以上两座目前中国的大型核电站都是压水堆类型。现在世界上的核电站60%以上为压水堆型,技术较为成熟。
重水堆此种核反应堆是以重水作慢化剂和冷却剂。重水是氢的同位素氘(D2)与氧化合的一种水,分子式为D2O,它与普通水H2O的外形类似,但分子量比普通水大,所以叫重水(密度1.105克/厘米3,沸点101.42℃,在自然界占普通水重量的万分之二)。氘的中子吸收截面比较小,重水在核反应堆里对中子的慢化性能也比轻水好。重水堆的基本原理与压水堆差不多,其第一回路用重水,第二回路则用轻水。由于重水的慢化性能好,可以使用天然铀和低浓缩铀,以减轻核燃料成本。但重水价格昂贵,在回路中必须避免渗漏,还要增加回收和复合重水的设备。后来改进型的轻水重水反应堆是将重水作慢化剂,轻水作冷却剂。国际上加拿大对重水堆研究较深。
快中子增殖堆快中子增殖堆(简称快堆)在核裂变消耗可裂变元素的同时,可将一部分非裂变元素转变为新的可裂变元素。例如,用铀235裂变时的快中子去轰击铀238,就可得到可裂变元素钚239;同样可以把天然钍232转变为可裂变的铀233。这样的转变,不但可以使天然铀的利用率达到60%—70%,而且可以利用贮量丰富的钍资源。总之,在这种反应堆里虽然消耗了一定数量的核燃料,但会得到更多的其他核燃料,所以叫增殖堆。快中子增殖堆不用慢化剂,而且冷却剂也采用不吸收中子的液态钠。由于快堆的核燃料可以循环使用,所以燃料的运输量极小,热能利用效率高,排出的废物、废渣、废气也少,环境效益较好。目前欧洲一些国家正在联合研究快堆,前苏联和法国均建有试验快堆。
位于法国中部罗纳河附近克莱-马尔维尔村的超级凤凰快堆是由法、意、德三国合资建造的,设计热功率300万千瓦,电功率120万千瓦,于1986年投入运行。它是集法国30年来对快中子增殖堆的研究成果,及“狂想曲”实验快堆和“凤凰”原型快堆的经验。这座目前,世界最大的快堆有两个钠回路和一个水回路,从反应堆芯释放出来的热量,经由一次钠回路和二次钠回路被传送到四台蒸汽发生器。蒸汽发生器出来的蒸汽经汽水分离后,驱动汽轮发电机组发电。反应堆大厅是一个内径为64米、高80米的钢筋混凝土构成的坚固圆柱体建筑,内装核反应堆、一次钠回路和部分二次钠回路,以及核燃料装卸装置等。发电厂房内装有两台各62万千瓦的汽轮发电机组。
目前,世界上建设的核电站各种类型都有,其中以压水堆最多,其次为沸水堆,其他堆型约占核电站总数的15%,大致统计分类如表中所示。
核电的价格
众所周知,核电站的造价远比普通火电厂要高得多,基建施工复杂,安全质量要求严格。但是核燃料价格稳定,运输量小,不像火电厂经常受到燃料价格的波动。特别是随着核电站的大型化,发电效率越来越高,核电成本不断降低。目前核电价格已有低于火电价格的趋势。加之,核电可以就近供电,比水电、火电的长途输送更为节约与方便。因此,社会上尽管有少部分人反对核电,但发展势头有增无减。除个别国家在发展核电上受到限制外,世界核电比重仍在上升。截止到1996年,世界核电总装机容量已达3.72亿千瓦。表中为世界核电发展概况。
切尔诺贝利核电站事故与对核电站安全的担忧过去人们提到核能发电总会同原子弹联系起来,觉得非常可怕。特别是1979年3月美国宾夕法尼亚州发生的三里岛核电站事故和前苏联乌克兰于1986年4月发生的切尔诺贝利核电站事故,更是震惊世界,令人恐惧。国际反对核电的浪潮高涨,甚至欧洲有的国家已做出停止发展核电的决定。其实半个世纪以来,核电的发展还是比较稳定的,核电站的安全记录在各方面还算可以,据专家们分析,上述两件重大的核事故,并不是技术本身的原因,主要都是管理操作问题。
三里岛核电站2号机组是1978年底建成的压水堆,电功率88万千瓦。运行3个月发生事故,原因是主给水泵停止运转,本有两台辅助给水泵可以自动开动,但是出水阀门在2天前检修后忘了打开,致使蒸汽发生器烧干,后又在紧急注水上操作失误,终于使堆芯严重损坏,估计造成经济损失达10亿美元。但由于有安全壳保护,辐射危害较小,未造成人员伤亡,电站周围80千米以内的居民安然无恙,用飞机测量,土壤、河水、动植物等放射性剂量均未增加。
切尔诺贝利核电站4号机组是1983年底投入运行的石墨水冷堆,1986年4月25日停堆检修,进行按规定的试验。但是操作人员未按试验大纲要求试验,造成冷却系统与循环回路断开,而控制室继续操作运行,后又采用手动操作,终于一错再错,致使堆内连续发生二次爆炸,火光冲天。由于这种堆型没有安全壳,所以,放射性物质大量外泄,使参加救火等工作的30余人丧生,并使十几万人撤离,经济损失严重,社会影响更大。这是核电史上最严重的核安全事故。
上述核电站事故虽均由于操作失误引起,也足以令人关注。因此,国际上对核安全的要求特别严格,对核电站的建设和运行都作了严格规定,并有监督机构。我国发展核电虽较晚,但从事核能研究已有丰富经验,国家已成立专门的核安全局,以确保核能事业顺利进行。
核电站除了安全防护和核废料的安全处理外,一般说来核电是清洁能源。与普通火电比,它排污少,没有一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫和其他氮氧化物等有害气体,也不排放灰渣,环境效益较好。若采用快中子增殖堆,核废料更易处理。因此,核电应该被人们接受。当然,世界上的事物,总是有利有弊,我们将以科学的态度,通过技术去平衡解决,总不能因噎废食。世界上的各种发电站,也都有事故发生,核电站事故虽少,但很惊人,应从防范入手。
核能利用
核能的利用绝对不仅限于发电,核供热堆也日益受到重视,它同样可以取代其他化石燃料。我国已开始推广低温核供热堆,首先在清华大学建立了一座5000千瓦的核供热堆,它是直接提供热能,以替代燃煤供热、采暖,解决生产和生活中所需的热水或蒸汽。
核供热堆的适应温度范围为75℃—1000℃,通常有三种堆型:(1)加压壳式一体化水堆,德、俄、法、捷等国均建有这种供热堆,可以向大中型热网供热;(2)常压池式水堆,加拿大建有这种供热堆,适用于中小型供热网;(3)高温气冷堆,德国和美国建有这种堆,可以发电与供热结合,适合于生产供热和采暖。
因为热能不像电力,长距离输热损失大,在需要供热的地方就近建核供热堆,可以省掉许多分散的锅炉烟囱和煤炭运输,对环境保护有利。但是,在居民区建核装置,安全必须保证。
利用核供热可以进行海水淡化,以解决世界上日益缺乏的淡水。法国已设计一个小功率的核反应堆用于海水淡化,每天可产淡水8万立方米,足够15万人使用。美国为了解决南极考察站的需要,也设计了一个日产淡水53吨的核反应堆。我国应摩洛哥的请求,将设计一座1万千瓦的核能淡化海水工厂。因此,一些缺淡水的沙漠地带和海岛,可以指望利用核能来提供淡化的海水或苦咸水,为人类开辟更多的生存与开发条件。
核能作为动力,早已有核动力潜艇和核能破冰船,在其他动力装置上都有利用的可能。