核能發電

核能發電

核能發電是利用核反應堆中核裂變所釋放出的熱能進行發電的方式。它與火力發電極其相似。只是以核反應堆及蒸汽發生器來代替火力發電的鍋爐,以核裂變能代替礦物燃料的化學能。除沸水堆外,其他類型的動力堆都是一迴路的冷卻劑通過堆心加熱,在蒸汽發生器中將熱量傳給二迴路或三迴路的水,然後形成蒸汽推動汽輪發電機。沸水堆則是一迴路的冷卻劑通過堆心加熱變成70個大氣壓左右的飽和蒸汽,經汽水分離並乾燥後直接推動汽輪發電機。

基本信息

概述

核能發電核能發電

核能發電是利用核反應堆中核裂變所釋放出的熱能進行發電,它是實現低碳發電的一種重要方式。國際原子能機構2011年1月公布的數據顯示,全球正在運行的核電機組共442座,核電發電量約占全球發電總量的16%。擁有核電機組最多的國家依次為:美國、法國、日本和俄羅斯。

核能發電利用鈾燃料進行核分裂連鎖反應所產生的熱,將水加熱成高溫高壓,核反應所放出的熱量較燃燒化石燃料所放出的能量要高很多(相差約百萬倍),而所需要的燃料體積與火力電廠相比少很多。核能發電所使用的的鈾235純度只約占3%-4%,其餘皆為無法產生核分裂的鈾238。

熱核聚變是正在研究中的一種核能發電形式,它是利用氫的同位素氘-氚或氘-氘在極高溫下發生核聚變反應釋放出巨大能量而發電的。通過核聚變釋放巨大能量已為人類掌握,例如氫彈爆炸。但這種能量釋放是在瞬間完成的,人類無法控制,自然不能用於發電。正在研究的是如何實現對熱核聚變反應的人工控制。由於核聚變燃料的熱值相當高,1千克氘相當於4千克鈾-235,8600噸汽油或11000噸煤;加之這種核聚變燃料的儲量遠比其他核燃料多,所以,在人類面臨能源短缺的情況,美、蘇、日、德、英、法、中等國都投入相當大的力量從事聚變發電的研究。

舉例而言,核電廠每年要用掉50噸的核燃料,只要2支標準貨櫃就可以運載。如果換成燃煤,則需要515萬噸,每天要用20噸的大卡車運705車才夠。如果使用天然氣,需要143萬噸,相當於每天燒掉20萬桶家用瓦斯。換算起來,剛好接近全台灣692萬戶的瓦斯用量。

簡史

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1954年,蘇聯建成世界上第一座裝機容量為5兆瓦(電)的核電站。英、美等國也相繼建成各種類型的核電站。

1960年,有5個國家建成20座核電站,裝機容量1279兆瓦(電)。

1966年,由於核濃縮技術的發展,核能發電的成本已低於火力發電的成本。核能發電真正邁入實用階段。

1978年全世界22個國家和地區正在運行的30兆瓦(電)以上的核電站反應堆已達200多座,總裝機容量已達107776兆瓦(電)。

1980年代因化石能源短缺日益突出,核能發電的進展更快。

1991年,全世界近30個國家和地區建成的核電機組為423套,總容量為3.275億千瓦,其發電量占全世界總發電量的約16%。

80年代才動工興建核電站。中國自行設計建造的30萬千瓦(電)秦山核電站在1991年底投入運行。大亞灣核電站正加緊施工。

原理

核能發電的能量來自核反應堆中可裂變材料(核燃料)進行裂變反應所釋放的裂變能。裂變反應指鈾-235鈽-239鈾-233等重元素在中子作用下分裂為兩個碎片,同時放出中子和大量能量的過程。反應中,可裂變物的原子核吸收一個中子後發生裂變並放出兩三個中子。若這些中子除去消耗,至少有一個中子能引起另一個原子核裂變,使裂變自持地進行,則這種反應稱為鏈式裂變反應。實現鏈式反應是核能發電的前提。

要用反應堆產生核能,需要解決以下4個問題:

①為核裂變鏈式反應提供必要的條件,使之得以進行。

核能發電核能發電

②鏈式反應必須能由人通過一定裝置進行控制。失去控制的裂變能不僅不能用於發電,還會釀成災害。

③裂變反應產生的能量要能從反應堆中安全取出。

④裂變反應中產生的中子和放射性物質對人體危害很大,必須設法避免它們對核電站工作人員和附近居民的傷害。

根據計算,以鈾-235、鈽-239、鈾-233這些易裂變物質作核燃料時,每次裂變釋放出的可利用能量大約都是200兆電了伏,每產生1兆瓦功率,鈾-235的消耗率約為1.22克/天。1座百萬千瓦級核電站年消耗鈾-235約25噸。核能發電的核心裝置是核反應堆。核反應堆按引起裂變的中子能量分為熱中子反應堆和快中子反應堆。

快中子是指裂變反應釋放的中子。熱中子則是快中子慢化後的中子。大量運行的是熱中子反應堆,其中需要慢化劑,通過它的原子核與快中子彈性碰撞將快中子慢化成熱中子.熱中子堆使用的材料主要是天然鈾(鈾-235含量3%)和稍加濃縮鈾(鈾-236含量3%左右)。根據慢化劑冷堆劑和燃料不同,熱中子反應堆分為輕水堆(包括壓水堆和沸水堆)、重水堆、石墨氣冷堆和石墨水冷堆。目前已運行的核電站以輕水堆居多,我國已選定壓水堆作為第一代核電站。

核反應堆的起動、停堆和功率控制依靠控制棒,它由強吸收中子能力的材料(如硼、鎘)做成。為保證核反應堆安全,停堆用的安全棒也是由強吸收中子材料做成。

自然資源

自然界存在的可裂變元素只有鈾-235,而它只占天然鈾中的0.7%,其餘均為鈾-238。

但是,在核電站中可將一部分鈾-238轉變為鈽-239;同樣,也可以將自然界中大量存在的釷-232轉變為可裂變的鈾-233。

因此,估計核燃料資源時,必須考慮核燃料增殖這一因素。

這樣,核燃料的儲藏量遠遠超過化石燃料,能長期滿足核能發電的需要。

核電安全

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核能發電時存在大量放射性物質,需要特殊的防護設施。因此,核電站在設計、建造、運行時,要注意以下5個問題。

①實施縱深設防原則:

即在設計時就分三個層次進行安全設防:第一,通過設計逾度、質量管理、運行人員培訓等措施提高可靠性,儘量減少事故。第二,設定安全系統,一旦事故發生,防止堆心損壞。第三,在發生機率極低的堆心損壞事故後,安全系統將儘量限制放射性物質向環境釋放。

②設計基準事故(DBA):

用於設計核電站工程安全設施的一些假設事故。不同類型的核電站其DBA不同。輕水堆的DBA包括:冷卻劑喪失事故、彈棒事故、蒸汽管破裂事故等。它們中後果最嚴重的是失水事故。在壓水堆中假設為主管道的雙端斷裂,也稱為最大可信事故

③機率安全評價(PSA):

這是70年代後期發展起來的一種安全評價方法,核電站第一個完整的PSA報告是1975年美國正式發表的反應堆安全研究(WASH-1400)。該法分析輕水堆核電站中所有可能造成堆心損壞的事故,計算出各自發生的頻率值,總和為一萬七千堆年分之一;計算出核電站事故給公眾帶來的風險值。計算說明100座核電站的事故風險比人為的非核事故或自然災害所造成的總風險約小1萬倍。PSA一方面能給出風險值,使核電站安全有了定量化的描述,同時它系統地分析可能發生的各種故障模式,因而可給出事故的整體特性,成了安全研究方面的一個有力工具。

④制訂應急計畫:

預先規劃和準備一旦核電站發生放射性泄漏事故時,為避免或減緩可能對電站工作人員和周圍居民健康造成有害影響及其他放射性後果所採取的措施和行為。

⑤執行輻射防護三原則

核能發電的輻射安全同樣遵循國際上廣泛採用的輻射防護三原則,即實踐的正當性、輻射防護的最最佳化、個人所受的劑量當量不得超過國際輻射防護委員會對相應情況所建議的限值。

經濟性

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經濟性以發電成本衡量。構成核能發電成本的因素很多,包括基建投資費用、安全防護費用、核燃料費用,以及核電站退役處理費用。核電發展初期,不僅基建投資費用昂貴,核燃料生產過程複雜,需要龐大的設備,加上特殊的安全措施需要,核能發電成本高於火電成本1倍以上。

到60年代,核能發電成本已接近火電成本。到80年代,核電的成本已低於火電。

據美國1984年統計,核電成本為2.7美分/千瓦時,而燃煤的發電成本為3.2美分/千瓦時,燃油發電成本為6.9美分/千瓦時。

核電成本隨各國經濟發展水平、科學技術水平而異,以上所列均為核電發展水平較高的國家的數據。核能發電的成本雖然有了很大降低,但近年來發現核電站退役處理的費用遠比早先預計的為高。因此,核電的總成本還應有所增加。

優缺點

優點

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1.核能發電不像化石燃料發電那樣排放巨量的污染物質到大氣中,因此核能發電不會造成空氣污染。

2.核能發電不會產生加重地球溫室效應的二氧化碳。

3.核燃料能量密度比起化石燃料高上幾百萬倍,故核能電廠所使用的燃料體積小,運輸與儲存都很方便,一座1000百萬瓦的核能電廠一年只需30公噸的鈾燃料,一航次的飛機就可以完成運送。

4.核能發電的成本中,燃料費用所占的比例較低,核能發電的成本較不易受到國際經濟情勢影響,故發電成本較其他發電方法為穩定。

缺點

要用反應堆產生核能,需要解決以下10個問題:

1.為核裂變鏈式反應提供必要的條件,使之得以進行。

2.鏈式反應必須能由人通過一定裝置進行控制。失去控制的裂變能不僅不能用於發電,還會釀成災害。(如車諾比核電站和福島核電站等等)3.裂變反應產生的能量要能從反應堆中安全取出。

4.裂變反應中產生的中子和放射性物質對人體危害很大,必須設法避免它們對核電站工作人員和附近居民的傷害。

5.核能電廠會產生高低階放射性廢料,或者是使用過之核燃料,雖然所占體積不大,但因具有放射線,故必須慎重處理,且需面對相當大的政治困擾。

6.核能發電廠熱效率較低,因而比一般化石燃料電廠排放更多廢熱到環境裏,故核能電廠的熱污染較嚴重。

7.核能電廠投資成本太大,電力公司的財務風險較高。8.核能電廠較不適宜做尖峰、離峰之隨載運轉。

9.興建核電廠較易引發政治歧見紛爭。

10.核電廠的反應器內有大量的放射性物質,如果在事故中釋放到外界環境,會對生態及民眾造成傷害。

發展趨勢

全球發展

核能是很多國家的主要電力來源。來自國際原子能機構的數據顯示,到2007年1月,世界各地有435座動力堆在運行。在這些在役的反應堆中美國有103個、法國59個,日本55個、俄羅斯31個、英國19個,僅這5個國家就占全球在役反應堆的60%以上。一、全球核電穩步增長

2005年的發電容量總計淨增230萬千瓦,全年發電量占世界發電量的19.28%,並與全球電力市場穩定增長保持同步。另外,截至2007年3月,全球在建的核反應堆有30個,發電容量將達到24.251億瓦,其中大多數在亞洲,共有16個(印度7個,中國5個,朝鮮伊朗、日本和巴基斯坦各1個)。

2005年,至少有15個國家核能發電量占本國發電總量的30%以上,占15~30%的國家有6個,其中法國核電生產量在其電力生產量的份額接近80%。2005年全球併入電網的核電機組有4台,其中日本兩台,印度和韓國各一台;同年,加拿大一台閒置的機組重新併入電網。

二、全球核電反應堆以輕水堆為主

核反應堆是核電廠的心臟,核裂變鏈式反應在其中進行。反應堆的類型繁多,有不同的分類標準,如按中子能量、冷卻劑和慢化劑、堆芯結構,以及用途進行分類。其中,在核電工業中更多地是按照冷卻劑和慢化劑分類進行分類。輕水堆、重水堆、石墨堆是工業上成熟的主要發電堆。輕水反應堆是目前技術最成熟、套用最廣泛的堆型。其優點是體積小,結構和運行都比較簡單,功率密度高,單堆功率大,造價也低廉。建造周期短和安全可靠。它的缺點是輕水吸引中子的幾率比重水和石墨大,因此僅用天然鈾(天然鈾濃度非常小)無法維持鏈式反應,需要將天然鈾濃縮,濃縮度在3%左右,稱作低濃鈾。採用輕水堆的國家,在核燃料供應上大多依賴美國和獨立國協。此外,輕水堆對天然鈾的利用率低,僅為33%,如果系列地發展輕水堆要比系列地發展重水堆多用天然鈾50%以上。全球正在運行的以及在建的核反應堆中,大部分是輕水反應堆,占所有反應堆的85%以上。

三、核電站退役問題得到高度重視

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到2007年3月初,在運行的435座反應堆中有100座的運行期已經超過30年。目前的兩個基本退役方案是立即拆除和在拆除前長期安全封閉。截至2005年底,世界各地已有8座核電廠已經全部完成退役,17座核電廠已部分拆除並安全關閉,31座核電廠正在實施廠址最終解除監管之前的拆除,而30座核電廠正在進行長期封閉之前的最低程度拆除。而2006年間全球又有6個核電廠長期關閉。迄今,全球已經有119個反應堆關閉,與此相應的發電量為35.165億瓦。在關閉的反應堆中,以壓水堆、氣冷堆等反應堆型為主。

四、核燃料鈾價格持續上漲,但核資源不會成為制約核電開發的瓶頸

作為核能生產的主要燃料,天然鈾的價格在上世紀80年代呈下降趨勢,在90年代則起伏不定,但是自2001年開始,鈾的價格持續上升,從2002年的25美元/kg上升到2005年的75美元/kg,5年間上漲三倍以上。鈾價格的上漲一方面反映二次資源的耗竭,另一方面反映了核電原材料市場的供需現狀。

燃料鈾的需求主要取決於核電站的設備容量(核能發電量),同時核電站運行壽命的延長和熱功率的增加、設備利用率、運行環境與燃耗、天然鈾價格和濃縮勞務價格的差額也是重要因素。全球核電站設備容量將隨著以中國為主的亞洲地區核電開發的進展,有增加的趨勢。國際原子能機構(IEIA)和世界核協會(WNA)等機構根據對中、長期(2020年)核電設備容量的預測,對中、長期鈾需求的預測是:73495~86070t(U)(IEAE對2020年的預測)和57700~102500tt(U)(WAN對2005年的預測)。

從燃料鈾的供給方面來看,全球生產鈾的國家約為21個,其中加拿大和澳大利亞的生產量幾乎占全球的一半,而能夠自己供給本國核電站需要的只有加拿大和南非。世界鈾生產量(生產能力)從2003年的47260t(U)增加到2005年的51155t(U)。但是,由於現有的鈾礦山枯竭而關閉以及鈾市場前景不明,鈾生產者控制新鈾礦山的勘探與開發,預測到2010年,鈾的產量將降至43059t(U),2015年將上升到43612t(U),2020年又將降到43005t(U)。另外,庫存鈾、俄羅斯解體核彈頭的高濃鈾、美國的軍用剩餘高濃鈾、鈽、回收鈾、再濃縮鈾等二次供給源的存在,也是對鈾礦山、礦床等生產的鈾形成價格上的壓力。由此,進一步控制新鈾礦山的勘探與開發,再結合核電開發增長的需求,從供需雙方面逼迫鈾市場價格上漲。

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然而,從鈾資源的角度來看,IAEA按資源存在的準確度將鈾資源區分為:確認資源(RAR)、推算追加資源Ⅰ(EAR-Ⅰ)、推算追加資源Ⅱ(EAR-Ⅱ)和期待資源(SR)。而且,按照回收(生產)成本,將生產成本低於40美元/kg(U)的鈾資源稱為“低成本鈾資源”,將低於130美元/kg(U)的鈾資源稱為“經濟的可回收鈾資源”。

按照2003版REDBOOK,世界已知的鈾資源(RAR+EAR-Ⅰ)中,回收成本低於130美元/kg(U)的鈾資源合計為458.9萬t(U);世界未發現的鈾資源(EAR-Ⅱ+SR)合計為974.4萬t(U)。而基於回收成本低於130美元/kg(U)的已知鈾資源,按燃料循環,從鈾資源的可開採年限看(鈾資源量/年度鈾需要量),(1)以一次通過(直接處置)的輕水堆利用,為85年;(2)僅一次循環鈽的輕水堆利用,為100年;(3)輕水堆與快堆(FBR)組合利用,為130年;(4)全部FBR利用,為2550年。再者,如果已知鈾資源加上未發現的鈾資源(EAR-Ⅱ+SR),則有:(1)以一次通過的輕水堆利用,為270年;(2)一次循環鈽的輕水堆利用,為300年;(3)輕水堆與快堆組合利用,為410年;(4)全部FBR利用,為8500年。因此,可以說鈾資源在本世紀不會成為制約核能發電的瓶頸。

中國發展

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2008年中國將開工建設福建寧德福清和廣東陽江三個核電項目。

根據2020年中國GDP翻兩番的發展目標估計,國內約需發電裝機容量8億~9億千瓦,而已有裝機容量僅為4億千瓦。但在現有的發電結構中,單煤電就占了其中的74%。這也意味著若電力需求再翻一番,每年用煤就將超過16億噸,而長距離的煤炭輸送將加劇環境和運輸壓力。另外,在今年年初南方的冰災中,光是因交通運輸困難,電煤供應緊張,造成的缺煤停機超過3700萬千瓦,19個省區拉閘限電。而如此大電煤消耗,二氧化硫和煙塵排放量每年分別新增500萬噸和5326萬噸以上。

1957年,人類開始建設核電站並利用核能發電,到現在,核電約占全世界電力的16%。

自1986年前蘇聯發生車諾比核電站核燃料泄漏事件以來,核電成了許多人心中的惡魔,中國也不例外。全球核電業就開始進入低潮。根據國際原子能機構的統計,2000年年底,全球正在運行的核動力堆共有438座,到了2003年3月,增加至441座,僅增3座。

2004年9月1日,中國國防科工委副主任、國家原子能機構主任張華祝在國務院新聞辦新聞發布會上透露,中國政府對進一步推動核電發展作出了新的決策,將加快核能發展,逐步提高核能在能源供應總量中的比例。

中國已建成投產4個核電站,11台機組,裝機842萬千瓦。此外,全國已經開工建設的有22台機組。而從20世紀50年代以來,世界各國共建造了440多個核電站,發電量已占世界總發電量的16%。

關於電資源的相關知識

節約用電對發展國民經濟有重要意義。電能是由一次能源(煤、石油、天然氣、水利資源等)轉換而成的二次能源。耗電量的減少可以使發電、輸變電所需要的設備容量減少,節約能源方面的投資。

發電方式

非再生能源發電方式火力發電;核能發電
再生能源發電方式水力發電;潮汐發電;風力發電;太陽能發電;地熱發電;核融合發電;海水溫差發電

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