书城教材教辅中学化学课程资源丛书-化学新地带
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第4章 核电站

为了人类的生存与发展,为了改变能源短缺的现状,我们必须迎接核能源的挑战。

一、高能量、少耗料的核电站

核裂变释放的能量比任何一种化学反应释放的能量都要大几百万倍。每千克235U全部裂变产生的能量相当于2500~2700吨优质煤燃烧时放出的能量。一座100万千瓦的核电站,每年只需30吨左右的核燃料,而同功率的煤电站,每年需要330万吨的煤炭。因此核电站具有高能量、少耗料的特点,它将大大减少燃料的运输和储存。核电不仅对缺乏煤、石油和水力资源的地区具有极大的吸引力,而且对某些特殊动力装备也是无可替代的能源。

二、核电站的经济性

电站的经济指标是每度电的成本。它由建造投资费、燃料循环费及运行维修费三部分构成。核电站的建造费较高,约为同规模火电站的1.5倍,其主要原因是安全标准高。但核电站的主要优点是燃料费便宜。因此在发电成本的估算中,核电站投资成本占有较大比重(约60%~70%),燃料成本占的比重较小(约30%);煤电站的投资成本虽只占20%~30%,而燃料成本却占60%~70%。由于燃料成本是长期起作用的因素,所以实际上核电成本比煤电要低。目前国外绝大多数发展核电的国家,其核发电成本都低于煤电。从长远看,随着核电站设备的改进,燃料循环更加合理,其核发电成本将会继续低于同期的火力发电。

三、洁净的新能源的源地

发展核电,不仅能保证长期稳定的能量供应,而且是保护环境、改善人类生存条件的重要途径。核电站是一种洁净的新能源,不存在化学燃料引起的对环境的严重污染。

一座100万千瓦的煤电站,一年要向大气排放77万吨烟尘,6.1万吨二氧化碳,1.3万吨氮氧化合物,630千克强致癌物质三苯并芘、四苯并芘(每1000立方米空气中苯并芘增加1微克,肺癌发生率就增加5%~10%)。而核电站不排放这些有害物质。

法国因发展核电带来了良好的环境效应。自1980年以来,大气中二氧化硫减少了80%,氮氧化合物减少了71%,二氧化碳的排放量也大为减少,大气质量明显改善。

二氧化碳在大气中的积聚是引起“温室效应”的罪魁祸首。由于燃烧煤、石油、天然气等,全世界每年排入大气中的二氧化碳约200多亿吨,大气中大量的二氧化碳,对太阳光透射影响不大,但显著减少地球热量的散失,引起地球温度升高。这种效果人们称之为“温室效应”。据估计,到2030年,大气中二氧化碳的浓度可达到工业化以前的两倍,将使地球气温上升1.5℃~4.5℃。气温上升引起极地冰山的融化,将使海平面上升0.2~1.4米,许多沿海城市受到严重威胁。生态平衡也受到破坏,给生物带来灾难,严重影响农业生产。因此,温室效应引起国际社会的广泛关注。近年来,召开多次国际会议,提出了限制二氧化碳排放的种种要求与措施。1989年5月,82国签署了赫尔辛基宣言,后又在多伦多的国际会议上提出2005年减少20%二氧化碳排放量,在21世纪中期要求减少50%。真正能减少产生温室效应的气体的有效办法,就是大力开发核能(核电、核供热等),以代替火电和常规供热,这是当前核能受到重视的原因之一。

四、核电的安全性

大量的事实说明,核能只有在人类可控制的范围内,才对人类的发展有利。自从核电发展上出现的两次大的事故,1978年美国三里岛压水堆核电站事故和1986年前苏联切尔诺贝利核电站发生的事故,给核电的发展更增加了不安全因素。所以人类对核电站的安全性总有些担心。

核电站的安全性问题,最主要的是防止放射性物质外溢,以免对环境造成严重危害。

核燃料在反应堆里裂变时,产生大量的放射性物质,因此核电站具有很大的潜在危险,对它必须处处设防,以避免各种可能发生的事故的发生。

核电站设计的安全标准很高,这是它建设投资成本高的重要原因。为防止强放射性物质逸出电站,压水堆核电站设立了四道安全屏障。

第一道安全屏障是核燃料本身。压水堆的核燃料是二氧化铀陶瓷块,可耐高温,熔点达2800℃,核燃料发生裂变后,裂变产物绝大部分还是固体,98%以上的放射性物质仍然保留在陶瓷块内。

第二道安全屏障是燃料组件包壳。上述铀块密封在优质锆合金包壳内形成一根根燃料棒,即使在反应堆内停留3年时间,每10万根燃料棒也只有几根破裂。破裂后泄漏的放射性物质很少,而且极易检查发现,这种微量破漏对安全影响不大。

第三道安全屏障是压力容器。整个堆芯是密封在20多厘米厚钢制的压力容器内,即使越过前两道屏障有少量放射性物质漏出,也只停留在反应堆的压力容器内,不会排入环境。

第四道安全屏障是安全壳。整个反应堆连同蒸汽发生器等都安装在安全壳内。安全壳为高60~70米、厚1米的钢筋水泥壳,其中还有5毫米的不锈钢衬里。即使反应堆发生事故,放射性物质也不会逸出安全壳外。

另外,为防止反应堆功率急剧上升,引起堆芯核燃料熔化等严重事故,有各种自动安全保护措施。首先有强烈吸收中子的控制棒自动、迅速地落入堆中,使链式反应停止下来,万一控制棒被卡住,含硼水(硼是强吸收中子物质)也会自动注入反应堆,使反应停止。

因此,压水堆核电站的安全性是有足够保证的,能够做到万无一失。

五、核灾难的原因

综上所述,核灾难在一定的条件下是可以预防的,那么为何会发生三里岛和切尔诺贝利核电站的重大事故呢?

1978年美国三里岛核电站事故,是由于操作人员判断失误,关闭了通向反应堆的冷却水阀门,使反应堆出现了人为失水事故。虽然出现操作错误时反应堆立即自动停堆,但由于堆内还有少量中子,继续引发235U裂变而发热,这种剩余发热量虽然很少,但如果“失水”,还是会导致部分核燃料熔化和包壳破损。因为压水堆有一系列安全保护系统,立即自动向反应堆注水,所以事故没有扩大。加上压水堆在堆芯外还有高压容器和安全壳,因此这一事故对环境影响并不大。

1986年4月26日,前苏联乌克兰的基辅市西北100多千米处的一座大型核电站,突然连续发出几声巨响,随即浓烟滚滚、火焰冲天,含有大量放射性物质的热气体、烟尘一直弥漫到2000~3000米大气层中,后又随风飘散到前苏联西部、东欧和西欧的部分地区,大片土地、环境受到严重污染。虽然当时进行了大规模救援工作,出动300架飞机,冒险飞入放射性烟尘之中,空投了5000多吨的灭火物质来覆盖反应堆,但堆芯物质还是燃烧了近10天,直至全部熔化。这就是举世震惊的切尔诺贝利核电站事故。核电站后来加建了1米多厚的防护墙。现在又在建第二层防护墙。这次事故导致了31人死亡,203人患急性放射性疾病,前后两次共疏散了周围13万人口,大约400万人遭到了低剂量的辐射,成为人类恐惧的根源!

切尔诺贝利核电站事故不是出现在生产运行中,而是在停堆以后进行电机性能试验时发生的。当时负责这一试验的人员,切断了反应堆的安全保护系统,将反应堆内的控制棒大部分迅速拔出,当只剩下8根时,反应堆功率失去控制,安全保护系统又无法启动,才导致了事故发生。因此它完全是一次人为的事故。但事故发生后局面难以控制、不可收拾,这不能不说,核电站在设计上也有问题。前苏联从1949年起,就建成了以石墨为慢化剂、水为冷却剂的生产核武器装料的堆。1954年就是在这种军用堆技术基础上建成了第一座核电站。切尔诺贝利核电站就属于这种类型的核电站,它体积庞大,建造时由于造价等原因,都没有修筑安全壳。一旦功率失控,温度迅速上升,石墨(碳)很易燃烧,冷却水汽化,形成蒸汽爆炸,燃料棒熔化并扩散。没有安全壳,必然到处泄漏,污染环境,造成不可收拾的局面。1986年事故发生前的几十年,由于严格遵守操作规程,这类核电站也一直是安全的。

综上所述,核电站的事故只要人类抱着认真、谨慎、科学的态度;则不是不可避免的。从以上两个事故对比中也可以看出,三里岛事故虽然也是一次人为事故,由于安全保护系统及时启动,事故没有扩大,加上外面有安全壳,没有造成人员伤亡和环境危害。因此压水堆核电站是安全可靠的。

由于压水堆投资低、技术成熟,加上它的安全性,不易发生事故,即使出了事故对环境影响也不大,所以世界上的核电站以压水堆为主(在总功率中占70%),核潜艇和核航空母舰用的反应堆几乎都是压水堆。

有关放射性污染问题是一直是人类极为关心的问题,一提起核电站,就自然地想到可怕放射性。研究结果表明,火电站的放射性普遍比核电站大。这是因为煤渣及飘尘中含有铀、钍、镭和氡的天然放射性同位素,加上火电站中煤的吞吐量大、又无防护措施,所以火电站排放到环境中的放射性,比同规模的核电站大几倍到几十倍。核电站的核燃料少而且集中,加上核电站技术先进,比较容易防止它的放射性物质污染环境,正常运行下核电放射性只有本底放射性的1%。而发电厂消耗的煤太多,它的放射性污染是难以控制的。

关于废物处理问题,也是环境保护不可忽视的问题。煤烧过之后变成废渣,没有多大的用处。但核燃料“烧”过之后,仍有大量的238U,而且235U也没用完,同时生成239Pu等新的核燃料,还有镎、镅、锔等自然界不存在的元素,钯、铑等稀有贵重金属和裂片放射性同位素。因此,从反应堆卸出的核燃料(称乏燃料)不是废物,而是全身是宝。这些卸出的乏燃料有强烈的放射性,经过一天“冷却”,放射性只剩下1/10,再经过半年后,绝大多数短寿命的放射性同位素,都衰变成稳定的没有放射性的同位素,只剩下十几种半衰期长的放射性同位素。然后对这些燃料进行“后处理”工艺,提取了有用的成分,剩下的才是真正的废物。100万千瓦核电站,一年卸出的乏燃料仅25吨,经过后处理提取铀和钚后只剩下10吨了,然后再经过固化、严格封装,安全放置在地下岩层的建筑物内。核电站产生的废物量只是火电站的几万分之一,采用上述费用昂贵的办法来处置放射性废物,对于核电成本来说是微不足道的。

核电是洁净的新能源,只有逐步以核电站代替火电站,才有可能从根本上解决环境污染问题。