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我們真的需要為核能安全擔心嗎?

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發布時間:2019-08-15 20:40:46

我們真的需要為核能安全擔心嗎?


相信大家都對最近剛完結的一部好評上天的 HBO 新劇《切爾諾貝利》(Chernobyl)有所耳聞。該劇共有 5 集,生動形象地為觀眾描繪了 1986 年于前蘇聯境內發生的切爾諾貝利核事故全貌,在國際影評網站 IMDB 上的評分更是高達 9.7/10。

然而,這部以切爾諾貝利核電事故為原型的影視作品,再度引發人們對核能技術發展的擔憂,核能這項技術究竟能給我們帶來什么?回答這個問題的基礎是,我們是否真地了解這項技術,核能又發展到了什么階段?

《切爾諾貝利》之后,我們真的需要為核能安全擔心嗎?

《切爾諾貝利》之后,我們真的需要為核能安全擔心嗎?

圖丨劇中截圖(來源:HBO)

人類利用核能,主要原理是反應堆通過利用原子核的裂變反應所產生的熱能來產生電能。

以常見的核燃料“鈾-235 為例”,如果我們用一個具有足夠能量的中子快速撞擊鈾-235 的原子核,其原子核便會裂變為鋇和氪,并釋放出幾個新的中子以及源于能量守恒的約 200MeV 能量。而在反應堆的燃料棒中,單個核裂變反應中所產生的中子還有幾率會撞擊其他的鈾-235 原子,造成其他的鈾-235 原子也開始跟著裂變并放出更多中子和能量,鈾核持續裂變,并釋放出大量核能,這就是核裂變鏈式反應。

《切爾諾貝利》之后,我們真的需要為核能安全擔心嗎?

《切爾諾貝利》之后,我們真的需要為核能安全擔心嗎?

圖丨鈾-235 裂變示意圖(來源:Wikipedia)

而一個反應堆能否正常工作,關鍵就在堆芯內核裂變鏈式反應的發生速率是否適中。速率過快會使反應堆爆炸(與原子彈的原理相同),過慢會導致反應堆不能有效工作。只有一個適中的反應速率,才能讓核電站相對有效地將裂變產生的能量轉化為電能。

包括切爾諾貝利的反應堆在內,目前世界上所有可發電的反應堆都是裂變反應堆。裂變堆在設計上大都用堆芯內裂變產生的熱能將某種液體(一般是水)氣化,然后再借蒸汽推動渦輪機發電,但在具體的構造和參數上,不同設計間的區別一般在于液體循環回路的設計、所使用的核燃料屬性、對堆芯裂變反應速率的控制方法,以及由包括以上三點在內的各種設計因素所導致的最終發電成本。

在工程分類上,反應堆設計一般會根據其運行方式被分為壓水堆(PWR)、沸水堆(BWR)、重水堆和更強調安全性、燃料再利用性和經濟性的歐洲壓水堆(ERP)四類。

在四類設計中,壓水堆目前在全球范圍內應用最廣,使用輕水(就是普通的水)作為冷卻劑和慢化劑(使從鏈式反應中釋放出的高速中子降至可被燃料捕捉的速度),通過將水保存在高壓環境內(約 155 bar)實現水在堆芯附近的高溫環境 (約 325 攝氏度) 下仍能保持液態。此類反應堆一般設有主、次兩個水循環回路,主回路負責堆芯冷卻和一次熱能傳導,次回路負責二次熱能傳導,使低溫水流至主回路旁時能被汽化并推動渦輪轉動發電。在安全性上,壓水堆的高壓倉(核燃料反應區)頂部設有電磁控制的重力反應應急裝置,該裝置會在緊急情況下關閉吸附“控制桿(由能有效吸收中子的材料制成,用于緊急停止裂變鏈式反應)”的電磁鐵,使控制桿能隨重力落下并卡在燃料棒之間,自動對堆芯內的鏈式反應進行干預,極大地降低反應失控的概率。

《切爾諾貝利》之后,我們真的需要為核能安全擔心嗎?

《切爾諾貝利》之后,我們真的需要為核能安全擔心嗎?

圖 丨 壓水堆設計示意圖,控制棒為左側壓爐內上方的黑色細棒(圖源:hyperphysics.phy)

沸水堆在日本和美國較為常見,雖然在設計上較壓水堆成本為低,但將沸水直接置于核裂變反應區并以此直接驅動渦輪的發電方式(不需壓水堆中的復雜輕水回路設定)較壓水堆更易使渦輪扇葉被水中雜質所污染,產生額外的渦輪更換成本。此外,沸水堆控制桿需人工操作才能插入堆芯內的燃料棒間,導致其在設計上不能及時停止鏈式反應,較壓水堆來說更可能會發生核事故。

《切爾諾貝利》之后,我們真的需要為核能安全擔心嗎?

《切爾諾貝利》之后,我們真的需要為核能安全擔心嗎?

圖 丨 沸水堆設計示意圖,控制棒為左側下方的 4 根黑色小棒(圖源:nucleartourist.com)

重水堆是一種較為少見的反應堆設計,使用重水作為冷卻劑和慢化劑,優勢在于可直接使用未經提煉的自然鈾資源作為燃料,但其燃料的再利用率相比其它設計要低得多,導致其在運行過程中會較其他設計產生更多不可回收的高危核廢料。

歐洲壓水堆(EPR)可被看作是改良后的壓水堆,是目前最先進的設計,被認為是下一代反應堆的標桿。它除了在核電設計的安全性上創下新高,在電力的輸出功率和燃料的再利用率上也較此前的設計有著大幅提升,比如 EPR 每單位發電量所用的鈾較一般的壓水堆設計就可縮減約 17%。

今年 1 月初,全球首臺 EPR 機組在我國的臺山核電站準備就緒,事實上,這比原計劃推遲了 10 年。但原計劃于此前上線的其它幾臺歐洲在建 EPR 機組,都已因預算嚴重超支而將開機時間大幅延后。

超支和延期的主要原因是 2011 年的福島事件所導致的安全要求提升,以及由此所帶來的成本增加。在安全性上,進一步改良后的 EPR 可以說是已經達到了一個前所未有的高度——堆芯損壞的概率僅為百萬分之一,也就是每一百萬個 EPR 反應堆中可能只有一個的堆芯會發生問題,而即使堆芯發生泄漏,其外部的防泄漏基礎設施也能防止輻射外泄的發生。

而在整個人類利用核能的歷史上,切爾諾貝利核電事故永遠值得我們銘記。那么,那次事故發生的原因究竟是什么呢?

如果我們拋開人為因素不談,采用壓水堆設計的前蘇聯 RBMK 反應堆在設計上存在兩個重大缺陷,一是它的空穴系數(Void Coefficient)為正,二是它的控制棒的頂部由石墨制成。空穴系數代表著堆芯的反應力與循環回路內蒸汽總量間的關系,而堆芯的反應力其實指的就是鏈式反應的反應速率,即每輪裂變反應中所產生的中子較上一輪反應是增加了(正反應力,反應會越來越劇烈),還是減少了(負反應力,反應會越來越弱)。在 RBMK 反應堆設計中,正空穴系數意味著堆芯的反應力會隨著回路內蒸汽量的增加而增加,相比之下,目前大部分反應堆的空穴系數都為負。

根據記錄,在事故發生前,切爾諾貝利核電站的 4 號堆正在進行一項此前尚未成功的安全測試,內容為測試反應堆能否在極端情況下(水泵因停電或低壓而停止工作,導致堆內水循環停止),在反應時間內(鏈式反應失控前)將水泵的電源轉換為核電站自身產生的電力。由于機組未能在低電力供應的情況下成功實現水泵的電力源轉換,導致循環回路中的液態水越來越少,蒸汽越來越多,反應力也越來越高。

當然,操作人員在意識到堆內的反應力增長過快且已無法控制后,立刻按下了將控制棒完全插入的“應急停止反應”按鈕,但由于控制棒的前端由石墨構成,而石墨相比水來說所能吸收的中子量更少,因此,在控制棒被插入后的那一瞬,也就是控制棒前端的石墨替換了部分燃料棒間的水之后,堆芯的反應力在短時間能迎來了更為劇烈的一次飆升,并最終造成了堆芯爆炸。

不過正如之前所提到的,目前大部分的核反應堆設計都較 RBMK 有了很大提升,尤其是在安全性上,目前大部分反應堆并不存在 RBMK 中的那種致命性缺陷(福島事故是由于地震后的海嘯損壞了水泵系統,導致反應堆不能被及時散熱造成,控制棒上并無設計問題),因此我們并不需對核電站,尤其是新建核的 EPR 電站的安全性有過多擔心。然而,雖然核能的安全問題在一定程度上已經得到解決,核電站所產生的核廢料卻又成了科學家們的心頭大患。

核能在我們的印象里一般是“清潔能源”,但裂變站所產生的核廢料在當下卻是個十分嚴峻的問題。

核燃料在裂變鏈式反應末端會存在以 beta 和 gamma 衰變生成的裂變產物和通過 alpha 衰變形成的錒系元素(如鈾-234)這類的高放射性裂變產物。這類高輻射物質能夠大量吸收中子,并最終在數量足夠多時終止燃料棒中的核裂變鏈式反應,使燃料棒中的燃料被“用盡”。因此,所有的裂變堆都需要定時更換燃料棒以維持棒內燃料的“活性”,進而使自己能持續為電網生產電力,但就目前來說,我們還沒有一個處理這些替換下來的燃料棒(即核廢料)的理想方法。

雖然廢料中的 97% 都是一般放射性物質,衰變時間相對較短,可以通過相對簡單的掩埋步驟(在存儲空間四周鋪上吸收輻射的涂層,鋪上沙子等等)對其進行隔離,但剩余的 3% 卻是真正的“高放射性物質”(即高危廢料),需要至少約 10 萬年才能完全衰變。

根據法國權威新聞機構 FRANCE 24 的數據,核電占法國目前總電力供應的約 75%,是世界上目前核電占總生產電量比最高的國家,法國國內的 58 臺反應堆每年產出的高輻射廢料能裝滿 120 輛雙層巴士,相當于法國公民人均每年能平攤到約 2 公斤的高輻射廢料產出(法國人口約 6712 萬)。


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