1、核能的和平利用及其安全性 徐銤中国原子能科学研究 2013年9月9日,目录 什么是核能核能的利用核能利用的安全性,什么是核能,一、原子、原子核及核结构,二、元素、同位素和周期表,元素周期表,同位素的例子,三、放射性,对任何元素，中子数在一定范围内原子核是稳定的。如 21H、126C、 2311Na；中子数如太多或太少，则原子核便不稳定，要用辐射的形式放出能量称为放射性，这个同位素又称放射性同位素。如 31H、 146C、 2411Na、 2211Na 等；,半衰期数,A/8,A/4,A/2,A,放射性原子数,放射性衰变曲线,辐射的类别,辐射 辐射 辐射 中子辐射,四、核裂变和裂变能，裂变的链式
2、反应,1934年Fermi，1938、1939Hahn和Strassman用中子轰击铀的实验发现了裂变现象。1939年Meitner、Frisch、Bohr和Wheeler理论上解释了这一现象，重定名为原子核的裂变。,裂变链式反应,裂变反应有很多可能的结果，作为一例：1kg铀235裂变所释放的能量相当2700t无烟煤燃烧放出的能量。,裂变核能释放的两种可能性,不可控的裂变链式反应；可控的裂变链式反应。,裂变链式反应,可控的裂变链式反应首次于1942年在芝加哥大学实现。装置名为CP-1；物理学家Enrico Fermi和他的同事们于1942年12月2日在运动场正面看台下面临时实验室里实现了第一次
3、自持可控反应。这个实验的成功把我们引进到对于现代科学展现巨大潜力的原子时代。,实现可控裂变链式反应的基本要素,可裂变材料；23592U， 23994U， 23392U吸收中子能力强的材料，镉Cd，硼B等；对利用慢中子实现可控裂变链式反应需用慢化剂，H2O， D2O，C等 ；可把裂变能载带出来的冷却剂， H2O ， D2O ，氦He，CO2，钠Na等。这种装置便定名为反应堆（Reactor）,五、核聚变的聚变能,条件：温度5000万度； 离子密度100万亿个/cm3； 维持时间0.11秒。21D用重水（D2O）电解；31T用锂（Li）生产。天然锂含63Li 7.5%和73Li 92.5%。1kg
4、 D-T聚变时放出的能量相当于1万吨无烟煤燃烧的能量。,核能的应用,同位素放射性衰变时要放出能量，利用这种能量可以做成电池用于宇宙飞船、人造卫星、无人管理的灯塔等；功率：毫瓦至百瓦。聚变核能目前尚在技术发展阶段，距实际应用为时尚早；裂变核能为本报告讨论的内容。,一、序,二、裂变核能的应用形式,核电 核电站，空间堆电源；核热 核热站；核动力 船用核动力,三、核电站的类型,用热中子维持可控自持裂变链式反应的核电站；轻水堆核电站：压水堆核电站（PWR）；沸水堆核电站（BWR）。重水堆核电站（PHWR）；气冷堆核电站（GCR，AGR）；高温气冷堆核电站（HTR）；石墨水冷堆核电站（LWGR）。用快中子
5、维持可控自持链式反应的核电站钠冷快中子增殖堆核电站（FBR）,目前我国核电约占全国电力生产的2%，而当前世界核电占14%各国核电与总发电量的比例,90,共30个国家和地区发展核电，共434座，367.7GWe。,运行的核电反应堆类型,我国核电站,秦山-1,大亚湾,岭澳建设情况,我国核电站,现有17座核电反应堆运行，总功率约1470万千瓦运行28座核电反应堆在建，总功率约3060万千瓦 2020年前另有 24座核电反应堆待建，总功率约3200万千瓦.,近年，工程院和能源局研究提出：20207000万千瓦20302亿千瓦20504-5亿千瓦气候变化国际委员会（IPCC）对于排放预测的特别报告，预测
6、全球核能1高估值2050年30亿千瓦；2100年180亿千瓦。低估值2050年15亿千瓦；2100年50亿千瓦。1 International Project on Innovative Nuclear Reactors and Fuel Cycles ( INPRO ), 2008 Progress Report, IAEA 2009, P17,如果燃料循环采用一次通过,则一百万千瓦PWR 60年运行寿期约需1万吨天然铀。我国2050的计划需要 400-500万吨天然铀。全球2050的低估计需要1500-5000万吨天然铀。,2 Uranium 2009: Resources Product
7、ion and Demand, A Joint Report by the OECD, Nuclear Energy Agency and International Atomic Energy Agency 2010, P.16,2009年确认的全球铀资源2,如何解决核燃料供应的问题？发展快中子增殖反应堆（简称快堆）,快堆和压水堆的比较,压水堆核电站工作原理,钚的生产、转换、增殖,快堆的特点,压水堆-铀-235,快堆和压水堆的比较,发展快中子增殖反应堆，有效利用铀资源：发展不同的反应堆和燃料循环有不同的铀资源利用率。 铀资源利用率 * 由于利用率的提高，更贫的铀矿也值得开采。这样世界技术经济
8、可采铀资源将提高千倍(参考：IAEA，TRS.246，1985Preface)。,世界能源分析,我国技术经济可开采能源比较,1Q = 1亿吨石油1吨煤 = 0.65吨石油1000m3天然气 = 0.9吨石油1吨铀 = 10000吨石油（PWR，一次通过）1吨铀 = 1750000吨石油（快堆）,煤1105Q,天然气,石油,1.6Q,23Q,天然铀在快堆中3500Q,天然铀在PWR中20Q,资料来源除天然铀外来自“瞭望”1981第7期,为什么要发展核能？我们国家要发展，要能源，要电。我国面临大量使用化石燃料的小环境问题：酸雨、有毒气体、粉尘和大环境CO2问题：政府间气候变化委员会报告（IPCC）
9、指出（日本原委会委员长近藤骏介，TIEF-5，2006.6.2829）：气温比1850年（工业化前）高1，则影响脆弱的生态系统，如珊瑚礁等。气温比1850年高23，将在全球范围内影响农业，水资源和人类健康。,气温超过3，气候就将不再稳定，可能中断深海水的循环。为此，欧盟制定了长期降低空气温度只比工业化时高2或更低的目标；日本中央环境委员会于2005年5月也制定了同样的目标。如何实现这一目标只升不到2？第三个IPCC报告说：要在20502100时每年释放CO2的水平要降到现在的一半。,能源分类,前面比较的各种能源都是我国能源大家庭的成员，都应该因地制宜得到应用。 核能是清洁的； 核能是高能量密度
10、的； 核电站是基荷发电装置； 核能应更多得到应用。, 核能应用的安全性,一、一座运行的核电站对环境的影响,大亚湾三废控制情况,注：1）固体废物设计值为500m3/堆年；2）废液国家年排放量限值为700GBq； 3）废气国家年排放限值为1140TBq。,个人所受放射性计量的比较,辐照的生物效应,生活中的其它辐射,国家标准GB6249-86核电站周围居民最大有效剂量限值0.25mSv/a；国际放射性防护委员会1991年推荐标准：居民1mSv/a，职业人员20mSv/a。,各种原因引起的癌症死亡估计数（包括19702000美国300座核电站引起的癌症死亡估计数）*,* 摘自核电与环境问答，美国核学会
11、，P.63。,核电站放射性排放物引起的人类“寿命缩短”与其它因素的比较*,* 摘自核电与环境问答，美国核学会，P.64。,二、核电站事故,半个世纪以来，核电站最严重的事故有三次：1979年美国三哩岛核电站事故；1985年苏联切尔诺贝利事故；2011年日本福岛核电站事故。,（一）三哩岛事故,1979年3月28日，三哩岛二号核电站事故原因：冷却系统故障，供水不足，水位下降，堆芯露出水面；补水系统阀门维修后置于关的位置，由杂物覆盖；水位计指示损坏。后果：温度升高，自动停堆，但堆芯裸露，部分熔化；少量放射性水泄漏；没有造成人员伤亡；50公里内居民平均有效剂量为0.01mSv，最大个人剂量为0.71mS
12、v，相当于一次X光照射。,（二） 切尔诺贝利事故,1986年4月，苏联切尔诺贝利核电站4号机组，；事故原因：石墨水冷堆在固有安全性上有缺陷，现已逐个关闭；切尔诺贝利核电站没有安全壳；运行人员违反规程做局部提升控制棒试验造成局部超临界。事故后果：发生烧破铝制工艺管，产生水煤气爆炸；没有安全壳放射性物质外溢；联合国原子能辐射效应科学委员会第49次大会公布结果：死亡30人，全部为电站工作人员和消防人员。其中28人辐照致死，2人其它原因；开始被检查有急性放射性病状的有237人，最后确认患急性放射性病134人； 14年来除被照射的儿童甲状腺癌可观察到增加外，至今没有发生对广大公众的影响。,（三）福岛核电
13、站事故和思考 美国人7年前的预言,福岛第一核电站,1#,2#,3#,4#,机组数：6台 运营商：东京电力公司（TEPCO） 简况： 1#，460MWe，BWR-3型，1971年3月投入运行； 2#5#，784MWe，BWR-4型，1974年7月、1976年3月、1978年10月、1978年4月投入运行； 6#，1100MWe，BWR-5型，1979年10月投入运行,福岛核电站反应堆厂房示意图,福岛事故有关情况,2011年3月11日当地时间14时46分，日本东北部海域发生里氏9.0级特大地震并发海啸，导致附近陆地区域的福岛第一核电站1#、2#、 4# 和3#机组相继发生氢气爆炸、起火、并伴随放射
14、性物质大量持续较长时间内泄漏。 福岛目前情况：5月31日，日本核废料管理组织表示，在福岛核电站周围采集的泥土样本中测出的辐射量已达到苏联切尔诺贝利核电厂的水平，意味福岛附近范围，有可能变成切尔诺贝利事故后周边生人勿近的“死亡区”，而核电站释出的辐射已扩散至600平方公里范围。 福岛核电站事故对我国环境及境内公众健康未造成影响。,主要的事件序列,地震引发机组自动停堆 地震引发失去两路厂外电, 直流蓄电池自动投入、应急柴油机自动投入 地震并发海啸, 大量海水进入发电机厂房, 应急柴油机被淹而失效 直流电源相继耗尽, 机组失去停堆后剩余释热的冷却能力 大量释热无法有效排出, 导致冷却剂温度急剧上升、
15、堆芯压力快速上升; 锆水反应产生大量氢气, 氢气爆炸; 堆芯裸露 燃料贮存水池因地震致破损, 失去冷却, 氢爆 反应堆压力容器温度、气压不断升高, 通过排放蒸汽泄压、导致大量一回路放射性物质泄漏到大气环境 因冷却机组需要, 大量注水导出剩余释热, 产生大量高放射性污水积聚在反应堆厂房和发电透平厂房,事故过程,反应堆隔离泵工作阶段 来自反应堆的蒸汽驱动汽轮机 蒸汽在湿阱内冷凝 驱动泵 要求条件： 蓄电池工作 湿阱温度低于100,事故过程,反应堆隔离泵失效 1号机组，3月11日电池耗尽 2号机组，3月14日泵失效 3号机组，3月13日电池耗尽 余热产生的蒸气使得堆内压力不断升高 打开蒸汽释放阀把蒸
16、汽排放到湿阱中 压力容器内液位降低,事故过程,水位开始下降,事故过程,水位进一步下降,事故过程,堆芯开始裸露,事故过程,堆芯进一步裸露,事故过程,50%堆芯裸露，包壳温度上升 2/3堆芯裸露，包壳温度超过900，包壳开始破损，放射性物质开始释放,事故过程,3/4堆芯裸露，包壳温度超过1200，开始剧烈的锆水反应 Zr+2H2OZrO2+2H2 氢气产生量 1号机组：300-600kg 2号、3号机组：300-1000kg 湿阱和干阱贯通,事故过程,堆芯开始熔化 放射性产物开始释放 安全壳压力上升最高至8个大气压（设计压力4-5个大气压） 安全壳压力释放,事故过程,随着安全壳压力释放，氢气被排到
17、反应堆厂房内 氢气被引爆,事故过程,发生氢气爆炸，反应堆厂房被破坏 安全壳保持了基本完整,事故过程,2号机组的冷凝室可能遭到破坏 放射性物质较大排放 没有数据说明为何如此,事故过程,4号机组由于乏燃料储存水池泄漏，造成乏燃料丧失冷却,事故过程,水位进一步降低,事故过程,乏燃料裸露，并烧毁,核事故分级,福岛核电站事故根据国际核事件分级表（INES）定位为7级,评价：（1）意外天灾：9.5级地震和14m高的海啸（2）1978年以前堆抗震设计的安全性不如1978年以后的堆（水池泄漏和厂房轻度损坏）（3）对如此低概率风险未有预案（4）事故发生后的处理有不即时之嫌：堆芯冷却H2爆放射性流出物（液体）封堵
18、,然而， 福岛核电站地震、海啸事故后，留给我们如何应对稀有外部事件的思考。1）应急的组织电站，电力公司，安全局，训练和演习，2）硬件准备，3）地震、气象信息。,（四）教训,堆型选择；固有安全和非能动安全的重要性；高素质核电站运行人员的必要性；加强安全管理。,（五） 核电站事故与其它人为事故发生概率及后果的比较,（六） 核电站事故与其它自然事故发生概率及后果的比较,三、核电站的清洁与安全,（一） 核电站自发展之初就重视安全原子弹为其孪生兄弟；但两者材料、设计原理、结构、控制等方面完全不同。,原子弹：引爆装置；驱动炸药；坚固的内壳；原子炸药的一部分；中子反射层。,核电站与原子弹的比较,（二） 核电
19、厂设计安全目标,任何情况下，反应堆可以停堆；可以导出堆内余热；保证放射性的释放在允许范围内。,（三） 核电厂设计中采用的行之有效的安全原理,1. 纵深防御第一种应用：对事故的多层次防御。例：反应堆功率意外上升第一层次：负功率系数；第二层次：功率调节；第三层次：功率保护系统。第二种应用：对放射性物质的多道屏蔽。,安全壳,压力壳,包壳,燃料芯体,放射性包容的多道屏障,2. 可靠性原理,多重性；多样性；独立性；故障安全性。,（四） 国家对核电站/核设施有严格的管理,1984年10月，成立国家核安全局；有严格的法规文件：国务院颁发的三个行政法规：中华人民共和国民用核设施安全监督管理条例；中华人民共和国
20、核材料管理条例；核电厂核事故应急管理条例。国家核安全局颁发的16个部门规章：厂址选择、设计、运行、质量保证、安全许可证申请和颁发、核设施安全监督、核材料管制细则、放射性废物管理；国家核安全局颁发的51个核电厂安全导则：,3. 核电厂安全许可证的申请和颁发（HAF 0501）,1）需要许可证的阶段：厂址选择、建造、首次装料、运行、退役、操纵员等执照；2）核电厂安全许可证的申请和颁发程序,营运单位提交申请书和安全分析报告等文件,国务院有关部门和地方政府提出意见,国家核安全局,国家核安全局核安全技术审评,国家核安全局核安全专家委员会咨询,国家核安全局技术审评结果,国家核安全局核安全监督,国家有关部门
21、批准的文件,国家核安全局颁发许可证,核电厂安全许可证的申请和颁发程序,3） 审评依据,国家核安全法规：中华人民共和国民用核设施安全监督管理条例；中华人民共和国核材料管制条例；中华人民共和国核电厂核事故应急管理条例；核电厂厂址选择安全规定；核电厂设计安全规定；核电厂运行安全规定；核电厂质量保证安全规定；核电厂放射性废物管理安全规定；民用核承压设备安全监督管理规定。国家的其它与原子能、辐射防护、环境保护、公安、卫生等有关的法律和法规；国家核安全局已颁发的有关文件、核安全导则和已核准备案的标准。,4. 需国家核安全局批准授权的岗位,厂长和运行部主任。要进行工作年限和经验的考核；值班长和操纵员（大专以
22、上水平）。要对其进行培训，并提前56年招聘；考核内容：综合知识：基础理论，实践；专门知识和能力。,5. 监督,国家核安全局设立监督站监督核电站的建造和运行。,党中央、国务院极为重视核电安全，福岛事故仅三日，国务院即开会指示：1）立即组织对核设施进行全面安全检查；2）切实加强核设施的安全管理；3）全面审查在建核电站；4）严格审批新上核电项目。,核电站照片（1）,法国罗瓦河边上的圣洛亨核电站附近，学生们在赛船。,核电站照片（2）,法国罗瓦河边上的圣洛亨核电站附近农民利用核电站循环水的排水灌溉农田，农作物丰收图。,核电站照片（3）,法国布热核电站有490万千瓦压水堆电站和150万千瓦石墨气冷堆电站，
23、距法国第二大城市里昂35公里。图为该厂全景，厂区外面即有居民区。,核电站照片（4）,利用核电站冷却水为温室供热,核电站与附近居民区,在英国考德霍尔核电站附近钓鱼,核电站照片（5）,核电站冷却水培养的瓜果鱼类，生长快，且无放射性。,核电站照片（6）,大亚湾核电站的特殊客人 白鹭, IAEA预测世界核电发展,来自: IAEA A. Bychkov NE Asia 2011,来自: IAEA A. Bychkov NE Asia 2011,核电区域预测（低/高）GWe, 福岛事故之后的后来者（国家数，2011年） 新开工 0 新核电站订货 3个国家 决定开始准备核电基础条件 6个国家 考虑核电计划 15个国家 无计划但表示有兴趣 8个国家 以前表示有兴趣，但现在不吭声 18个国家 原有计划但福岛后政府换届，取消核计划 4个国家,结语,
