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核电是一种清洁能源

新闻来源:本站  作者:郝东秦 汤紫德  发布时间:2017-06-13   点击数:
  •   一、什么是清洁能源

      查阅资料,清洁能源的定义是,它们的开发利用不会污染环境或较少污染环境。新能源是清洁能源,它区别于常规能源(煤、石油、天然气、水能等)。目前,国内有种设定,限定清洁能源只包括太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能。显然这种设定忽略了核能既是新能源、更是清洁能源的认知,或是缺乏对核能应用、发展及其特性的了解。

      当前,核能(裂变能)和平利用已为人类掌握,并已应用于发电、动力、供热、海水淡化等诸多方面,且不断与时俱进,保持高科技与创新集成之特点。核能应用中不产生二氧化碳,对环境的影响也有越来越严密的标准和监控措施保障。随着核能技术领域的开拓,核聚变能的应用,将给人类带来一个资源无忧、环境更美、空气清新的能源大世界。因为核聚变能量更密集,不仅不产生温室气体,也不产生带放射性的乏燃料,具有更优越的清洁能源和新能源特征。

      因此,无论是从技术角度,从环境保护角度,还是从可持续发展角度全面考虑,核能都归属为新能源和清洁能源之首。

      为此,各国将核电作为控制世界温室气体排放的最重要措施之一。中国是重要的承诺减排温室气体成员国,且在我国能源分类中,核电实际上被列入清洁能源范畴,早已见证于国家相关统计和报告中。

      去年,被誉为全球气候变化领域先锋学者的美国哥伦比亚大学教授詹姆斯·汉森总结了其研究成果,曾在北京大学就气候变化的机遇与挑战发表演讲时,表述了“核能是应对中国雾霾的速效药”的深刻内涵,更加证实:核电不仅是新能源,更是清洁能源。

      二、解析“核电是不是清洁能源”的问题

      当前,社会上有个别人受专业或心态的局限,刻意扭曲对核电是清洁能源的认知,制造一些模糊、甚至错误的概念。我们拟从专业角度讲点科学道理和常识,用事实和数据澄清谬误,共同深化对核电是清洁能源的认识,增进对核能和平利用的信心,共创能源结构合理、空气清新、环境优美的新纪元。

      1.有人认为核电有放射性,误识“核电不是清洁能源”。

      实际上,放射性广泛存在于地球及宇宙空间,并非核电所独有,而且核电厂的放射性对环境影响很小,不能成为否定核电依据。

      以下分享,可加深我们对放射性的了解:

      (1)宇宙中有宇宙射线,太阳核聚变释放能量的同时释放大量中子,诱发放射性产生。

      (2)地球上存在大量天然放射性核素,主要有钾K-40、钍Th-232、铀U-235、铀U-238等十余种,以及它们衰变的多种产物,如铅Pb-210、钋Po-210、镭Ra-226。它们的主要特点是:地壳中总量大、含量多(如铀,在海水中平均含量为3.3×10-9t/m3,总量约40亿t;在深至25km地壳岩石内平均含量2.5×10-6,总量约1014t;铀资源品位在0.05%~16%之间),且处于非均匀分布,半衰期特别长。

      核裂变产物中的放射性核素主要有17种,如氪Kr-85、碘I-131等。

      一般核反应生成的放射性核素共约114种,如氚T-3、碳C-14、钴Co-60、铀U-233等。

      (3)当今,地球上人类可能遇到的各种放射性影响,其年平均有效剂量大致如下表所示:

      各种放射性影响年平均有效剂量(单位mSv/年)

    注:天然本底辐射年均有效剂量2.42mSv/a,其构成主要是:宇宙射线0.39 mSv/a,陆地Gamma射线0.46 mSv/a,建筑材料、氡及其衰变子体1.3 mSv/a,人体内放射性核素0.27mSv/a。

      (4)地球上(自然界)存在的放射性被称为天然本底,它占据环境中有效剂量的92.1%,其次是旅行和辐射医疗占7.2%以上,核电厂放射性影响非常小,仅占0.08%以下。

      因此,说放射性是核电造成的,扩大核电的负面影响,甚至说“核电不是清洁能源”,这是违背科学和客观实际的。

      2.有人说“核电乏燃料半衰期超过地球寿命”,夸大其辞,断言“核电不是清洁能源”。

      其实,半衰期长短不是衡量放射性强度和危害作用的主要物理量,更不是唯一的。放射性半衰期只表示衰变的快慢,而不是辐照或污染程度的最终标志。

      通常描述某种核素的放射性作用有四大要素,主要是:放射性强度、射线形式能量、核素质量含量、半衰期。

      放射性衰变规律是:

      At/Ao=(1/2)t/T

      式中A为核素放射性强度,t为时刻、T半衰期的关系。

      S=1.16x10+20/M.T

      式中S为比活度,M为核素摩尔质量(g/mol),T为半衰期(h小时)。

      半衰期T越长,放射性强度A和比活度S越低;相同时间内辐射影响越小。

      只以半衰期长短说事,由此否定核能和平利用,显然不客观,或是缺乏科学知识的。

      通过盘点以下事实,可充实我们的认知。

      (1)半衰期最长的核素有:K-40,12.6亿年,比活度为0.26×10+5Bq/g;Th-232,141亿年,比活度为0.40×10+4Bq/g;U-238,45亿年,比活度为0.123×10+5Bq/g;U-235,7.1亿年,比活度为0.79×10+5Bq/g。这些核素都是天然放射性,和地球共存,其比活度都很低。

      (2)核电反应堆燃料和乏燃料中的核素主要包括:

      核电厂燃料主要成分是U-238和U-235。 在乏燃料中,这两种铀元素仍占95.4%,但它们属天然放射性核素,并不是核反应产生的。在乏燃料中,U含量95.4%,比活度15TBq/tu,其中U-235富集度0.83%;钚Pu含量0.9%,其中Pu-239富集度约0.53%,半衰期2.4万年;还有 Pu-238、Pu-240、Pu241,以及Np-237、Am-241、Am-242、Cm-242等。其中镅Am-241含量仅0.014%,半衰期432年;Cm-242,含量0.0047%,半衰期163天。

      乏燃料经后处理,其中铀从乏燃料中去除99.8%,钚从乏燃料中去除99.6%~99.9%,其他锕系也可逐一分离出来。在卸料至后处理的10~20年间,短半衰期核素衰减幅度极大。

      (3)裂变产物中初级产物有80多种,衰变次级产物300多种,其总含量3.09%,经冷却150天后,比活度为15.5×1016Bq/g。

      裂变产物中的核素,大部分半衰期在几十天甚至10小时以下,余下部分的半衰期处于10~30年间。因此,裂变产物放射性比活度下降很快,一般经10~20年衰减可下降4~5个量级。

      (4)核电厂乏燃料中放射性核素的处置

      核电厂乏燃料通过后处理回收铀、钚、锕系核素,冷却10~20年,对含有剩余核素的放射性废液进行固化处理,最终将固化体送至永久处置场处置。处理过程都在严格的封闭系统中完成,且全程接受核安全及环保当局的监管,不会污染环境。

      3.有人认为“核电厂事故会污染环境”,核电“不可列为清洁能源”

      (1)世界核电历程60余年,先后投运核电机组600余台,累计安全运行16800多堆年,为30多个国家和地区发挥了巨大的社会经济和环境保护作用。虽曾发生过三次五级以上严重事故,而造成附近部分地区环境污染事故仅2起,其中人员辐照致死事故仅1起。事实表明,核电厂发生严重事故、大量放射性外泄机率极低,不应以极个别事件否定核电整体安全性。

      (2)核电厂安全性不断提升,严重事故概率已从二代技术的10-4/堆年,降至三代技术的10-5~10-6/堆年,大量放射性外泄概率降至10-7~10-8/堆年。此外,核电厂的设计与建造都加设了抵御外部事件的设施,可防御天然和人为因素破坏。

      (3)我们知道,不同行业都存在相应的健康风险。据2010年OECD核能署统计1969~2000年期间发生严重事故情况,可清晰了解到能源行业的健康风险数据,比较可接受程度。如下表:

      OECD发布1969~2000年对不同行业健康风险比较数据

      其中,核能事故次数最少,仅占0.053%。

      4.核电不排放CO2SO2NO气体,价值赫然,倍受关注

      (1)核电的减排效果。

      按照燃煤火电1kwh燃烧标煤312g计算,即可获得核电减排的巨大效果,如2014年核发电量2330Twh,使当年少烧燃煤7.27亿t(标煤),同时减排CO2约20亿tSO2约0.063亿t、NO545万t。

      (2)国际能源机构为了表达对清洁能源减排有害气体的价值,已为燃煤火力发电测定了发电的外部成本,其中SO2外部成本16.3分/kwh,CO2排放外部成本15.0分/kwh,合计外部成本31.3分/kwh。

      以2014年世界核发电量2330Twh计算,核电为人类创造的减排价值达:31.3分/kwh×2330Twh=7290亿元。此量化已经十分清晰地告诉我们,核电作为清洁能源的价值,效果十分显著。

      (3)欧盟和美国能源联合研究发电行业的外部成本

    注:以上数据单位为欧分/kwh。欧盟平均电力外部成本8欧分/kwh,全球碳排放指标价格16美元/tCO2

      分析上表可知,核电的外部成本仅次于风能,比水电、太阳能、生物质能的外部成本都低。事实已经鉴证,核电是清洁能源的地位无可非议。

      5.核电厂乏燃料中的放射性会不会衰变减弱

      (1)以压水堆核电厂为例,若装机容量1GWe,核燃耗深度为33000MWd/tu时,乏燃料卸料放射性活度高达n×106TBq/tu以上;1个月后可减少至1/20倍,冷却150天后,比活度降为15.9×104TBq/tu,其中裂变产物15.5×104TBq/tu,锕系核素比活度0.47×104TBq/tu。

      (2)第10年乏燃料比活度为1.16×104TBq/tu,是第1年的7.26%;裂变产物比活度为1.15×104TBq/tu,是第1年的7.4%;锕系核素在后处理回收后,剩余比活度1.8×101TBq/tu,是第1年的0.38%。

      (3)第100年乏燃料剩余部分比活度3.07×102TBq/tu,为第1年的0.19%。

      (4)第500年从已降20倍后,再降低10万倍。

      (5)第1000年乏燃料比活度为9.1TBq/tu,是第1年的0.0057%,其中裂变产物活度0.8TBq/tu,剩余锕系活度1.4TBq/tu。

      放射性活度衰减特征是,裂变产物半衰期短,按日衰减较快。锕系核素回收,使放射性减少,最后剩余放射性中,Pu-239和U-238仍占一定比例。

      最终,放射性废物要通过固化处理和高放射性废物处置来管理。

      6.停堆后的燃料释热如何处置,是核电安全的重大问题

      (1)停堆释热包括由缓发中子引起并增殖的剩余裂变释热,在停堆最短时间起主导作用,其近似表达式:Pt/Po=0.15e-0.1t

      (2)放射性衰变,缓发射线释放能量──发热,其中极短半衰期核素在较短时间内起重要作用,之后,按半衰期依次决定发热。

      (3)综合发热近似值可表示为:Pt/Po=0.07t-0.2

     

        (4)停堆后燃料余热,0~20秒内,主要是剩余裂变释热,比值15%~2%。随后半年,主要是短半衰期核素,释热比值2%~0.25%。然后至第10年,降至0.08%。第100年降至10-7以下。均由长半衰期核素衰变产生。

        (5)排放堆芯余热,确保堆芯安全不发生融化事故措施包括:

        ①加快停堆速度,控制棒落棒时间在2秒内,确保停堆深度(Keff限值)。

        ②保证反应堆冷却剂循环泵停电惰转能力

        ③建立相匹配的停堆余热导出系统,补充水、含硼水注入系统等。

        ④建立事故热量导出、防止堆芯熔化的措施。

        ⑤建立乏燃料池冷却系统和补充水、含硼水系统。

        ⑥采用非能动安全系统或非能动+能动安全系统,解决余热导出,达到确保安全的要求。

        由此,可以明了,核反应堆余热导出不成为核电站的安全漏洞。

        综上所述,核能是清洁能源,完全符合“不污染或少污染环境”的要求和标准,已有充分的科学依据和实践证明。明确和维护核能是清洁能源,在实践中具有重要意义:

        ⑴遵循科学发展观,有利于澄清事实,落实清洁能源政策;

        ⑵贯彻能源发展方针,有利于调整结构,安全高效发展核电;

        ⑶坚持发展核电,有利于稳定供给、清洁空气、治理雾霾;

        ⑷完善核电与燃料循环体系,有利于节省资源,保护环境;

        ⑸坚持摆事实、讲道理,有利于辩明是非,疏解公众困惑。





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