核电厂为什么担心停电_张明.pdf

64科技视界Science&Technology VisionF新技术应用New Technology Application核电厂为什么担心停电张明（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室,四川成都610213）在近期俄乌冲突中，扎波罗热核电厂附近的战斗导致核电厂失去外部电源供应，这引起了国际原子能机构的高度关注，称这可能会将核电厂至于危险境地。有人可能会问，核电厂本身是一种发电的工厂，为什么核电厂却担心停电？这就要从核电厂的运行原理说起。核电厂与火电厂在发电的原理上基本一样，都是将水加热产生蒸汽，推动汽轮机转动，汽轮机带动发电机发电。两者的差异主要是能量来源不同，常规火电厂是利用煤炭、天然气等化石燃料的燃烧释放热量，而核电厂主要是利用核燃料的裂变反应释放热量。所谓裂变反应就是指一个重原子核（如铀 235）经过中子轰击分裂为两个或多个轻原子核，在分裂的过程中会释放出巨大的热量，同时还会释放出 23个中子，释放出的中子会继续轰击原子核引发裂变发应，这样裂变反应就会一直持续下去，这就是所谓链式裂变反应。由于每次裂变产生 23个中子，如果这些中子全部能够引发裂变发应，则裂变反应将会越来越多、最终失去控制。因此，在核电厂中通过设置控制棒或添加化学补偿毒物来控制中子数量，使中子的产生与消耗刚好相等，即临界状态，这样就可以维持反应堆处于一个稳定的状态。重原子核经过中子轰击分裂形成的轻原子核通常处于不稳定状态，这些不稳定的原子核会发生衰变，原子核的衰变也会释放热量，这部分热量通常称为衰变热。在反应堆正常运行中，裂变反应产生的热量约占总功率的 93%，衰变热约占 7%。虽然正常运行时衰变热占比不高，但如果核电厂发生事故反应堆紧急停堆后，裂变反应会快速减少，在 0.5h后裂变反应产生的热量就会低到可以忽略的程度，但衰变热的降低则慢得多。正常运行时，衰变热约占总功率的 7%，在反应堆停堆 2h后降低到约 1%，停堆 1d后约为 0.5%，停堆 1个月后约为 0.1%。对一个百万千瓦级的核电厂来说，反应堆热功率约为 3000MW，反应堆停堆 1d后堆芯的衰变热仍有约 15MW，带走这些热量每小时约需要 20m3的水。核电厂正常运行时需要大量的系统设备运转来维持，这些设备大部分是用电设备，正常运行时核电厂发电机发出的电一部分输送到电网，还有一部分用于维持电厂自身系统设备的运行。如果厂内或厂外电网故障导致核电厂失电，反应堆将会紧急停堆，正如前面提到反应堆停堆后仍然会有大量衰变热产生。为了保证反应堆的安全，必须将这部分热量有效带出，否则堆芯衰变热会逐渐烧干反应堆内的水，导致堆芯燃料升温、熔化，引发严重事故。因此，核电厂虽然本身发电，但维持自身运行和停堆后的冷却，也需要电源支持。失去厂外电源是核电厂设计中必须考虑应对的一种事故工况。为此，核电厂设计采取了以下措施：首先在失去厂外电时，核电厂能够自动甩负荷到厂用电水平，利用电厂自身发电维持反应堆在一个较低的功率水平运行。此外，核电厂设计了两路厂外电源，一路电源失去后，核电厂甩负荷成功后即可维持低功率运行，即使甩负荷失败发生紧急停堆，核电厂还有备用的厂外电源，可以维持核电厂停堆后的运行。为了防止地震等灾害导致全部厂外电源同时丧失的事故，核电厂内设置了至少两台冗余的应急柴油发电机，在失去厂外电时利用一台应急柴油发电机就可以给电厂停堆冷却系统供电。为了降低对电源的依赖，核电厂还设计了汽动供水系统。反应堆停堆后，堆芯的衰变热加热产生蒸汽，利用这部分蒸汽推动汽动泵运行进而为反应堆冷却提供冷却水，这样就可以在不依靠电源的情况下维持堆芯的冷却。随着核电技术的进步，为了进一步提高核电厂事故应对能力、简化系统设备运维操作，在新一代的核电设计中大量采用了非能动冷却系统。例如，中国自主三代核电“华龙一号”设计了二次侧非能动余热排出系统，在核电厂发生全厂断电事故后可以在不依靠电源的情况维持核电厂 72h的冷却。通过上述各种措施，目前核电厂的安全性已经大大提高，中国自主三代核电“华龙一号”发生堆芯损坏事故的概率已经低于千万分之一，核电的安全性是可以得到保证的。核电是一种绿色低碳的清洁能源，不受季节或天气的影响，与水电、风电、光电等其他清洁能源相比，具有稳定、高效的特点，在未来社会发展中，积极发展核电有助于优化国家能源结构、助力国家“双碳”目标的实现。23年04期.indd 6423年04期.indd 642023/5/4 15:52:362023/5/4 15:52:36