核電站

　　科技名詞定義

　　中文名稱：核電站英文名稱：nuclearpowerplant其他名稱：核電廠定義：通過(guò)適當(dāng)?shù)难b置將核能轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)施。應(yīng)用學(xué)科：資源科技（一級(jí)學(xué)科）；能源資源學(xué)（二級(jí)學(xué)科）

　　核電站（nuclearpowerplant）是利用核裂變(NuclearFission)或核聚變(NuclearFusion)反應(yīng)所釋放的的能量產(chǎn)生電能的發(fā)電廠。目前商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)中的核能發(fā)電廠都是利用核裂變反應(yīng)而發(fā)電。核電站一般分為兩部分：利用原子核裂變生產(chǎn)蒸汽的核島（包括反應(yīng)堆裝置和一回路系統(tǒng)）和利用蒸汽發(fā)電的常規(guī)島（包括汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)），使用的燃料一般是放射性重金屬：鈾、钚。

　　簡(jiǎn)介

　　核電站又稱核電廠，它指用鈾、钚等作核燃料，將它在裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電廠。核電廠主要以反應(yīng)堆的種類相區(qū)別，有壓水堆核電廠、沸水堆核電廠、重水堆核電廠、石墨水冷堆核電廠、石墨氣冷堆核電廠、高溫氣冷堆核電廠和快中子增殖堆核電廠等。核電廠由核島（主要是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)）、常規(guī)島（主要是汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)組）和電廠配套設(shè)施三大部分組成。核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生的裂變能，主要以熱能的形式出現(xiàn)。它經(jīng)過(guò)冷卻濟(jì)的載帶和轉(zhuǎn)換，最終用蒸汽或氣體驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。核電廠所有帶強(qiáng)放射性的關(guān)鍵設(shè)備都安裝在反應(yīng)堆安全殼廠房?jī)?nèi)，以便在失水事故或其他嚴(yán)重事故下限制放射性物質(zhì)外溢。為了保證堆芯核燃料在任何情況下等到冷卻而免于燒毀熔化，核電廠設(shè)置有多項(xiàng)安全系統(tǒng)。

　　火力發(fā)電站利用煤和石油發(fā)電，水力發(fā)電站利用水力發(fā)電，而核電站是利用原子核內(nèi)部蘊(yùn)藏的能量產(chǎn)生電能的新型發(fā)電站。核電站大體可分為兩部分：一部分是利用核能產(chǎn)生蒸汽的核島，包括反應(yīng)堆裝置和一回路系統(tǒng)；另一部分是利用蒸汽發(fā)電的常規(guī)島，包括汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

　　核電站用的燃料是鈾。鈾是一種很重的金屬。用鈾制成的核燃料在一種叫“反應(yīng)堆”的設(shè)備內(nèi)發(fā)生裂變而產(chǎn)生大量熱能，再用處于高壓力下的水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動(dòng)氣輪機(jī)帶著發(fā)電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，就會(huì)產(chǎn)生電，這些電能通過(guò)電網(wǎng)送到四面八方。這就是最普通的壓水反應(yīng)堆核電站的工作原理。

　　工作原理

　　發(fā)電原理

　　核電站以核反應(yīng)堆來(lái)代替火電站的鍋爐，以核燃料在核反應(yīng)堆中發(fā)生特殊形式的“燃燒”產(chǎn)生熱量，使核能轉(zhuǎn)變成熱能來(lái)加熱水產(chǎn)生蒸汽。利用蒸汽通過(guò)管路進(jìn)入汽輪機(jī)，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，使機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。一般說(shuō)來(lái)，核電站的汽輪發(fā)電機(jī)及電器設(shè)備與普通火電站大同小異，其奧妙主要在于核反應(yīng)堆。

　　核反應(yīng)堆

　　核反應(yīng)堆，又稱為原子反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是裝配了核燃料以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模可控制裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置。

　　原子由原子核與核外電子組成。原子核由質(zhì)子與中子組成。當(dāng)鈾235的原子核受到外來(lái)中子轟擊時(shí)，一個(gè)原子

　　核反應(yīng)堆工作原理圖

　　核會(huì)吸收一個(gè)中子分裂成兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)放出2—3個(gè)中子。這裂變產(chǎn)生的中子又去轟擊另外的鈾235原子核，引起新的裂變。如此持續(xù)進(jìn)行就是裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生大量熱能。用循環(huán)水(或其他物質(zhì))帶走熱量才能避免反應(yīng)堆因過(guò)熱燒毀。導(dǎo)出的熱量可以使水變成水蒸氣，推動(dòng)氣輪機(jī)發(fā)電。由此可知，核反應(yīng)堆最基本的組成是裂變?cè)雍?熱載體。但是只有這兩項(xiàng)是不能工作的。因?yàn)?，高速中子?huì)大量飛散，這就需要使中子減速增加與原子核碰撞的機(jī)會(huì)；核反應(yīng)堆要依人的意愿決定工作狀態(tài)，這就要有控制設(shè)施；鈾及裂變產(chǎn)物都有強(qiáng)放射性，會(huì)對(duì)人造成傷害，因此必須有可靠的防護(hù)措施。綜上所述，核反應(yīng)堆的合理結(jié)構(gòu)應(yīng)該是：核燃料+慢化劑+熱載體+控制設(shè)施+防護(hù)裝置。

　　安全原則

　　為了保護(hù)核電站工作人員和核電站周圍居民的健康，核電站必須始終堅(jiān)持“質(zhì)量第一，安全第一”的原則。核電站的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行均采用縱深防御的原則，從設(shè)備、措施上提供多等級(jí)的重疊保護(hù)，以確保核電站對(duì)功率能有效控制，對(duì)燃料組件能充分冷卻，對(duì)放射性物質(zhì)不發(fā)生泄漏?？v深防御原則一般包括五層防線，第一層防線：精心設(shè)計(jì)、制造、施工，確保核電站有精良的硬件環(huán)境。建立周密的程序，嚴(yán)格的制度，對(duì)核電站工作人員有高水平的教育和培訓(xùn)，人人注意和關(guān)心安全，有完備的軟件環(huán)境。第二層防線：加強(qiáng)運(yùn)行管理和監(jiān)督，及時(shí)正確處理異常情況，排除故障。第三層防線在嚴(yán)重異常情況下反應(yīng)堆正常的控制和保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，防止設(shè)備故障和人為差錯(cuò)造成事故。第四層防線：發(fā)生事故情況時(shí)，啟用核電站安全系統(tǒng)包括各外設(shè)安全系統(tǒng)加強(qiáng)事故中的電站管理，防止事故擴(kuò)大保護(hù)反應(yīng)堆廠房安全殼。第五層防線萬(wàn)一發(fā)生極不可能發(fā)生的事故并伴有放射性外泄啟用廠內(nèi)外應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃努力減輕事故對(duì)周圍居民和環(huán)境的影響。

　　安全保護(hù)系統(tǒng)均采用獨(dú)立設(shè)備和冗余布置，均備有事故電源，安全系統(tǒng)可以抗地展和在蒸汽—空氣及放射性物質(zhì)的惡劣環(huán)境中運(yùn)行。核電站運(yùn)行人員須經(jīng)嚴(yán)格的技術(shù)和管理培訓(xùn)，通過(guò)國(guó)家核安全局主持的資格考試，獲得國(guó)家核安全局頒發(fā)的運(yùn)行值崗操作員或高級(jí)操作員執(zhí)照才能上崗，無(wú)照不得上崗。執(zhí)照在規(guī)定期內(nèi)有效，過(guò)期后必須申請(qǐng)核發(fā)機(jī)關(guān)再次審查。

　　萬(wàn)一發(fā)生了核外泄事故，應(yīng)啟動(dòng)應(yīng)急計(jì)劃。應(yīng)急計(jì)劃的內(nèi)容主要包括：疏散人員，封閉核污染區(qū)（核反應(yīng)堆及核電站），清除核污染，以保證人身安全和環(huán)境清潔。

　　按照縱深防御的原則，在核燃料和環(huán)境外部空氣之間設(shè)置了四道屏障。即第一道屏障：燃料芯塊核然料放在氧化鈾陶瓷芯塊中，并使得大部分裂變產(chǎn)物和氣體產(chǎn)物95%以上保存在芯塊內(nèi)。第二道屏障：燃料包殼，燃料芯塊密封在鉛合金制造的包殼中構(gòu)成核燃料芯棒錯(cuò)合金，具有足夠的強(qiáng)度且在高溫下不與水發(fā)生反應(yīng)。第三道屏障：壓力管道和容器冷卻劑系統(tǒng)將核燃料芯棒封閉在20cm以上的鋼質(zhì)耐高壓系統(tǒng)中避免放射性物質(zhì)泄漏到反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)。第四道屏障：反應(yīng)堆安全殼用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)筑壁厚近100cm，內(nèi)表面加有6mm的鋼襯，可以抗御來(lái)自內(nèi)部或外界的飛出物，防止放射性物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境。

　　選址原則

　　核電站的選址要求非常高，選址需非常慎重。根據(jù)國(guó)際上通行的關(guān)于核電站選址有經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全、環(huán)境和社會(huì)四原則。

　　經(jīng)濟(jì)原則核電站能夠有足夠的資金來(lái)建設(shè)和運(yùn)行，所服務(wù)的地區(qū)要有足夠的用電需求，所以核電站常常選址經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)。

　　后面三個(gè)原則則有著密切的相互聯(lián)系。核電站必須建在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的相對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)，50公里以內(nèi)不能有大中型城市。要求廠址深部必須沒(méi)有斷裂帶通過(guò)，而且要求核電站數(shù)千米范圍內(nèi)沒(méi)有活動(dòng)斷裂，廠址100千米海域、50千米內(nèi)陸，歷史上沒(méi)有發(fā)生過(guò)6級(jí)以上地震，廠址區(qū)600年來(lái)也沒(méi)有發(fā)生6級(jí)地震的構(gòu)造背景。從核安全的角度來(lái)看，核電站選址必須考慮到公眾和環(huán)境免受放射性事故釋放所引起的過(guò)量輻射影響，同時(shí)要考慮到突發(fā)的自然事件或人為事件對(duì)核電廠的影響，所以，核電站必須選在人口密度低，易隔離的地區(qū)。

　　另外，核電站在運(yùn)行過(guò)程中要產(chǎn)生巨大熱量，所以核電站的選址必須靠近水源，最好是靠海，這也是大型核電站都建在海邊的一個(gè)重要原因，并且靠海還可以解決大件設(shè)備運(yùn)輸問(wèn)題。萬(wàn)一發(fā)生危險(xiǎn)，在平的海岸線和放射物均勻發(fā)散的情況下，污染陸地面積只是完全在內(nèi)陸的一半。但是建在海邊有利的同時(shí)也多出一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，就是海嘯或者臺(tái)風(fēng)帶來(lái)大浪的可能。通常會(huì)建設(shè)防波堤來(lái)抵御巨浪的沖擊。但是防波堤只能抵御一定程度的沖擊，如果是比較大的海嘯的話，防波堤無(wú)能為力，很可能產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果。2011年3月11日日本9級(jí)大地震及海嘯導(dǎo)致核泄露就是一例。

　　從上述要求來(lái)看，內(nèi)陸地區(qū)核電選址更要慎重，因?yàn)閮?nèi)陸地區(qū)的水源全部為淡水，并且?guī)缀跛械拇蠼蠛佣贾苯酉蛑苓叧鞘泄?yīng)生活用水，在這種情況下建設(shè)核電站，一旦發(fā)生泄漏事故，后果不堪設(shè)想。

　　基本設(shè)備

　　綜述

　　核電站除了關(guān)鍵設(shè)備——核反應(yīng)堆外，還有許多與之配合的重要設(shè)備。以壓水堆核電站為例，它們是主泵，穩(wěn)壓器，蒸汽發(fā)生器，安全殼，汽輪發(fā)電機(jī)和危急冷卻系統(tǒng)等。它們?cè)诤穗娬局杏懈髯缘奶厥夤δ堋?/p>

　　主泵

　　主泵（RCP）如果把反應(yīng)堆中的冷卻劑比做人體血液的話，那主泵則是心臟。它的功用是在正常運(yùn)行時(shí)，使冷卻劑強(qiáng)迫循環(huán)通過(guò)堆芯，載出堆芯熱量，然后流過(guò)蒸汽發(fā)生器傳熱管內(nèi)側(cè)，將熱量傳給蒸汽發(fā)生器二次側(cè)給水；事故工況下，排出堆內(nèi)衰變熱。

　　穩(wěn)壓器

　　穩(wěn)壓器（PRZ）又稱壓力平衡器，是用來(lái)控制反應(yīng)堆系統(tǒng)壓力變化的設(shè)備。在正常運(yùn)行時(shí)，起保持壓力的作用；在發(fā)生事故時(shí)，提供超壓保護(hù)。穩(wěn)壓器里設(shè)有加熱器和噴淋系統(tǒng)，當(dāng)反應(yīng)堆里壓力過(guò)高時(shí)，噴灑冷水降壓；當(dāng)堆內(nèi)壓力太低時(shí)，加熱器自動(dòng)通電加熱使水蒸發(fā)以增加壓力。

　　蒸汽發(fā)生器

　　蒸汽發(fā)生器（SG）它的作用是把通過(guò)反應(yīng)堆的冷卻劑的熱量傳給二次回路水，并使之變成蒸汽，再通入汽輪發(fā)電機(jī)的汽缸作功。

　　安全殼

　　安全殼（Containment）用來(lái)控制和限制放射性物質(zhì)從反應(yīng)堆擴(kuò)散出去，以保護(hù)公眾免遭放射性物質(zhì)的傷害。萬(wàn)一發(fā)生罕見(jiàn)的反應(yīng)堆

　　發(fā)電設(shè)備示意圖

　　一回路水外逸的失水事故時(shí)，安全殼是防止裂變產(chǎn)物釋放到周圍的最后一道屏障。安全殼一般是內(nèi)襯鋼板的預(yù)應(yīng)力混凝土厚壁容器。

　　汽輪機(jī)

　　核電站用的汽輪發(fā)電機(jī)在構(gòu)造上與常規(guī)火電站用的大同小異，所不同的是由于蒸汽壓力和溫度都較低，所以同等功率機(jī)組的汽輪機(jī)體積比常規(guī)火電站的大。

　　危急冷卻系統(tǒng)

　　為了應(yīng)付核電站一回路主管道破裂的極端失水事故（LOCA）的發(fā)生，近代核電站都設(shè)有危急冷卻系統(tǒng)。它是由安全注射系統(tǒng)和安全殼噴淋系統(tǒng)組成。一旦接到極端失水事故的信號(hào)后，安全注射系統(tǒng)向反應(yīng)堆內(nèi)注射高壓含硼水，噴淋系統(tǒng)向安全殼噴水和化學(xué)藥劑。便可緩解事故后果，限制事故蔓延。[8]注射系統(tǒng)：當(dāng)核電站一回路系統(tǒng)的管道或設(shè)備發(fā)生破損事故后，安全注射系統(tǒng)用來(lái)向堆芯緊急注入高硼冷卻水，防止堆芯因失水而造成燒毀。

　　安全注射系統(tǒng)設(shè)有兩套安全注射管系。一套為安全注射箱（ACC）管系，在安全注射箱內(nèi)儲(chǔ)有一定容積的高硼水，并用氮?dú)獬鋲海棺⑸湎鋬?nèi)維持恒定的壓力。當(dāng)一回路系統(tǒng)一旦發(fā)生大破裂事故，其壓力低于安全注射箱的壓力時(shí)，安全注射箱內(nèi)的硼水就通過(guò)止水閥自動(dòng)注入一回路系統(tǒng)。另一套為安全注射泵管系，當(dāng)一回路系統(tǒng)因發(fā)生破損事故而壓力下降至一定值時(shí)，安全注射泵就自動(dòng)啟動(dòng)，將換料水箱內(nèi)的硼水注射至一回路系統(tǒng)，換料水箱內(nèi)的硼水被汲完后，安全注射泵可改汲從一回路系統(tǒng)泄露至安全殼底部的地坑水，使硼水仍能連續(xù)不斷地注入一回路系統(tǒng)冷卻堆芯。

　　在電站失去外電源情況下，安全注射泵的電源可由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)供電。

　　安全殼噴淋系統(tǒng)

　　在核電站發(fā)生失水事故或二回路主蒸汽管道破裂事故時(shí)，安全殼內(nèi)充滿了帶放射性高壓蒸汽，安全殼噴淋系統(tǒng)將用來(lái)降低安全殼內(nèi)壓力和溫度，使放射性蒸汽凝結(jié)下來(lái)。

　　在安全殼的上部設(shè)有相當(dāng)數(shù)量的噴淋頭，當(dāng)安全殼內(nèi)由于發(fā)生主管道破損事故而蒸汽壓力升高時(shí)，安全殼噴淋系統(tǒng)的泵就自動(dòng)啟動(dòng)，將換料水箱內(nèi)的硼水和NaOH貯箱內(nèi)供除碘用的NaOH溶液一起汲入，以一定的比例混合，再由噴淋頭噴入安全殼內(nèi)。當(dāng)換料水箱的水被用盡后，噴淋泵可改汲安全殼內(nèi)的地坑水。此時(shí)，地坑水先由設(shè)備冷卻水冷卻后再重新噴淋至安全殼內(nèi)。

　　在核電站斷電情況下，安全噴淋泵的電源也由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)供電。

　　熱源分類

　　壓水堆核電站（PWR）

　　大阪核電站

　　以壓水堆為熱源的核電站。它主要由核島和常規(guī)島組成。壓水堆核電站核島中的四大部件是蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主泵和堆芯。在核島中的系統(tǒng)設(shè)備主要有壓水堆本體，一回路系統(tǒng)，以及為支持一回路系統(tǒng)正常運(yùn)行和保證反應(yīng)堆安全而設(shè)置的輔助系統(tǒng)。常規(guī)島主要包括汽輪機(jī)組及二回等系統(tǒng)，其形式與常規(guī)火電廠類似。

　　沸水堆核電站（BWR）

　　以沸水堆為熱源的核電站。沸水堆是以沸騰輕水為慢化劑和冷卻劑并在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)直接產(chǎn)生飽和蒸汽

　　大亞灣核電站

　　沸水堆與壓水堆同屬輕水堆，都具有結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠、建造費(fèi)用低和負(fù)荷跟隨能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它們都需使用低富集鈾作燃料。沸水堆核電站系統(tǒng)有：主系統(tǒng)（包括反應(yīng)堆）；蒸汽-給水系統(tǒng)；反應(yīng)堆輔助系統(tǒng)等。但發(fā)電廠房要做防核處理。

　　重水堆核電站

　　以重水堆為熱源的核電站。重水堆是以重水作慢化劑的反應(yīng)堆，可以直接利用天然鈾作為核燃料。重水堆可用輕水或重水作冷卻劑，重水堆分壓力容器式和壓力管式兩類。重水堆核電站是發(fā)展較早的核電站，有各種類別，但已實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模推廣的只有加拿大發(fā)展起來(lái)的坎杜型壓力管式重水堆核電站（CANDU）。

　　快堆核電站（FBR）

　　由快中子引起鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)所釋放出來(lái)的熱能轉(zhuǎn)換為電能的核電站。快堆在運(yùn)行中既消耗

　　秦山三期重水堆核電站

　　裂變材料，又生產(chǎn)新裂變材料，而且所產(chǎn)可多于所耗，能實(shí)現(xiàn)核裂變材料的增殖。

　　世界上已商業(yè)運(yùn)行的核電站堆型，如壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨氣冷堆等都是非增殖堆型，主要利用核裂變?nèi)剂?，即使再利用轉(zhuǎn)換出來(lái)的钚-239等易裂變材料，它對(duì)鈾資源的利用率也只有1%—2%，但在快堆中，鈾-238原則上都能轉(zhuǎn)換成钚-239而得以使用，但考慮到各種損耗，快堆可將鈾資源的利用率提高到60%—70%。但快堆開(kāi)發(fā)仍很落后，日本的文殊快堆，以及其他研發(fā)中的快堆，都還未正常運(yùn)行。