核电站安全性分析与发展预测

核电安全分析与预测摘要2011年3月15日，日本9级的大地震导致福岛第一核电站发生了氢气爆炸事件，而且出现了辐射泄漏，然而核电站的危机并没有就此停止下来，而是不断地在绵延扩大，一时间核电站的安全问题成为世界的焦点。在本文中，通过对我国用电量和发电量的历史数据的分析，从我国用电紧缺的发展趋势，建立发电量与用电量的趋势模型，从定性和定量的角度对核电站建立的必要性进行了分析。然后利用经济模型对建立核电站的成本进行对比分析，从经济的角度对核电站得建立进行了分析。针对核电站的安全性问题，本文建立了高斯扩散模型以及分段的高斯烟羽模型，在不同环境下，对核物质泄漏以后的扩散情况进行了细致的分析，并且利用matlab对扩散情况进行了模拟。最后，本文在前面两问分析的基础之上对核电站未来的发展前景进行了分析预测。关键词：核泄漏；核电站；高斯扩散模型；分段高斯烟羽模型一问题重述1.1研究背景当今世界已进入高科技信息时代。科技、经济、社会一体化的时代。能源,信息和材料科学技术巳成为现代高科学技术的三大基础。核电站在经济竞争和高科技发展中扮演着十分重要的角色。核电作为一种清洁能源，技术已经成熟，安全可靠性得到了实践验证，供应能力较强，已成为国家能源电力战略的重要组成部分。加快核电发展，发挥核电在电力供应中的更大作用，是我国电力发展的必然选择，是满足经济和社会发展的重要保障。当前，世界主要能源为煤、石油、天然气。按照目前全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间：石油45～50年；天然气50～60年；煤炭200～220年。燃用化石燃料的同时向大气排放大量的“温室气体”CO2和形成酸雨的SO2和NOX，并排放大量的烟尘，对环境造成了严重破坏。而核能不产生有害物质。为了实现可持续发展，人类迫切需要新的替代能源。目前，唯一达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源就是核能。纵观核电是事业的发展历程[1]，自1951年人类利用原子能发电以来，核电已走过半个多世纪的历程。在经过最初十几年的试验性发展阶段之后，核电技术趋于成熟，发电成本大幅下降，有些国家的核电成本已经低于常规火电。随着世界石油危机引发的全球经济衰退，使人们更加认识到核电在保障能源供应和平抑能源市场价格波动方面的重要作用，核电由此进入迅速发展阶段。拥有核电站的国家逐年增多，除前苏联、美、英、法等国外，印度、巴西、阿根廷等发展中国家也建成了一批核电站。1.2核电发展现状[2]世界核电发展已经走过半个世纪的历程。截止2004年6月，全世界共有442台核电机组在运行，装机容量达到3.63亿千瓦。核电占全世界发电总量已经连续17年稳定在16左右。2003年有16个国家的核电比例在25以上。核电在发达国家的电力供应中的比例，法国为77.6，德国28.1，日本为25，英国23.7，美国20，俄罗斯为16.5。图1、秦山核电站我国自1985年建立第一期秦山核电站（图1）以来，迄今为止，目前6个投入运营的核电，12个在建的核电站，25个筹建中的核电站。她们遍布我国的东南沿海各省，为我国的电力事业贡献了无比巨大的力量。图2、福岛第一核电站然而在这大好的前景下，于中国隔海相望的日本，在2010年3月11日，福岛第一核电站（图2）发生了爆炸，同时放射出了大量的核物质。此次核泄漏按照国际原子能机构的说法是第五级，目前已经致使近二十万人迁离事发地，并且核离子还波及到了大洋彼岸的美国、加拿大……1.3问题重述综上所述，对世界的核电站重新进行安全评估已刻不容缓。从互联网上查询相关数据，对其进行合理假设，分析并作出安全评估。(1)在不建立核电站的情况下，用电量和发电量之间的差距有多大？建设一种某种规格的核电站能提供多少电力？目前我国有几个核电站，在建或者准备建设的有几个？建设核电站的经济成本和效益如何？也就是要求建立建设核电站必要性的数学模型并进性分析。(2)以秦山或者大亚湾核电站为例，如果这些地方出现了严重的自然灾害造成了核泄漏，那么，在一定气象条件(一定风力、风向、下雨等)的情况下建立核扩散的数学模型，并讨论对周围多大范围内的居民进行疏散以及其他应对措施和可能的后果。(3)综合上两问的分析结果对核电站的发展前景进行预测。二问题的分析与假设2.1问题分析针对问题（1），不考虑建立核电站的因素，分析用电量与发电量的差距所在属于一个基本的定量与定性分析相结合的简述问题。这里，我们以中国为例，通过互联网，查找有用的资料与可靠的数据，力求解决该问题。众所周知，自然灾害造成的核电站的核泄漏问题具有不可预测性和严重的后果。不可预测性是指自然灾害发生的不可预测；严重性是指核泄漏带给居民生命财产损失的危害严重。不可预测性与严重性使对于核电站的安全评估问题转化为对事发后补救措施过程的有效性和成本的评估问题。而对于事后不久措施研究的首要问题就是对于核泄漏的影响区域面积的模拟。为此针对问题（2），建立了核泄漏放射性物质泄漏模型——高斯扩散模型和分段高斯烟羽模型，对风和降雨等环境因素的影响进行了分析，定量分析了放射行物质的扩散情况，为核电站泄漏事故发生后决策提供了有力的依据，对保障周边居民的生命健康具有重要意义。针对问题（3），基于上述的核泄漏扩散模型的模拟和建立利润最大化模型考虑，结合我国核电站发展政策的实施，我们对核电站的发展进行预测，讨论核电站的发展趋势。2.2问题假设1.假设用于发电的核燃料的成本不变；2.假设以全国核电站的平均发电量为标准核电站的发电量；3.假设地面为全反射，风向恒定；4.假设核扩散范围内没有受到障碍物的阻挡(高山等)；5.假设核电泄漏以深圳大亚湾为例；6.不考虑温度变化对核离子扩散的影响。三符号说明符号说明F建设一座核电站前期所需投资的成本L建设一座核电站后期所需投资的成本W一座核电站处理核废料所需投资的成本C每年核电站购入原材料的成本N现有核电站的总数目Qn一座核电站的总发电量Pe研究期间的初期的电价t考察时间Td投资于单个核电站促进技术进步的资金所带来的经济效益Ep环保系数r环境治理投资占GDP的比重Qc全国每年的用电量R所有核电站的总经济收益函数S真实GDP增长率N’最优的核电站的数量dT年内德年均增长率k我国用于研究开发经费占GDP的比重yt研究预测t年我国用电量四模型建立4.1问题一4.1.1用电量与发电量差距问题为了具体的研究供电情况，以中国为例，从中国统计年鉴中查到1995-2008年我国总体的用电量与发电量，以及进口电与出口电的相关数据。对我国的用电量与发电量初步分析，可以看出，在近十几年间，我国的用电量与发电量一直处于平稳增加的态势，并且用电量和发电量都翻了三倍之多。与此同时，用电量与发电量呈现出轻微的差异，但是基本保持着供需的平衡。然而，随着社会的发展，电力的供给将会无法满足人们对电力的极大的需求。01000020000300004000050000600007000080000用电量1002310764112841159812305134711463316332190322197124940285883271234541发电量1007710800113451166212393135561471716405191062203325003286573281634669年份19951996199719981999920002001200220032004200520062007图1、1995-2008年我国用电量与发电量进一步，对我国的电力的进出口分析，可以得出，我国属于一个电力出口电量大于进口，且两者均在波动中逐年增加。这说明，我国在电力研究开发方面在国际中处于主动地位。然而，我国的进出口量并不多，这就意味着我国的供电情况仍比较紧张。050100150200250出口量60.337.17271.791.598.8101.997103.494.8111.9122.7145.7166.4进口量6.41.20.90.23.715.5182329.83450.153.942.538.4年份19951996199719981999920002001200220032004200520062007图2、1995-2008年我国电力进出口4.1.2我国核电站发展情况通过查询，2008年，中国核电运行机组11台，总装机容量为910万千瓦，年发电量684亿千瓦时，同比增长11.6%。据统计，2008年底我国发电总装机容量7.9亿千瓦，增长10.3%，全年总发电量达到32559亿千瓦时，增长14.44%，水电和火电占总发电量的97.81%。其中水电装机14526万千瓦，占总容量的20.36%，发电量4867亿千瓦时，占全部发电量的14.95%；火电装机55442万千瓦，占总容量的77.73%，发电量26980亿千瓦时，占全部发电量的82.86%。中国大陆目前6座建成和在建的核电站具体为：图3、我国核电站分布1.浙江省秦山(一期)核电站：1985年开工建设，1991年首次并网发电，1994年投入商业运行，其建成投产结束了中国大陆无核电历史，并使中国成为继美、英、法、苏联、加拿大和瑞典之后世界上第七个能自行设计、建造国内首座核电站的国家。2.秦山核电二期工程：于1996年6月2日开工建设，1号机组于2002年2月实现首次并网，2002年4月投入商业运行。秦山核电二期工程是中国首座自主设计、自主建造和自主运行的商用核电站。3.秦山核电三期工程：是中国和加拿大合作建造的我国第一座重水堆核电站。于1998年6月开工建设。1号机组于2002年11月实现首次并网，2002年12月投入商业运行。2号机组于2003年投入商业运行。4.广东省大亚湾核电站：是我国引进国外资金、设备和技术的第一座大型商用核电站，也是我国改革开放以来最大的中外合资项目。两套机组分别在1994年2月和5月投入商业运行，20年合营期内上网电量的70%送往香港。5.广东省岭澳核电站：由法国引进，于2003年1月全面建成投入商业运行。6.江苏省田湾核电站：位于江苏连云港市，于1999年10月开工建设，是由俄罗斯引进的压水堆核电站，该站两套机组预计分别在2004年和2005年投入商业运行。表1、我国在建筹建的核电站情况核电站机组数目现运行数装机量年发电量设计寿命秦山核电站64305.6175.640岭澳核电站22196.8196.840田湾核电站6259819840红沿河核电站6261221240宁德核电站60600040阳江核电站60600040三门核电站601200040海阳核电站60600040方家山核电站60630040由此，为了大致估计某一种核电站的供电能力，对以上核电站的供电能力进行简单的加权平均。通过计算，得到平均发电能力为593.6万千瓦。4.1.3核电站经济成本和效益分析为了更为仔细的分析核电站的经济成本和效益分析，我们采取定量分析与定性分析相结合的方式。即首先对核电站的成本与效益进行理论实质性的讨论；进而从数学模型建立的角度出发，量化进行评估。(一)定性分析核电评估优点：1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。2.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。3.核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。4.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便。5.核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。缺点：1.核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。2.核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏，故核能电厂的热污染较严重。3.核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。4.核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。5.兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。6.核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。经济