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第9章 核能与核反应堆(2)

除了显著的增殖效果,快堆还具有体积小,功率大,冷却剂出口温度高的优点,因此已引起世界各国的广泛重视。美国最早研究建造了FBR—1、FBR—2和恩利柯费米实验快堆;英国建造了唐瑞快堆;法国在20世纪70年代建成了电功率为45万千瓦的“凤凰”快堆,80年代建造了“超凤凰”商业快堆。目前,法国建成的大型商用快堆功率已达120万千瓦。

我国也在积极开发研究快堆核电厂。中国原子能研究院于1990年11月成立了快堆研究中心,这标志着我国核能利用技术进入了新的阶段。快堆研究中心已经在2000年前建成2万千瓦电功率的实验快堆。这是我国已成为民世界上少数拥有快堆的国家之一。

快堆中利用的中子能量在01兆电子伏以上,所以就要求选用传热性能好而中子慢化能力小的冷却剂。因此利用水来作为慢化剂是绝对不行的。目前能用作快堆冷却剂的材料主要是液态金属钠和高压氦气。由于氦气的使用在技术上比较复杂,所以一直处于实验室阶段,而钠冷却剂已广泛应用于当前的运行快堆中。金属钠的熔点低,而沸点很高,导热性能比水高许多倍,又不易慢化中子,是十分理想的快堆冷却剂。但是钠遇到水会发生化学反应,因此为了防止在蒸汽发生器换热管道破裂时钠水反应危及堆芯,产生放射性物体泄露,通常在一回路和蒸汽动力回路之间再设一个中间钠回路。

20世纪90年代初,俄罗斯学者提出了铅冷快堆的概念。由于它存在固有安全性的优点,很快引起了国际上的关注。50至70年代曾被广泛研究过的有关Pb,Pb—Bi,乃至Bi的材料应用及物性问题重又成为反应堆研究的新热点。国内如清华大学、上海交通大学等单位也进行了此方面的研究。尽管目前快堆仍以钠冷为主,但铅冷却剂已显示出其强大的生命力。1994年,日本东京理工研究所的HSekimoto和ZSu‘ud在原来90万千瓦中型长寿命快堆的基础上又提出了一种小型长寿命快堆的设计。这种小型快堆采用金属铀或氮化铀燃料,Pb或Pb—Bi作冷却剂,热功率15万千瓦,一次装料后可运行十几年之久。它尤其适用于边远地区的区域供电、供热或海水淡化。由于这种堆在使用寿期内不需要换料,因此可以在发达国家建成后再运往使用地区,运行至寿期末再运回到制造国进行处理,从而防止核扩散。这种堆之所以能够一次装料运行这么长时间,一方面是其独特的结构设计和铅冷却剂的性质保证了整个寿期内不会出现危险的正反馈;另一方面则不能不归功于快堆的增殖效果。实验证明,在快堆中,一般的U—PU—Zr燃料元件的燃耗深度可高达36亿千瓦时/吨铀,比最先进的压水堆大约高4倍。

快中子增殖堆具有许多突出的优点,是核动力堆的发展方向。但是,由于工程技术上尚有不少难题需要解决,快堆核电厂的经济性还不能与压水堆核电厂竞争。从目前的情况看,尚须20年左右的时间进行快堆的开发研究,才能达到技术上成熟,经济发电。在21世纪快堆将会逐渐推广,到2020年以后才有可能成为主要的核动力堆型,以取代压水堆。

核能利用的前景

一、核能安全吗

安全经济清洁的核能,命运不济。人们通过原子弹去理解核时代,常常把核与灾难及恐怖联系在一起,这是一种误解。可以设想,如果核能像煤炭一样,一开始就以温暖给予人间,而不是火灾及瓦斯,那么核能先入为主留给人的形象肯定会好得多。不幸的是,在这个充满斗争的世界上,“核”刚从实验室崭露头色的时候,就被人们拖进战争的深渊,败坏了核能的声誉。由于核能出世时的形象残酷,不少人对其怀有固执的偏见。加上曾经发生过的前苏联切尔诺贝利核电站严重事故,带来了一些消极影响和后遗症,在世界上某些地区反核浪潮甚嚣尘上。

那么核能究竟是不是一种安全清洁的能源呢?让我们来看看下列的一些数据吧!

自古以来,人类就受到天然存在的各种电离辐射源(天然本底)的照射,一般平均每人每年都不可避免地受到大约2mSV的有效辐射剂量。而根据计算,就目前核能利用的生产能力,它造成人均年有效辐射剂量还不到05mSV,相当于天然本底辐射的002%。随着核电生产能力的增长,相应造成的人均年有效辐射剂量亦会相应增长。预计到2100年,其有效辐射亦只会增长到相当于天然本底辐射的1%左右,远远低于因为燃煤而对环境造成的放射性污染。

事实上,核能的利用与其他的工业相比,其中所担负的风险,就单位输出产值造成的总危险性及死亡人数,核能要低得多。而像切尔诺贝利电站那样的事故,虽然主要原因是操作人员失误造成的,但本质上是这种反应堆的设计存在缺陷,而这种缺陷在目前的核电厂中早已不复存在。当前的核电厂正在向着非能动的方向发展,极大限度地减少了人为因素对控制系统的影响。即使操作人员再怎么失误,自动安全保护系统也能保证反应堆的安全。切尔诺贝利已成为过去,但是我们将永远记住这一段历史,记住核能发展走过的这条坎坷的道路。

二、核能利用的灿烂前途

核能在时起时落的反核声浪中,几经挫折,苦苦挣扎。尽管如此,核能仍以它强大的生命力在茁壮成长。在能源缺乏或能源分布不均的国家,核电的发展速度超过了火电,而且这种势头有增无减。世界需要能源,亚洲需要能源,中国需要能源。世界上大规模建造核电厂的高峰,20世纪70年代出现在欧美国家。有专家预测,第二次高峰21个世纪初将出现在亚洲。国际原子能机构负责人认为,在不远的将来,世界新增核电大部分将在包括中国在内的亚洲国家得到发展。

中国核电充满希望。

为了缓解东南地区能源紧张的局面,为了减轻北煤南运对运输系统的压力,为了减少对环境日益严重的污染,我国将在秦山、大亚湾核电厂的基础上,动工兴建1000万千瓦核电机组。

虽然这在世界核电的份额中所占的比例很少,但对于我国相对落后的核电事业,将是一个质的飞跃。中国将在2010年前后进入核电高速发展阶段。按照电力工业部的长期核电发展规划,到2010年,全国核电装机容量达2000至2300万千瓦。到2020年,核电将初具规模,达4000至5000万千瓦,约占全国电力装机容量的6%,对改善我国沿海地区能源供应紧张和减轻环境污染将发挥重要作用。

中国核电将跟随世界核电发展大潮步入一个黄金时期。我们这一代跨世纪的接班人,将承担起我国核能建设的主要责任。

大有潜力的海洋能

让心旷神怡的辽阔浩瀚的海洋,更使人迷恋和陶醉。不过,海洋人的地方,还是它藏着极为丰富的自然资源和巨大的可再生能源。那波涛汹涌的海浪;一涨一落的潮汐;循环不息的海流;不同深度的水温;河海水交汇处的盐度差,都具有可以利用的巨大能量。另外,从占地球表面积约70%的海水中,还可以取得丰富的热核燃料和氢。

海洋能主要来源于太阳能。它的分布地域广阔,能量比较稳定,而且变化有一定规律,可以准确预测。例如,海水温差和海流随季节而变化,而潮汐的变化则具有一定的周期性。

目前,世界各国有关海洋能源的研究和利用还处于初始阶段,因而海洋能属于有待开发利用的新能源。其中,对于潮汐能的开发技术比较成熟,已进入技术经济评价和工程规划阶段;波浪能的利用处于试验研究阶段;海洋热能的利用正在进行工程性研究;海流和盐度差能的利用,仅处于原理研究阶段。

我国海洋能资源非常丰富,而且开发利用的前景十分广阔。全国大陆海岸线长达18000还有5000,其海岸线长约14000整个海域达490万平方公里。如果将我国的海洋能资源转换为有用的动力值,至少可达1.5亿千瓦,相当于目前我国电力总装机容量的两倍多。在海洋能的开发利用方面,当前我国还仅仅处于起步阶段,一些沿海地区先后研制成了各种试验性的发电装置,并建成了试验性的潮汐电站,为今后进一步开发利用海洋能源打下了初步的基础。

全世界海洋能的总储量,约为全球每年耗能量的几百倍甚至几千倍。这种海洋能是取之不尽、用之不竭的新能源。在不远的将来,海洋能在造福于人类方面,将发挥巨大而重要的作用。