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核电站的诞生与发展

日期:2020-12-28    来源:嘿嘿能源heypower

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2020
12/28
13:38
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关键词: 核电站 火力发电厂 卡尔德霍尔核电站 航运波克核电站

1896年,亨利·贝克勒尔确认了天然放射性的发现,开启了核能的发展史。他发现铀盐发出的辐射可以穿过纸板,使照相板变黑,并使空气电离。这种辐射的特性开启了一个新的研究领域。接着,居里夫妇发现了钋和镭,后者的放射性是铀的数百万倍。

然而,实际利用原子能的方法是由俄国著名科学家弗拉基米尔·弗纳德斯基开发的,他是第一个将核能经济利用的人。早在1908年,弗尔纳德斯基就提出,由于放射性可以提供热能,因此具有实际应用价值。于是,一种新型的、具有巨大潜力的能源被开发出来。当时在俄国和欧洲已经有几位科学家在从事放射性元素的研究,弗纳德斯基证明了镭在实际使用中的重要性。

弗拉基米尔·弗纳德斯基

1910年秋,在弗尔纳德斯基的建议下,科学院成立了一个镭委员会,其中还包括戈利岑亲王等高层管理人员和非常著名的院士别克托夫、卡尔平斯基和车尔尼雪夫。1910年12月29日,在俄罗斯科学院隆重的年会上,维尔纳茨基宣读了题为《镭领域的今日任务》的计划报告,他在报告中提出了整个地质勘探和技术研究的计划,并详细介绍了寻找铀矿石和控制原子衰变能量的技术路线。弗纳德斯基在报告中说:“……现在摆在我们面前的是,在放射现象中原子能比人类想象中的所有动力来源大数百万倍”(弗纳德斯基 1954年)。与此同时,英国物理学家欧内斯特·卢瑟福发现了铀核的α和β辐射,并确定质子是一种独立的基本粒子。他是第一个进行人工核反应的人,该反应是将氮转化为放射性的氟,获得稳定的氧。卢瑟福的主要科学成就是革命性的建立了原子的模型。根据这个模型,粒子的质量不是均匀分布在空间上的,几乎所有的质量都集中在一个带正电荷的小区域内。

他根据阿尔法粒子通过金箔的实验结果得出这一结论。在卢瑟福模型的基础上,著名科学家尼尔斯·玻尔于1913年提出了一个类似氢原子的量子模型,即玻尔原子。卢瑟福创建了一所科学学院,其中詹姆斯·查德威克发现了中子,马库斯·奥立佛和保罗·哈特克发现了氦-3和氚,俄国科学家卡皮察制造了超强磁场,发现了液氦的超流动性。卢瑟福的学生中有量子力学的创始人尼尔斯·玻尔和苏联核武器的主要研制者之一卡里顿。第一次世界大战期间,卢瑟福表示,希望在人们学会和平共处之前,不要掌控原子能。卢瑟福选择了“寻求事物的第一原理”作为他的座右铭,一生都遵循这一原则。他于一年后去世,同年,奥托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼发现了铀的中子诱导裂变,开启了核武器和军用核动力的道路。

从第一台核锅炉到核电站,核能利用的道路比原子弹的发明快得多。首座核电站需要可控的链式反应。在这个反应中,钢制反应堆被分割开来生产钚-239,它是铀-238吸收中子过程中形成的。之后有了潜艇用的小型动力装置。1951年,在美国爱达荷州的实验基地,科学家们甚至成功发电,并点亮四个灯泡。

问题是,要运行一个在功率上可与火力发电厂(TPP)相媲美的成熟发电厂,需要完全不同的温度和功率。必须在高热流密度和高压下进行热交换,而这些问题一直没有得到很好的研究。堆心燃料必须在高温下运行而不被破坏,结构材料必须能承受巨大的辐射负荷。

科学家库尔恰托夫和多列扎尔得到了支持,他们建造一个带有管状燃料元件的铀-石墨反应堆,其中使用非沸水作为冷却剂。由于战后资源短缺,反应堆的设计装机较低。当实验人员寻找汽轮机组时,偶然发现了一台废弃的小型汽轮机。虽然只有6兆瓦左右,但它却相当适合做实验性的核电站。这台汽轮机的最终决定了世界上第一台核电站的功率。从1951年9月开始建设核电站的整个过程,就是一系列的实验和测试的过程。通过观察反应堆的具体参数来分析可能出现的紧急情况,人们意识到最危险的是冷却水的加注。如果冷却管道被破坏,中子就会增加,功率开始增加。

战后,苏联的几个实验室开发燃料棒,这是反应堆最危险的区域。首先,燃料棒是以钢管的形式制作的,在钢管上安装了铀衬套。当纯铀被含9%钼的合金取代后,危险性有所降低,使用寿命增加到几百小时。然而,最成功的解决方案是将铀钼合金分散在镁基体中。测试时,这种设计处理了热流密度过高的问题。1954年5月初,科学家们开始在堆芯中装入燃料。第一批完整的核燃料含有546公斤铀,其中铀-235的浓度为5%。试验持续了一个半月,1954年6月26日下午5时45分,蒸汽供给汽轮机,世界上第一座核电站开始承担工业负荷,发电机功率为1.5兆瓦。第一座核电站的成功,以其几乎无限的资源潜力,让人们对清洁能源产生了希望。

在苏联建立第一座核电站几年后,英国的卡尔德霍尔核电站(1956年,45兆瓦)和美国的航运波克核电站(1957年,67兆瓦)开始运行。

卡尔德霍尔核电站

航运波克核电站

多年来,核电在全球能源中占据了至关重要的地位。事实上,革新核电站的设计、建造和运行方式是时代的需要。快中子反应堆技术的发展满足了一部分需求,如确保核电站的安全和核燃料的高效利用。而且,“快捷的能源”是解决核工业中涉及国家安全和环境保护问题的关键所在。首先,由于铀在增殖核反应中的利用率较高,其开采和贮存对环境有一定影响。国际上已采取措施,在可预见的将来会停止开采铀。因为铀可以从乏核燃料(SNF)和贫化六氟化铀中生产,其储量是比较充足的。其次,目前放射性废物管理对环境的影响有所降低。放射性废物需要昂贵的储存设施,以确保其与环境隔离足够长的时间,使其放射性衰减。育成器可以大大缩短乏核燃料所需的封存时间,减少潜在的危险。第三,从热中子反应堆的乏核燃料加工中获得的钚也可以在育成器中进行处置。如果把钚作为放射性废物储存和最终处置,则需要采取特殊措施以确保安全,因此成本很高。所以,快速反应堆的优势是显而易见的。

如今,一个新的市场正在浮现,拥有核技术的国家可以提供技术和高科技设备。同时,在“快速”技术竞赛中,先发国家有可能被中国或印度等发展中国家淘汰。因此,在核电产业方面,必须加快这方面的发展。现在的原子能是在冷战时期创造的,当时核的能在生产能源的同时,主要任务是生产和积累核原料。这就是现有的基于铀钚循环的核电站诞生的主要原因。其他一切,如放射性废物和乏燃料的处理、储存、核电站的退役、核材料扩散的风险以及其他环境问题都是次要的。

我们应该相信核电站是安全可靠的。在过去20年里,全世界新建核设施的数量有所下降,原因包括公众对建设新的核电站的抵触情绪,以及装机容量过剩的情况,主要原因是电力市场竞争和许多现有核设施的经济性能低下。同时,东南亚、中东、非洲的许多发展中国家对发展核能态度犹豫。核能能否发展壮大,最终将取决于这些国家面临的具体问题。事实上,没有任何一种能源或产业能像核能一样发展得如此迅速。1954年的世界上第一座5兆瓦的核电站投入使用,截至1980年1月1日,世界上约有80座容量为15000兆瓦的核电站获得批准。

20世纪70年代初,由于电力需求的增长和1973-1974年石油输出国组织(OPEC)国家实行的石油禁运引起的全球能源危机,导致能源价格上涨,进一步推动了全世界核电的发展。同时促进了公众对核电的认识。

我们坚信,在可预见的未来,核能将是重要的替代能源。因此,直到1980年代中期,核能一直被认为是最有希望的能源,是应对能源危机的最佳举措。在短短的20年里(从1960年代中期到1980年代中期),核电站生产的电力在全球所占的比例从几乎为0增加到17%,在一些国家,这一比例甚至更高(法国约为80%)。

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