核电厂的特点及应用分析

和常规火电相比,核电厂的突出特点是使用核燃料,因此核电的发展必然要建立在核燃料开采、加工的基础之上。而核燃料裂变之后会生成大量的强放射性产物,辐射防护和放射性废物的收集、处理是核电厂的重要特点。

1.核燃料资源

实际可用的核裂变燃料有铀-235、钚-239和铀-233。自然界中的铀主要是铀-235和铀-238的混合物,铀-235的含量约为0.7%。因此,单纯采用铀-235做核燃料,则燃料资源十分有限。钚-239和铀-233是非天然的转换燃料,其转换原料铀-238和钍-232在自然界中含量丰富,如果能利用燃料增殖技术,则核燃料的可利用储量远远超过化石燃料的储量,可以满足长期发电的要求。

2.核电厂的安全性

核电厂的危险性主要来自于裂变产物的强放射性形成的环境污染。裂变产物和反应堆中的其他物质经中子照射以后,原子结构变得不稳定,要进行放射性衰变(radioactive decay),向外发射粒子或电磁波辐射。

天然放射同位素的射线：①α粒子(带正电的氦原子核),速度达2万km/s,穿透力差,用普通的纸就可以挡住；②β粒子为高速电子流,速度为20多万km/s,0.5cm厚的水泥才能挡住；③γ射线为电磁波,波长短,频率高,能量大,射透力强,可以穿透10cm厚的水泥墙。

为防止裂变产物和放射性物质的逸出,核电厂主要的防护措施通常为以下三道屏障：

(1)第一道屏障——燃料元件包壳。为了确保第一道安全屏障的完整性,核电厂运行时需要遵守以下两个安全限值：一是临界热流密度与反应堆内实际达到的最大局部热流密度之比大于1.22,即烧毁比DNBR＞1.22；二是燃料棒的最大线功率密度小于设计值。(www.xing528.com)

(2)第二道屏障——反应堆冷却剂的压力边界,包括一回路的管道、容器、泵等相关设备。为了确保反应堆冷却剂边界的完整性,反应堆运行过程中需要确保一回路冷却剂的压力和温度不超过安全限值。

(3)第三道屏障——安全壳。安全壳既可以提供有效的环境辐射防护,也可以保护一回路设备免受来自外部的破坏。针对内部封闭,反应堆的安全壳被设计成可以承受反应堆失水这样的极限事故工况。针对外部破坏,目前第三代核能系统的核电厂安全壳普遍设计为可以抵御军用和商业飞机的撞击而提供有效保护。对于第二代核能系统,如广东大亚湾核电厂的安全壳,设计为可以抵御最大质量为5.7t的飞机坠落后仍保证安全。

核电厂在正常运行时放射性物质的排放可控制在远低于允许标准以下,具备十分严格、比较完备的安全措施,与火电站相比,也可以认为是一种比较清洁的能源。不过,在核废料的处理方面,尽管不会带来现实的危害,但在是否会对地球的环境造成长期的影响方面,有些科学家持怀疑的态度。

3.核电厂的经济性

(1)反应堆的结构比锅炉复杂,核电厂的造价也比火电站要高。轻水堆核电厂的造价通常是同样规模的火电站造价的150%～200%,重水堆、气冷堆和钠冷堆的造价则更高。

(2)燃料的价格(考虑成本、运输、储存)比常规火电要低。核电厂的发电成本比火电站的发电成本可以低30%～50%。核燃料能量大,一座1000MW级的轻水压水堆核电厂,采用低浓缩铀为燃料,燃料年消耗量为30～40t；同样规模的火电厂年耗煤量在300万t以上。