核电厂的安全特性及其在能源和环境保护中的作用，本文主要内容关键词为：核电厂论文,环境保护论文,特性论文,能源论文,作用论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 核电发展的简要回顾
1942年12月2日，由著名科学家费米领导建设的，放置在芝加哥大学橄榄球场看台下的世界第一座核反应堆达到了临界，这标志着人类已开始进入核能时代。但是像许多其他的新技术一样，核能首先被用到了军事领域，如原子弹和舰艇核动力等，1945年投在日本广岛和长崎的原子弹与1951年投入使用的美国鱼号核潜艇是其显著标志。不过军事领域的成功应用预示了和平利用核能的可行性，1954年6月前苏联建成了世界上每一座试验性核电站，标志着核电时代的到来。
20世纪50年代末到70年代初，大规模发展核电的国家主要有美国、英国和前苏联等国家，发展的技术较成熟的核电堆型主要有压水反应堆(PWR)、沸水反应堆(BWR)和镁诺克斯型石墨气冷反应堆(MAGNOXGCR)和石墨水冷反应堆(RBMK)等。20世纪70年代初的石油危机极大地冲击了世界能源市场，一些国家，特别是自然资源比较匮乏的国家开始大规模发展核电，以减少对石油的依赖，确保国家的能源安全。这些国家有法国、日本、德国和加拿大等，其中法国和日本尤其突出，截止目前法国的核能发电比例已超过80%，日本也超过了40%，这一时期核电发展的主力堆型是PWR、BWR、CANDU（重水堆型）和RBMK等。到上世纪末，核电已提供了约17%的世界电力需求。
我国在1964年爆炸了第一颗原子弹，1969年核动力潜艇陆上模式堆达到临界，但在是否发展核电和采用什么堆型上长期争论不休，直到20世纪80年代初才确定了压水堆为主的核电技术路线，并开始了我国第一座核电站——秦山核电站的建设。1991年12月，秦山核电站并网发电，结束了我国无核电的历史，随后我国又陆续建设了广东大亚湾核电站、广东岭澳核电站、秦山第二核电厂、秦山第三核电厂和江苏田湾核电厂等核电站，已投运机组6台，在建机组5台，总装机容量近900万kW。但所有在建机组全部建成投产后，我国的核电占整个电力工业发电容量的比例也仅仅约3%，大大低于世界平均水平。
世界核电的发展过程并非一帆风顺，在早期核能的发展过程中，曾经发生了一些较严重的事故，如1957年的英国温茨凯尔核反应堆事故，就导致了堆芯的严重损毁和较大量的放射性释放。
1945年投放在日本广岛和长崎的原子弹带给人类的心理冲击及早期核能发展过程中发生的一些事故，引起了世界核能界，特别是西方国家的核能界对核安全的高度重视，在发展核电的过程中逐渐发展和形成了一套核安全思想和核电厂设计的基本安全要求，现在在运行的大部分核电厂可以说是基于这一套安全思想和设计要求的产物，它也保证了如此大量的核电厂在几十年运行中的安全。
2 核电厂的安全特性
众所周知，核电厂的危害主要是放射性产物可能带来的辐射危害，因而人们制定的核安全最终目标是：建立并保持对辐射危害的有效防御，保护厂区人员、公众和环境。为了满足核安全最终目标的要求，在核电厂的设计中将遵循两个具体的安全目标。在辐射防护方面，要“保证厂区人员和公众在运行状态下所受到的辐射照射低于规定限值并保持合理可行尽量低；保证减轻事故引起的照射”。一系列的国家法规和标准规定了核电厂工作人员可接受的辐照剂量标准和核电厂的放射性物质排放标准，作为核电厂正常运行必须满足的要求，同时核电厂在合理可行的前提下还要采取措施尽量降低工作人员所受剂量和放射性排放，如美国要求降低1人·雷姆的辐照剂量所花费代价不超过2000美元的话，则应付诸实施；在核电厂的事故方面，要“保证从总体上防止事故的发生；保证在出现核电厂设计中考虑到的所有事故序列（即使是概率很低的序列）时，其放射性后果不大；通过预防和缓解措施保证发生严重后果的事故的可能性极低”。这要求核电厂采用保守的设计、高质量的设备和严格的运行管理来使核电厂发生事故的可能性降到很低，即使如此，仍然要假想一系列可能发生的事故（这些事故发生的频率可能低到10[-6]／运行堆年），并采取措施使假想事故的放射性后果不大。
在核电厂的设计中，被广泛采用的安全设计原则之一是纵深防御原则，即对安全有关的所有事项，不将安全依附与某一道单独的防线，而是采用多道防御措施，确保防御的有效性。
从核电厂的总体角度讲，提供了如下层次的纵深防御：第一层次，通过保守的设计、高质量的设备和严格的运行防止核电厂偏离正常运行工况。保守的设计，就是给构筑物、系统和设备留有较大的运行裕量，并通过深入的分析假想出许多可能的事故工况，并采取措施限制其后果。如核电厂的抗震设计要能对付万年一遇的地震，各种假想事故也达到了10[4]～10[10]年一遇的水平；核电厂设备的制造要有严格的质量保证措施、抗震鉴定和环境鉴定等，重要的设备，如反应堆冷却剂系统，要采用实际工业可以达到的最高水平制造；核电厂的运行，要遵循严格的运行管理大纲和程序；第二层次，通过检测、自动触发的控制和保护系统及运行人员的干预来纠正可能的对正常运行的偏离，防止这些偏离升级为事故工况；第三层次，基于如下假定，尽管极少可能，某些偏离仍然升级为事故工况，因此必须使用附加的设备和规程来控制事故的后果。在核电厂中除用于发电的工艺系统外，还设有专门的系统，即所谓专设安全设施来实现这个要求。
除上述防御层次外，核电厂还有一些附加设施和应急计划用以对付严重事故，对公众提供进一步的保护。
纵深防御的另一种应用是多道屏障，为了防止核燃料中的放射性外泄，设有燃料包壳、反应堆冷却剂系统压力边界和安全壳来包容放射性物质。设计要保证每道屏障的有效性，并且为其提供保护。
在核电厂的具体设计中，还采用了多种设计措施来提高可靠性和保证安全，主要的有：多重性。对承担安全功能的系统，采用多套冗余的系统和设备保证功能的可靠性；多样性。为减少共因故障，对执行同一安全功能的冗余系统里的设备，采用不同工作原理、不同的运行条件或不同的生产厂家的产品；独立性。对冗余系统的不同系列，放置在不同的厂房或房间内，防止一个系列的故障影响另外一个系列。
固有安全和故障安全设计：尽量利用物质的固有特性，如自然循环等。在设备发生故障时，要停留在对’安全有利的位置等；在役试验、维护、检查和检测。对构筑物、系统和设备采用在役试验、维护、检查和检测等措施，保证其功能的可靠性；设备停役：限制设备因维修、试验、检查等导致的停役，超出时限则须将核电厂置于安全状态。
核安全的具体要求还有很多，在这里不再详述。总而言之，通过这一整套核安全思想的贯彻，现有核电厂的安全达到了很高的水平。美国利用概率安全评价(PSA)技术对现有核电厂的评估表明，核电厂发生严重堆芯损坏的频率平均为10[-4]／堆年。由于有安全壳和严重事故的缓解手段，大规模放射性释放的频率还要降低一个数量级，即1000个核电厂运行100年才有可能导致一次较严重的大规模放射性释放，而世界现有430余座核电厂在运行。
1979年美国发生了闻名世界的三哩岛核电厂事故，事故导致了反应堆堆芯的严重熔毁，提醒人们必须高度重视核安全。但三哩岛核电厂对公众和环境的影响微乎其微，这也从一个侧面证明了现有核安全思想和设计要求的适当性及现有核电厂的安全性。作为一个反面的例子，前苏联脱离了世界核安全的主流，所设计建造的核电厂有诸多的安全欠缺，1986年发生的切尔诺贝利核电厂事故则造成了较严重的人员财产损失和环境后果。
3 近期核安全要求和核电厂的发展
1979年发生的三哩岛核电厂事故，特别是1986年发生的切尔诺贝利核电厂事故，引起了世界范围内对核电厂安全的高度重视。这固然有社会心理作用的一面，因为大量研究和运行实践虽然证明核电厂对人员的风险远小于公共交通、采矿等许多行业，但公众对一次造成大量人员财产损失的事件总是特别敏感；另一方面也说明进一步加强核安全，提高核电厂安全性的必要性。
1986年，美国核管会发布了关于核电厂安全目标的政策声明，对核电厂的安全提出了新的目标。为了给公众一个清晰、易于理解的概念说明核电厂所要达到的安全水平，政策声明中提出应该达到“邻近核电厂的个人由于核电厂事故所导致的立即死亡风险不超过美国人所面临的其他事故所导致的立即死亡风险总和的0.1%”和“核电厂邻近区域人口由于核电厂运行导致癌症死亡的风险不超过其他全部原因所导致癌症死亡风险总和的0.1%”。而核电厂为了达到这个目标，要将大规模放射性释放的频率降低到10[-6]／堆年以下，即在现有的平均水平上再降低一个数量级。
为了满足新的安全水平要求，电力公司和核电供货商都积极努力制定新的设计标准，比较著名的有美国的用户要求文件(URD)和德法两国联合制定的欧洲用户要求文件(EUR)。在这些标准指导下，一系列新的核电堆型被开发出来或正在开发，其中由美国GE公司、日本日立公司和东芝公司合作开发的先进沸水堆(ABWR)已经获得美国核管会的批准，并在日本建成运行了两个机组；由原ABB/CE公司开发的SYSTEM80+和西屋公司开发的AP600先进压水堆型也获得美国核管会的批准；法国和德国也在联合开发欧洲压水堆(EPR)。这些堆型在多年成熟核电技术的基础上又利用了多种先进技术，如被动冷却、计算机化的控制保护系统、模块化建造等，力图在安全性和经济性上都有较大提高，以增强社会对发展核电的信心和与其他能源的竞争能力。
2000年美国的加利福尼亚州发生了严重的能源短缺，其他州，如纽约州等也发生了程度不同的电力缺乏，美国政府在考虑解决能源短缺政策时，已明确将核能作为一种选择。世界范围内对核电的兴趣在重新增长。
2000年1月，美、法、日等9个国家召开了一个国际核电研讨会，在会议上提出了所谓第四代核电的概念。目前一般认为20世纪50、60年代核电初创时期开发的一些堆型可划为第一代核电；20世纪70、80年代建造的、现在作为核电主力机型运行的堆型可划为第二代核电；在URD或EUR指导下，近些年开发的，如ABWR、APWP、EPR等堆型可划为第三代核电。而第四代核电力图在发电成本、投资风险、建造周期、降低辐射照射、容忍人为错误、减少废物排放和放射性废物处理、防止核扩散以及安全水平上进一步提高，以至可以取消厂外应急计划。但第四代核电目前还处于概念探索阶段，虽然有一些堆型的初步设想，很多具体问题仍然不够明朗。
为适应中国“十五”核电发展的需要，国家核安全局在2002年颁布了《新建核电厂设计中几个重要安全问题的技术政策》，对国内新建核电厂的安全水平提出了新的要求，它的贯彻执行必然会使我国新建核电厂的安全水平进一步提高。
4 核电在能源和环境保护中的作用
随着经济的发展和社会进步，人类对能源的需求越来越大。在传统能源之外，人类正在探索太阳能、风能和潮汐能多种新能源，但目前的技术水平导致这些能源的规模只能作为特殊条件下的补充，还无法取代传统的化学燃料和核能源。在20世纪70、80年代，许多科学家有对核聚变能源寄予了很大希望，认为21世纪的头20年内很可能会有突破，但现在看来这个估计过于乐观。
中国经济近些年的快速发展导致了对能源需求的急剧增长，目前中国的年能源消耗折合大约20亿t标准煤，中国的年发电总量已居于世界第二位，装机容量超过3亿kW。即使如此，中国的人均能源拥有量仍远低于世界平均水平，预计到本世纪中叶，中国的总能源需求还要增加3倍。中国的能源结构中煤炭所占比例过大，导致了严重的酸雨、粉尘和温室气体排放等问题，同时占用了大约一半的铁路、水路运输能力。2001年中国的石油进口已接近7000万t，居世界第二位，世界石油市场的波动已对中国经济产生较大影响。有资料预计，到2020年，中国的石油进口将超过2.5亿t/a，因而能源安全问题将成为一个影响经济发展和国家安全的重大问题。另有资料预计，到2008年，中国将成为世界第一大温室气体排放国，届时来自国际上的减排压力将显著增加。把核能摆在适当的位置，作为解决能源和环境问题的一个重要手段日益显得重要。
表1 核电厂和火电厂正常运行排放物比较
排放物(a)
电厂类型
1000MWe
1000MWe
核电厂
燃煤火电厂
二氧化碳
2.2万吨（包括燃料生产）
650万t
二氧化硫
无 900t
氮氧化和物
无 4500t
粉尘 无 32万t
辐射照射 8.39人·Sv 440人·Sv
世界核电近50年的运行经验表明，核电是一种安全、清洁的能源，核电厂基本上没有二氧化硫和二氧化碳的排放，正常运行时对环境的放射性排放比燃煤电厂还要低，而核电厂运行人员所受到的年剂量照射低于一次医用X光检查。当然核电要进一步提高安全性、经济性，解决放射性废物的处置问题，但它们已不能成为发展核电的障碍。
目前核电因广岛和长崎原子弹投放以及三哩岛和切尔诺贝利核电厂事故的影响，受到了很多误解。由于这些误解和复杂的社会心理影响，许多人将核电视为高度危险的事物，这不符合事实。在中国目前大力保护环境，促进可持续发展的背景下，应该重视核电厂在保证能源安全和保护环境方面的重要作用。