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专访|清华核能专家王革华:"核"有何惧?

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  【中国数字科技馆|文/包若冰、赵铮】

  导语:在公众眼中,“核能”似乎是一个自带神秘感的领域,几乎每个人都听说过“核武器”“核电站”等词汇,但对其原理和应用却知之甚少,历史上出现的几次重大核事故更是让人心有余悸,对其安全性的质疑也从未停止过。然而,“核”真的那么可怕吗?它离我们的生活到底有多远?我们为什么要发展核技术?中国数字科技馆带着这些疑问采访了清华大学的王革华教授,让我们一同来看看科学家眼中的“核”究竟是怎样的。

清华大学核能与新能源技术研究院王革华教授

  Q:王老师,从您的角度看,核能和普通公众有哪些联系?它对我们的生产生活会产生哪些影响?

  王革华:核能是一个比较大的概念,核技术发展的初因动力是与军事需要紧密相关的,主要用来发展核武器。到了20世纪五十年代,才开始了核能的和平利用。我们比较熟悉的,与生活密切相关的应用是核电,核电是一种清洁能源,它的发展对保护环境有重要意义。

  实际上核能的利用主要是利用它产生的热能,既然如此,核能就可以应用在各种需要热的方面,比如核供暖。目前我国大部分供暖还是烧煤取热,煤就是一种热源。因此,理论上来说,未来能使用煤提供热的地方,都可以使用核反应发热。

  另外,在偏远地区,电网建设和电力运输困难较多,大型电网的安全隐患(比如大规模停电)也相对较大,小型核电站是一个很好的解决方法,它的抗风险能力更强,对内陆的供电有很大的积极作用。

  Q:核电和我们现在使用的电在发电原理上有什么区别呢?

  王革华:从基本原理来讲,核能发电与普通火电厂差别不大,发电的原理都是通过高温高压的蒸汽来推动汽轮旋转带动发电机发电。它们的区别在于热源不同,即高温高压蒸汽的来源不同。火电厂的锅炉是燃烧化石燃料,核电站的核反应堆是燃烧核燃料——铀235。因此,核反应堆就相当于传统发电厂的“锅炉”,用来提供热源。

  核反应堆里的核燃料经过中子的轰击分裂成两个或以上较轻原子核,并放出中子。在这个过程中会产生质量亏损,亏损的质量就变成热量了,这也就是爱因斯坦著名的质能公式E=MC2 所表达的内容。

重核裂变

裂变反应堆链式裂变反应的示意

  Q:目前我们国家和国际上其他国家的核电占比(发电量占其电力来源的比例)情况是怎样的?

  王革华:目前,我国核电的发电量大约只占总发电量的3%,但是有些国家的核电占比是很高的,最高的是法国,核电占比达到了76.9%。法国的核电发展比较早,我国第一个核电站——大亚湾核电站就是采用了法国的技术。我国的核电发展虽然起步较晚,但是发展速度目前来说几乎是全世界最快的,技术也是较为先进的。未来我国的核电技术还要走出国门,在全世界应用我国的核电技术。

  其他国家核电发电量比例如下表所示:

(图表来源:王革 艾德生《新能源概论·第二版》)

  Q:十二五科技成果展会上的第四代先进核能系统——高温气冷堆备受关注,您能否给我们介绍一下“高温气冷堆”这个概念?

  十二五科技成果展中正在山东荣成建设的全球首座20万千瓦示范工程和后续60万千瓦商业核电站的模型

山东石岛湾核电站想象图

  王革华:我国的高温气冷堆技术目前走在世界领先地位。“高温气冷堆”中的“高温”和“冷”看似矛盾,其实内在逻辑十分合理。首先说说为什么要“冷”?当核反应堆不断地工作,核反应越来越快时,堆芯的温度就会越来越高,反应堆就会遭到破坏,进而发生核事故,因此所有的核反应堆都要冷却,使其保持在一定的温度,所以要加冷却剂。一般来说,普遍采用的冷却技术是“水冷”,顾名思义就是用“水”进行冷却,这属于第二代核电技术。现在普遍应用的、大规模的正在运行的核电站基本上都采用这个技术,主要有两大类:一个是压水堆,一个是沸水堆。而高温气冷堆不用水进行冷却,而是用氦气作为冷却剂,因此称它为“气冷”。

  再来说说“高温”,一般的压水堆一回路温度大概是300度,高温气冷堆一回路温度可达到700-800度。热力学第二定律卡诺定律讲到:效率是与进口出口的温度差成正比的,差越大发电效率越高。所以说,高温的优势就是发电效率高,也就意味着核燃料的利用率高,进而节约了能源。

高温气冷堆原理图

  Q:2011年的福岛核事故震惊世界,这次事故的主要原因是什么?福岛核电站采用的是哪种核电技术?核电站本身的安全有保障吗?

  王革华:福岛核电站采用的是现在国际上正在广泛使用的第二代压水堆技术。福岛核事故的直接原因是反应堆的温度没有得到控制导致氢气的爆炸,核燃料发生泄漏。

  温度控制有很多方式,福岛核电站使用的是石墨制成的控制棒,石墨能够吸收反应堆裂变后产生的中子,来控制中子的数量,即控制了核反应速度以及反应堆的温度,使它处在一个平衡状态。控制棒是用电控制的,一旦断电,控制棒就失效了。福岛核电站的原本设计中是有备用电源(柴油发电机)的,以备在断电的情况下继续控制棒的工作。但不幸的是,海啸的到来把柴油发电机的电源淹没了,导致备用电源也失效了,控制棒失去了作用,反应堆的温度就无法控制,温度越来越高,燃料包壳中的锆与水反应产生了氢气,就发生爆炸了。

  所以说,这次事故的主要原因是海啸(损坏了备用电源),如果仅仅是地震是不会发生核事故的。

日本福岛核电站及损坏后的场景

  Q:福岛核事故之后,有想过怎么解决在备用电源也损坏的情况下如何避免事故的问题吗?

  王革华:我国以及国际上现在广泛使用的都是二代核电站,而第三代核电技术对于安全的关注度就非常高了。科学家们想出了一个“不用电”的方法,在断电的情况下依靠重力和压力差来控制反应堆,进行冷却,这叫做“非能动的冷却系统”。它的工作原理是这样的:在高于堆芯的位置放一些水箱,在断电的情况下打开水箱阀门,水在重力的作用下会向下流,来实现冷却。这个设计非常巧妙,不仅安全性大大提升,而且减少了电机和水泵的数量,经济性也比第二代大大提高了,这也是第三代核电站的重大突破。

  Q:刚才您提到了第二代、第三代、第四代核电技术,您能给我们讲一讲这几代核电技术的关系和区别吗?

  王革华:第一代核电站是指各国在上世纪五十年代开发建设的实验性原型核电站,证明了利用核能发电的技术可行性。

  第二代核电站是指上世纪七十年代到现在正在运行的大部分商业核电站,它证明了发展核电站在商业运行上是可行的,也使世界核电得到了较快发展。

  第三代核电站技术是指满足《美国用户要求文件(URD)》或《欧洲用户要求文件(EUR)》,具有更高安全性的新一代先进核电站技术。第三代与第二代跨越了30年左右的时间,研究出了“非能动的冷却系统”,这是革命性的改变和突破性的进展,现在国际上新建的核电厂一般选用第三代。

  第四代核电技术是指目前正进行概念设计和研究开发的,在反应堆和燃料循环方面有重大创新的核电站,其安全性和经济性更加优越、废物量较少、无需厂外应急、具有防扩散能力。

  高温气冷堆具有第四代核电技术的特点,是国际公认的先进核能系统,具有安全性好、堆芯不会融毁及温度高、用途多等突出技术优势。第四代核电技术也包括了很多其他国家的技术和研究,但都还处在理论探讨阶段。而我国自主研发的高温气冷堆是已经经过实验验证,最接近实现的。

  Q:现有的核电站基本都建在沿海区域,它对于沿海地区的生态环境有影响吗?公众非常关心的核辐射问题,您怎么看?

  王革华:核电站建在沿海主要有两个原因:一是需要大量的水来冷却,靠海比较便利,二是核电站的组件都非常庞大,通过海运比较方便。

  目前来说,如果不发生核事故,核电站对环境是完全没有影响的。现在的反应堆实际上有四个“守门员”防守:1.核燃料芯块。2.燃料包壳。3. 核燃料外面的压力壳。4. 压力壳外面的安全壳。这四个“守门员”会把放射性物质全部屏蔽掉。

  另外,运输核废料的过程都是由工业机械手来完成的,人是根本不会接触到这个环节的。所以在核电厂工作的人是不会受到核辐射的,反应堆建成之后是不允许有人进去的,一切都由工业机械手来完成。

  核反应本身会释放出巨大的热能,而目前大多数核电站都是采用水堆,即用水来给核反应堆降温,而降温过程其实就是一个“换热”反应,因此核电站周围的海水温度会略有变化,可能会影响藻类生长,进而对鱼类等生物的生长产生影响。但是这种影响并不来源于放射性物质的释放,而是由于热量、温度的原因。

  Q:我们经常听说的核废料是什么?是怎样产生的呢?

  王革华:核废料是指核反应堆用过的乏燃料。就像煤炭似的,核燃料在核反应堆里经过一段时间的反应就成了的核废料。乏燃料含有大量未用完的U238或Th 232,未烧完的和新生成的易裂变材料U235、Pu 239、U233以及在辐照过程中产生的镎、镅、锔等超铀元素,另外还有裂变元素Sr 90、Cs 137、Tc99等。乏燃料中包含有大量的放射性元素,因此具有放射性。

  Q:核废料最后会运到哪里呢?最终是怎么被处理的?

  王革华:一般来讲,核废料小且少,一座百万千瓦级的压水堆核电站,每年产生的乏燃料为20~25吨左右,大概只有不到两立方米。它们会被放在专门设计建造的储存装置中,储存到一定数量后使用专门的运输工具运走。目前我们国家已累计产生乏燃料约2200 吨。

  对核废料的处置目前有两个方法:1.直接用水泥或者玻璃固化以后,运到偏远的沙漠戈壁,深埋到地下。2.减量化,类似于垃圾分类,先把核燃料里有用的元素(比如铀、钚、铱和锶等)分离提取出来,经过分离之后核废料的体积大概能减小到几十分之一,再对其进行固化再深埋。科学家们也在研究更好的方法,比如对一些半衰期特别长的放射性元素,让中子继续轰击原子核,成为别的元素,半衰期期短一些。但目前来说,核废料的处置依旧是一个国际难题。

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