核电站
编辑核电站是指通过适当的装置将核能转变成电能的设施。核电站以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，使核能转变成热能来加热水产生蒸汽。
核电站通常被认为是基本负荷站，因为燃料只是生产成本的一小部分[1]，并且因为它们不能容易或快速地进行调度。它们的运行和维护(O&M)以及燃料成本与水电站一样较低，因此核电站适合作为基本负荷电力供应源。
目录编辑
1 历史编辑
2 组件编辑
当前核电厂共有的关键部件是:
- 反应器组件
- 核燃料
- 核反应堆堆芯
- 中子慢化剂
- 启动中子源
- 中子毒物
- 中子发射器(提供稳定的中子源，在关机后重新启动反应)
- 冷却剂(通常中子慢化剂和冷却剂是相同的，通常都是纯净水)
- 控制棒
- 反应堆压力容器(反应堆压力容器)
- 蒸发
- 锅炉给水泵
- 蒸汽发生器(沸水反应堆中不含有该部件)
- 发电
- 汽轮机
- 发电机
- 冷凝器
- 冷却塔(并非总是必需的)
- 燃料储运
- 放射性废物系统(处理放射性废物的工厂部分)
- 加油地板
- 乏燃料池
- 安全系统
- 反应堆保护系统(反应堆保护系统)
- 应急柴油发电机
- 紧急堆芯冷却系统 (ECCS)
- 备用液体控制系统(紧急注入硼，仅限沸水堆)
- 基本供水系统(ESWS)
- 核反应堆安全壳
- 控制
- 控制室
- 紧急行动设施
- 核训练设施(通常包含控制室模拟器)
3 系统编辑
像传统的热电站一样，热能转换成电能是间接进行的。核反应堆中的裂变反应加热反应堆冷却剂。根据反应堆的类型，冷却剂可以是水或气体，甚至是液态金属。反应堆冷却剂被堆芯加热后进入蒸汽发生器，加热二回路的水以产生过热蒸汽。之后，经加压的蒸汽通常被供给到多级蒸汽轮机里。蒸汽在汽轮机中膨胀并部分冷凝后，剩余的蒸汽在冷凝器中冷凝。冷凝器一种热交换器，它的另一侧连接稳定的冷源，例如河流或冷却塔。然后，水被泵回蒸汽发生器，循环再次开始。水蒸汽循环对应于朗肯循环。
3.1 核反应堆
核反应堆是核电站的心脏。在它中心部分，反应堆的核心由于核裂变而产生热量。利用这种热量，冷却剂在泵送通过反应堆时被加热，从而从反应堆中移除能量。核裂变产生的热量被用来产生蒸汽，蒸汽通过涡轮，涡轮又为发电机提供动力。
核反应堆通常依靠铀来为链式反应提供燃料。铀是一种重金属，在地球上含量丰富，在海水和大多数岩石中都能找到。天然存在的铀有两种不同的同位素:铀-238 (U-238)，占99.3%，铀-235 (U-235)约占0.7%。同位素是具有不同中子数的同一元素的原子。因此，U-238有146个中子，U-235有143个中子。不同的同位素具有不同的特性。例如，U-235是易裂变的，这意味着它很容易分裂并释放出大量能量，使其成为核能的理想材料。另一方面，尽管U-238是相同的元素，但它没有这种性质。不同的同位素也具有不同的半衰期。半衰期是指具有放射性元素的一半样品衰变所需的时间。U-238的半衰期比U-235长，因此它需要较长的时间衰变。这也意味着U-238的放射性比U-235低。
由于核裂变会产生放射性，反应堆堆芯被安全壳包围。这种安全壳吸收辐射并防止内部的放射性物质释放到环境中。此外，许多反应堆配有混凝土穹顶，以保护反应堆免受内部损伤和外部影响。[7]
3.2 蒸汽轮机
汽轮机的目的是将蒸汽中的热量转化为机械能。带有汽轮机的发动机房通常与主反应堆建筑在结构上是分开的。汽轮机的叶片转动方向上通常不能掠过反应堆，以防止运行中涡轮机的碎片飞向反应堆。
在压水堆的情况下，汽轮机与核系统分离。为了检测蒸汽发生器的泄漏，从而在早期检测放射性水的通过，安装了一个活动仪表来跟踪蒸汽发生器的出口蒸汽。相比之下，沸水反应堆将有定量的放射性水通过汽轮机，因此沸水堆中的汽轮机被保持为核电站放射性控制区域的一部分。
3.3 发电机
发电机将涡轮机提供的机械能转换成电能。通常采用高额定功率的低极交流同步发电机。
3.4 冷却系统
冷却系统从反应堆堆芯带走热量，并将其输送到电站的另一个区域，在那里热能可以用来发电或做其他有用功。一般来说，热冷却剂用作锅炉的热源，并且来自该热源的加压蒸汽将会驱动一个或多个汽轮机驱动的发电机[8]
3.5 安全阀
在紧急情况下，安全阀可以用来防止管道爆裂或反应堆爆炸。这些阀门的设计使得它们能够在几乎不增加压力的情况下获得所有供应的流量。在沸水堆的情况下，蒸汽直接进入抑压室并在那里冷凝。换热器上的腔室连接到中间冷却回路。
3.6 主冷凝器
主冷凝器是一个很大的横流式管壳式换热器，它从汽轮机废气中吸收湿蒸汽(饱和状态下液态水和蒸汽的混合物)，并将其冷凝成液态水，以便使给水泵将其泵回反应器。[9]在主冷凝器中，湿蒸汽涡轮机的废气与数千根管子接触，这些管子的另一侧有更冷的水流过。冷却水通常来自天然水体，如河流或湖泊。帕洛弗德核电站位于亚利桑那州凤凰城以西约60英里的沙漠中，它是唯一一个不使用天然水体进行冷却的核电站，而是使用大凤凰城地区的污水处理。来自冷却水体的水要么在较暖的温度下被抽回水源，要么返回冷却塔，在那里它要么冷却更多的用途，要么蒸发成水蒸气从塔顶升起。[10]
3.7 给水泵
蒸汽发生器和核反应堆中的水位由给水系统控制。给水泵的任务是将水从凝结水系统中抽出来，并增加压力，使其要么进入蒸汽发生器(在压水堆的情况下)，要么直接进入反应堆(在沸水堆的情况下)。
3.8 应急动力源
反应堆的持续供电对于确保反应堆安全运行至关重要。大多数核电站需要至少两个不同的场外电源来实现冗余。这些通常是由多个互相分离地变压器提供的，并且可以从多条传输线运输电力。 此外，在一些核电站中，当电站在线时，涡轮发电机可以为电站的负载供电，而不需要外部电源。这是通过电站变压器实现的，这些变压器在发电机到达升压变压器之前从发电机输出端分流电力。除此之外，电站服务变压器直接从开关站接收厂外电力。即使有两个电源的冗余，场外电源全部失效的情况仍是可能发生的。因此，核电站也配备了应急发电机。
4 核电站中的工人编辑
- 核工程师
- 反应堆操作员
- 健康物理学家
- 应急小组人员
- 核管理委员会常驻检查员
在美国和加拿大，除了管理人员、专业人员(如工程师)和安全人员之外，工人很可能是国际电气工人兄弟会(IBEW)或美国公用事业工人联合会(UWUA)的成员，或代表机械师、劳工、锅炉制造商、钢铁工人等的各种行业和工会之一。
5 经济效益编辑
新核电站的经济效益是一个有争议的话题，数十亿美元的投资取决于能源的选择。核电站通常资本成本高，但直接燃料成本低，燃料提取、加工、使用和乏燃料储存的成本内在化。因此，与其他发电方法的比较，在很大程度上取决于对核电站建设工期和资本筹措的计划。成本估算考虑了美国因《普莱斯安德森法案》(Price Anderson Act)而导致的核电站退役、核废料储存或回收的成本。鉴于所有乏核燃料 /“核废料”都有可能通过使用未来的反应堆进行回收利用，第四代反应堆的设计目的是完全关闭核燃料循环。然而，到目前为止，还没有从核电厂进行过任何实际的废物批量回收，由于深层地质储存库的建设问题，几乎所有核电厂现场仍在使用现场临时储存方式。只有芬兰有稳定的储存库计划，因此从世界范围来看，长期废物储存成本是不确定的。另一方面，撇开建筑或资本成本不谈，减轻全球变暖的措施，如碳税或碳排放交易，越来越有利于核能的经济效益。人们希望通过更先进的反应堆设计来进一步提高效率，第三代反应堆承诺至少提高17%的燃料效率，并降低资本成本，而未来的第四代反应堆承诺提高100倍至300倍的燃料效率，并消除核废料。
在东欧，一些历史悠久的核电项目正在艰难地寻求资金援助，特别是保加利亚的贝莱内和罗马尼亚的塞尔纳沃达的附加反应堆，一些潜在的支持者已经撤出。[11]在天然气价格低廉且未来供应相对安全的情况下，这对核项目来说也是一个大问题。[11]
核能的经济分析必须考虑到谁承担未来不确定性的风险。迄今为止，所有运行的核电站都是由国有或受监管的公共事业公司开发的。[12]其中许多与建筑成本、运营绩效、燃料价格和其他因素相关的风险由消费者而不是供应商承担。许多国家现在已经放开了电力市场，这些风险和在资本成本恢复之前出现的更便宜的竞争对手的风险由电站供应商和运营商承担，而不是由消费者承担，这导致了对新核电站的经济价值的一个显著不同的评估。[13]
继2011年福岛一号核事故之后，由于对现场乏燃料管理的要求提高，以及设计基础面临的威胁，目前运营和新建核电站的成本可能会上升。[14]然而，许多设计，如目前正在建设的AP1000，使用被动核安全冷却系统不同于福岛一号需要主动冷却系统，这在很大程度上消除了在冗余备用安全设备上花费更多的费用。
6 安全和事故编辑
查尔斯·佩罗在他的《正常事故》一书中说，社会上复杂而紧密耦合的核反应堆系统中存在着多重的、意想不到的故障。这种事故是不可避免的，无法回避。[15]麻省理工学院的一个跨学科小组估计，鉴于2005-2055年核电的预期增长，预计在此期间至少会发生四起严重的核事故。[16]然而，麻省理工学院的研究没有考虑到自1970年以来核电安全性方面的改善。自1970年以来，世界上已经发生了五起严重事故(堆芯损坏)(1979年三里岛事故；1986年的切尔诺贝利事故；2011年福岛第一核电站三起事故，与第二代反应堆开始运行相对应。这导致全球平均每8年发生一起严重事故。
自第一代核反应堆以来，现代核反应堆设计已经有了许多安全改进。一座核电站不可能像核武器那样爆炸，因为铀反应堆的燃料没有得到足够的浓缩，而核武器需要精确的炸药来将燃料压缩到足够小的体积以达到超临界状态。大多数反应堆需要持续的温度控制，以防止堆芯熔化，这种情况在事故或自然灾害中发生过几次，释放出辐射，使周围地区无法居住。工厂必须防御核材料的盗窃(例如制造脏弹)和敌人军队的袭击(已经发生了)[17]飞机或导弹，或被恐怖分子劫持的飞机。
7 争论编辑
核能辩论[18][19][20][21]它围绕着核裂变反应堆的部署和使用来产生电力，从核燃料为民用目的。关于核能的争论在20世纪70年代和80年代达到了顶峰，当时在一些国家“达到了技术争议史上前所未有的强度”。[22][23]
支持者认为，核能是一种可持续能源，可以减少碳排放，如果核能的使用取代了对进口燃料的依赖，还可以提高能源安全。[24]支持者提出，与主要可行的化石燃料替代品相比，核能实际上不会造成空气污染。支持者还认为，核能是大多数西方国家实现能源独立的唯一可行途径。他们强调，储存废物的风险很小，可以通过在较新的反应堆中使用最新的技术进一步降低，而且与其他主要类型的发电厂相比，西方国家的核电运行安全记录是十分优秀的。[25]
反对者说，核能对人类和环境构成了许多威胁，而且成本并不足以证明收益的合理性。威胁包括来自铀矿开采、加工和运输带来的健康风险和环境损害、核武器扩散或利用核武器进行破坏的风险以及尚未解决的放射性核废料问题。[26][27][28]另一个环境问题是向海洋排放热水。热水改变了海洋动植物的环境条件。他们还认为，反应堆本身是非常复杂的机器，很多事情可能会出错，也确实会出错，而且已经发生了很多严重的核事故。[29][30]批评人士认为，这些风险无法通过新技术来降低。[31]他们认为，考虑到从铀矿开采到反应堆退役，核燃料链的所有能源密集型阶段，核能并不是低碳电力来源。[32][33][34]那些没有铀矿的国家不能通过现有的核能技术实现能源独立。实际建设成本往往超出预算，而且乏燃料管理成本没有明确的时限。
8 核燃料后处理编辑
发展了核燃料后处理技术，以化学方法从辐照核燃料中分离和回收可裂变钚。[35]后处理有多种用途，其相对重要性随着时间的推移而变化。最初，后处理仅用于提取钚以生产核武器。随着核电的商业化，后处理的钚被再循环回MOX核燃料，用于热反应堆[36]再加工过的铀是废燃料材料的主要成分，原则上也可以再用作燃料，但只有在铀价格高或处置费用高的情况下才经济。最后，增殖反应堆不仅可以使用乏燃料中回收的钚和铀，还可以使用所有的锕系元素，从而结束核燃料循环，并有可能使从天然铀中提取的能量增加60倍以上。[37]
核燃料再处理减少了高放射性废物的体积，但其本身并没有减少放射性或热量产生，因此也没有消除对地质废物储存库的需要。后处理在政治上一直是有争议的，因为它有可能促进核扩散，有可能成为核恐怖主义的受害者，有可能面临储存库选址的政治挑战(这个问题同样适用于直接处置乏燃料)，而且与一次性燃料循环相比，它的成本很高。[38]在美国，奥巴马政府放弃了布什总统的商业规模再加工计划，转而实施一项专注于再加工相关科学研究的计划。[39]
9 事故赔偿编辑
《维也纳核损害民事责任公约》为核责任建立了一个国际框架。[40]然而，包括美国在内的世界上大多数国家都拥有核电站美国、俄罗斯、中国和日本都不是国际核责任公约的缔约国。
在美国，《普莱斯-安德森核工业赔偿法案》( Price-Anderson Nuclear Industries弥偿法案)涵盖了核事故或辐射事故的保险(适用于2025年之前获得许可的设施)。
根据英国《1965年核设施法》的能源政策，英国核许可方应对核损害负责。该法案要求责任人在事故发生后的10年内，对最高不超过1.5亿英镑的损失进行赔偿。十年到三十年后，政府履行了这一义务。根据国际公约(《核能领域第三方责任巴黎公约》和《巴黎公约补充布鲁塞尔公约》)，政府还需承担额外的有限跨境责任(约3亿英镑)。[41]
10 退役编辑
反应堆退役是指拆除核电站，并对现场进行去污处理，使其不再需要保护公众免受辐射。与拆除其他发电站的主要区别在于存在放射性材料，需要采取特殊预防措施来移除这些材料并将其安全转移到废物储存库。
一般来说，核电站最初的设计寿命约为30年。[42][43]新电站的设计寿命为40至60年。[44]百夫长反应堆是未来一类核反应堆，设计使用寿命可达100年。[45]限制磨损的主要因素之一是反应堆压力容器在中子轰击作用下的退化，[43]然而，2018年，Rosatom 宣布开发了一种用于反应堆压力容器的热退火技术以改善辐射损伤并延长使用寿命15至30年。[46]
退役涉及许多管理和技术行动。它包括所有的放射性清理和逐步拆除核电站。一旦设施退役，就不会再有任何发生放射性事故的危险，也不会再对任何访问它的人造成危险。当一个核设施完全退役后，它就脱离了监管控制，核电站的持有者也不再对其核安全负责。
11 历史事故编辑
切尔诺贝利灾难发生在1986年4月，它被认为是历史上最严重的核事故。当时在核电站的一个反应堆正在进行实验。这个实验的目的是在核电站的主电源出现故障时，找出反应堆的安全性。就在实验开始后，蒸汽爆炸将反应堆的石墨慢化剂暴露在空气中，导致其着火。由此引发的火灾向大气中释放了高放射性的烟雾，持续了大约十天。放射性羽流扩散到欧洲的大部分地区。大约35万人从3200平方公里的禁区撤离。这起事故导致31人直接死于爆炸和辐射中毒，还有几人死于高辐射剂量照射。[47]
核工业部门表示，新技术和监管使核电站变得更加安全，但自1986年至2008年的切尔诺贝利灾难以来，已经发生了 57起小事故。其中三分之二的事故发生在美国。[48]法国原子能机构得出结论，技术创新不能消除核电站运行中人为失误的风险。
根据2003年麻省理工学院的一个跨学科团队本杰明·索瓦库尔(Benjamin Sovacool)的估计，鉴于核能在2005年至2055年期间的预期增长，在此期间至少会发生四起严重的核事故。然而，麻省理工学院的研究并没有考虑到自1970年以来核电项目安全性的改善。[48][48]
12 核电站的灵活性编辑
13 未来的核电站编辑
被称为第四代反应堆的新一代核电站设计是目前核电积极研究的课题。这些新设计中有许多专门试图使裂变反应堆更清洁、更安全和(或)减少核武器扩散的风险。被动安全的站(如 ESBWR )可用于建造[51]和其他被设计成“近乎傻瓜的反应堆”。[52] 聚变反应堆仍处于开发的早期阶段，减少或消除了与一些与核裂变相关的风险。[53]
两座1600 MWe 欧洲加压反应堆(EPR)正在欧洲建造，两座正在中国建造。这些反应堆是法国阿海珐公司和德国西门子公司的合作项目，将成为世界上最大的反应堆。一座EPR位于芬兰的奥尔基罗托，作为奥尔基罗托核电站的一部分该反应堆原计划于2009年投入使用，但一再被推迟，[54][55]截至2014年9月，该计划已被推迟至2018年。[56]法国曼切弗拉芒维尔的弗拉芒维尔核电站的EPR准备工作于2006年开始，最初预计于2012年完工。[57]法国反应堆也被推迟，目前预计将于2020年年中正式投产。[58][59]这两个中国EPR是广东台山核电站的一部分。台山核反应堆计划在2014年和2015年上线，[60]台山1号机组于2018年首次达到临界状态。[61]
截至2007年3月，印度有7座核电站在建，中国有5座。[62]
2011年11月，海湾电力公司表示，到2012年底，它希望完成购买佛罗里达州彭萨科拉以北4000英亩土地的任务，以便建造一座可能的核电站。[63]
2010年，俄罗斯启动了一座浮动核电站。这艘价值1亿英镑的名为“罗蒙诺索夫院士”(Akademik Lomonosov)的科考船是七个科考站中的第一个。[64]。这些科考站将为俄罗斯偏远地区带来至关重要的能源资源。俄罗斯表示，该工厂已准备好在2019年4月投入使用。中国正在建造一座浮动核电站，并宣布将在南中国海再建大约24座核电站。[65]
到2025年，东南亚国家计划总共拥有29座核电站：印度尼西亚将拥有4座核电站，马来西亚4座，泰国5座，越南16座，而在2011这些国家的核电站数量都很少。[66]
2013年，中国有32个[67]在建的核反应堆，数量是世界上最多的。
分别位于乔治亚州和南卡罗来纳州的Vogtle和V. C. Summer核电站计划在2016年至2019年之间完成扩建。由于成本超支和西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)在2017年3月破产(Westinghouse Electric Company设计并建造了这两座反应堆)，南卡罗莱纳的两座反应堆已经被放弃建设[68]。福格特尔核电站的两座新反应堆，以及维吉尔c夏(Virgil C. Summer)核电站的两座新反应堆，代表了自1979年三里岛(Three Mile Island)核事故以来美国的首个核电建设项目。【需要引用】英国政府已经批准了欣克利角C核电站的建设。[69]
一些国家已经开始了以钍为基础的核能项目。钍在地壳中的含量是铀的四倍。钍矿60%以上的独居石分布在五个国家:澳大利亚、美国、印度、巴西和挪威。这些钍资源足够为目前的能源需求提供几千年的电力。[70]钍燃料循环能够产生比铀燃料循环产出更少的放射性毒性废料的核能。
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