以降低堆芯温度，1号机组氢爆后，仍未考虑注海水●3月13日，不得不采用注入海水冷却措施，这意味着反应堆将被报废。●3月21日16:30，福岛第一核电站3号机组冒黑烟所有人员撤离，可能是位于3号机组东南方的乏燃料水池附近的电缆线等因高温导致起火。3月23日，仍在冒烟。●当天下午稍后，2号机组冒白烟，可能是燃料水池水蒸气，辐射剂量严重超标。●从事故机组冒出的蒸汽中夹带了大量的裂变产物气体I-131等，污染了周边大气环境，并随大气环流飘到全球各地，但辐射剂量极低。●在3月21日采集的核电站附近土壤样品中检测到了由这次核事故释放的少量钚（约0.58Bq/kg），这又是表明了部分核燃料已经严重损毁。●3月下旬，在核电站出海口检测到较强的放射性污染，发现是核电站事故产生的高放射性污水的渗漏。先后采用了混凝土、吸水高分子化合物进行堵漏，均不见效，最后采用水玻璃才勉强堵住。●3月27日，在2号机组涡轮机房地下室积水中检测到高放射性的废水，当时说是正常值的1000万倍，第二天又更正为10万倍，放射性浓度为1.9×1010Bq/L。●4月4日，日本宣布为了给积存的高放射性的污水转移到储存容器，将积存的11500吨低放射性污水排入海里，其I-131的浓度为180Bq/L。机组1234堆芯-燃料破损熔化破损熔化破损熔化无燃料压力容器完整性泄漏不明不明堆芯冷却功能无无无安全壳完整性可能漏可能漏可能漏厂房大坏小坏大坏大坏乏燃料水池冷却功能恢复功能恢复功能恢复补救注水2011年7月1日实现“冷停堆”需要9个月——今年底左右水冷却措施●“水棺”——向1号机组反应堆安全壳注水，以冷却安全壳内的压力容器。但不奏效（安全壳漏了）。●冷却水循环——设法架设水循环冷却系统，先净化反应堆机房和涡轮机房地下室等地的污染水，然后注入安全壳内和压力容器内，以实现冷却水循环利用。核电站事故等级●日本开始将日本福岛核电站事故定为4级，后上调为5级●4月12日，日本宣布日本福岛核电站事故定上调为7级☞7级标准：I-1311.0×1016Bq☞日本原子能安全保安院数据:I-1313.7×1017Bq☞日本原子能安全委员会数据:I-1316.3×1017Bq☞切尔诺贝利核事故：I-1311.8×1018Bq●在相当长时期内，还将持续释放放射性物质核事故分类特大事故（Majoraccident）7严重事故（Seriousaccident）6跨厂事故（Accidentwithoff-siterisks）5厂内事故（Accidentmainlyininstallation）4严重故障（Seriousincident）3一般故障（Incident）2异常事件（Anomality）1障故事故核事故危害日本福岛核事故前苏联切尔诺贝利核事故美国三哩岛核事故爆炸原因氢爆蒸汽爆炸无爆炸点反应堆厂房顶部反应堆堆芯无堆熔状况堆芯损坏堆芯爆炸堆芯熔化放射性释放大量放射性气体释放大量放射性释放固体、气体释放少量放射性气体释放事故影响范围半径30公里撤离污染面积15万平方公里事故电站厂房核电站事故后目前的基本状态●反应堆达到“冷停堆”的可控状态至少到年底；●堆芯燃料棒大量熔毁并落至压力容器底部，烧穿容器，导致安全壳损坏（反应堆机房地下室发现深4米以上的积水）；●放射性物质大量释放到厂区、周边地区，造成该地区土壤、水系、空气及附近海域较长时间的放射性污染事故处理仍在进行之中，其后果尚难准确预测。严重外部事件重叠●9级大地震——福岛第一核电站基本经受住了☞地震发生后，正在运行的1号、2号、3号机组自动停堆☞备用的柴油发电机供电的应急冷却系统随即启动●14米海啸——淹没并冲毁了应急冷却系统，导致地震-海啸-核事故连环灾难●日本核电站设计抗震方面做得好，但抵御海啸能力不足。据东京大学教授介绍，该处海啸历史记录为5.7米，设防为10米，但这次海啸为14米。●应急柴油发电机的位置低于反应堆，且集中在一起，致使海啸淹没并冲毁了全部应急冷却系统。日本福岛核电站事故教训●日本政府方面缺乏应对突发事件的果断决策，而是“放手”让东电公司去处理●东京电力公司方面在处理核事故初期心存侥幸☞在堆芯急剧升温而发生1号机组厂房爆炸后，仍心存侥幸，企图保全核电机组，而迟迟不采纳灌注海水降温的建议（一旦灌注海水，反应堆将报废）。企业利益＞社会责任☞直到地震2天之后才开始灌注海水，已经错过了事故处理的最佳时机，失去了最关键的头几个小时。（如何能够确定一开始就应该灌海水？万一导致更严重问题呢？）九个月事故处理计划•4月17日据日本新闻网报道，日本东京电力公司董事长胜俣恒久17日下午15时在东京举行记者会，表示福岛第一核电站核泄漏问题将在9个月内得到最大限度的解决。•胜俣恒久指出，解决核泄漏问题将分为两个阶段实施。第一阶段为3个月，其主要任务是处理所有高浓度污染水，同时防止各反应堆发生蒸气爆炸。第二个阶段为3至6个月，主要工作是恢复各反应堆的冷却系统功能，有效控制放射性物质的扩散，将核污染量降低到最低。•据悉，这是福岛第一核电站事故发生以来，东京电力公司首次列出事故处理的日程表2020年3月1日11时35分以下是日本東京電力公司5月13日提供的福島第一核電站1號機組核反應爐廠房外罩模擬圖。當日，日本東京電力公司表示將於6月開始建設一個外罩，將福島第一核電站1號機組核反應爐廠房罩住。日本經濟産業大臣海江田萬里13日宣佈,由於福島第一核電站1號機組燃料很可能已經熔毀,同時壓力容器底部也出現了破損,因此有必要對東京電力公司的工程表進行修改。2020年3月1日11时35分東電將建造福島第一核電站1號機組外罩福岛核事故对世界核能发展已经产生重大影响！1.2什么是核能核能是核反应释放出来的能量“核能”来源于将核子(质子和中子)保持在原子核中的一种非常强的作用力——核力。核力和人们熟知的电磁力以及万有引力完全不同，它是一种非常强大的短程作用力。•——•核能的来源——以下两个途径可以获得能量：1.重核裂变，即一个重核可裂变为两个中等质量的核，从而获得原子能。2.轻核聚变。当两个或两个以上的较轻原子核，在极高的温度和极大的压力下非常靠近时，它们聚合在一起而形成一个较重的新原子核，同时释放出巨大的能。•根据这一原理，核能的实际利用有两种方法：一是目前已达到实用阶段的重核裂变方法，这就是核裂变反应堆的原理；二是目前还处于研究试验阶段的轻核聚变方法，这就是核聚变反应的原理。核裂变反应核裂变反应核聚变反应重核裂变与轻核聚变核裂变：被中子击中时，大原子核分裂成数个小原子核，这个过程会释放能量。核聚变：数个小原子核结合并释放能量。nHHH10423121nXeSrnU10136549038102359210•核能开发的本质问题是可控地将核裂变或聚变产生的能量转变为热能，热能转变为机械能，进而转化为电能等形式的能。与化石能源的直观比较是将燃烧锅炉等化学能装换设施换成了反应堆或聚变装置。•核能开发与利用是集现代科学与现代技术于一身的技术密集、资金密集的产业，核能是目前唯一可大规模开采利用的新型清洁能源。1.3核能开发与利用的产业链2020年3月1日11时35分•首先是核燃料循环：核燃料的勘探、开采、浓缩分离、燃料元件的生产、乏燃料的处理、核废物的处置等•核能转换或利用系统的研究与技术开发•核能转化与利用系统的设计•核能转换系统、设备的制造、安装调试•核能转换系统运行与管理•核能转换系统的退役与处置1.3核能开发与利用2020年3月1日11时35分一.核科学与技术的内涵核电站示意图核燃料•（1）核裂变的核燃料•（2）核聚变的核燃料（1）核裂变的燃料•核裂变的核燃料主要是铀。天然铀通常由3种同位素构成：铀-238，约占铀总量的99.3%；铀-235，占铀的总量不到0.7％；还有极少量的铀-234。天然铀与浓缩铀天然铀低浓缩铀U-238U-238U-235U-235•铀的浓缩方法：（1）气体扩散法；（2）激光分离法。•与一般的矿物燃料相比，核燃料有两个突出的不同特点：（1）是生产过程复杂，要经过采矿、加工、提炼、转化、浓缩、燃料元件制造等多道工序才能制成可供反应堆使用的核燃料；（2）还要进行“后处理”。临时贮藏回收废物处理最终储存产生能量采矿转化浓缩核燃料制作核燃料的循环（2）核聚变的燃料•最容易实现核裂变反应的是原子核中最轻的核，例如氢、氘、氚、锂等。•其中最容易实现的热核反应是氘和氚聚合成氦的反应。•作为核燃料之一的氘，地球上的储量特别丰富，每升海水中即含氘0.034g，地球上有15×1014亿吨海水，故海水中的氘含量即达450亿吨，因此几乎是取之不尽的。1.4核能的特点1高能量密度容量1000MW的电厂满功率运行300天，压水堆核电厂消耗低浓缩铀25~30吨，燃煤火电厂消耗煤炭310万吨左右。2堆内大量放射性物质3有衰变热4清洁能源5可持续发展6安全性高（1）实验示范阶段（2）高速发展阶段（3）滞缓发展阶段（4）复兴阶段1.5核能的和平利用（1）实验示范阶段1951年美国首次在爱达荷国家反应堆试验中心进行了核反应堆发电的尝试，发出了100千瓦的核能电力，为人类和平利用核能迈出了第一步。1951年的ARCO快堆发电装置1954年美国开始5个工业原型堆的计划(PWR,BWR,HeavyWR,MSR,HTGR,FBR)1957年12月发电的著名希平港核电站(原型PWR)，6万千瓦.1960年7月投入商业运行的Dresden