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核设施选址因素的演变

已有 456 次阅读 2017-9-12 09:23 |个人分类:核电厂地震危险性分析|系统分类:科普集锦

商用核电的萌芽

美国总统艾森豪威尔,于1953年在联合国发表的核能和平利用宣言,正式拉开了商用核电发展的序幕。为了推动核能和平利用运动的进展,美国政府支持建造了世界上第一个商用核电厂的原型堆(prototype)—西平港核电厂。西平港核电厂址位于宾西法尼亚州BeaverOhio河畔,195499日开始破土动工,1957年反应堆首次临界。为了展示核能和平利用的广阔前景,堆芯采用了武器级的高浓铀(U-235浓度为93%)和天然铀(U-235浓度约为0.72%)的组合形式,反应堆的电功率为60MW。法国政府紧随核电发展的潮流,于1955年在Marcoule厂址建造了该国的第一台核电机组(编号为G1,堆型为UNGG),厂址地理位置见图1.1UNGG堆型是一种以天然铀为燃料,石墨慢化,气体冷却的反应堆,电功率只有2MW。采用同样技术的G2G3核电机组,增加了堆芯内燃料组件的个数,电功率增大到了39MW40MW,分别于1959年、1960年开始满功率运行。UNGG堆型共建造运行了10个机组,大多数由于经济性较差,在到达设计运行年限前就关停了。

1.1法国Marcoule厂址地理位置图

综上可知,这一时期的核电厂主要起示范作用,是当时的世界列强们“秀”国力和技术的一种手段,反应堆的安全性能存在着较大的不确定性,电厂的经济性较差。

为了保护公众和环境,核安全监管部门(美国原子能委员会,USAEC)根据采用保守假设和分析过程的确定论方法,制定了核安全相关法规和管理导则。为了降低放射性释放给居民带来的风险,厂址选择的首要准则是人口稀少的荒凉地区。法规中的用词也体现了这条准则的特征,如禁区(forbiddenarea)、低人口地带(lowpopulationzone)等。位于美国西部加州Alameda郡的Vallecitos厂址是典型的代表(1.1),荒凉的山间谷地内伫立着美国历史上第一台商用沸水堆(BWR),采用轻水作为冷却剂和慢化剂,堆芯同样为高浓铀,已于1963年退役。

1.2Pleasanton岭拍摄的Vallecitos核电厂址

(DonSleeter拍摄于2009619)


新厂址的否定因素—能动断层

在美国加州Vallecitos厂区内发现活动断层(activefault)后,营运单位在核安全监管机构的要求下,关闭了厂址上功率最高的生产堆,核材料辐照后实验室和医用放射源生产工厂则运行至今。与此类似,加州境内1961年开始建造的HumboldtBay核电厂(堆型为BWR,电功率为63MW),由于发现了穿越反应堆底部的活动断层,外加三哩岛核事故后,美国核管会(NRC)提出了更加严格的安全要求,也从1979年开始永久关停,目前仍处在退役过程中。

经历过两次活动断层导致核电厂长时间停堆直至退役的事件后,美国核管会总结经验,在1979年发布的联邦法规中增加了一个小节,专门论述核电厂选址中的地质和地震准则,将厂址附近的活动断层列为新厂址的否定条件。并且从工程应用的角度,在联邦法规中将这类活动断层命名为能动断层(capablefault),同时给出了详细的调查范围和精度要求。

福岛核事故后,日本政府加强了对核电厂地震安全的管理。通过开挖探槽,确认了Tsuruga核电厂2号机组下方的K断层与区域性Urasoko活动断层的相互关系,如图1.3所示。在日本核安全监管机构(NRA)的要求下,营运单位关停了Tsuruga核电厂2号机组。

1.3Tsuruga 核电厂K断层和Urasoko断层的相互关系示意图


核电厂选址要求的完善和细化

19657月,美国东北部地区发生的大范围的持续断电事件,向发电厂和电网提出了更高的电力需求。20世纪70-90年代,远程超高压输电技术出现后,随着石油价格的走高,核电的经济性大幅提升。核电在整个电力供应中所占比重显著增加,单堆功率也大大提高,导致禁区半径过大。核电厂的安全评价开始基于起作用的安全系统缓解的事故源项,安全系统主要的作用为停堆、排出堆芯余热、保证放射性包容。与此同时,美国于1970年发布了“国家环境政策法(NEPA)”,环境影响评价成为厂址适宜性准则的主要内容。

电力需求作为核电厂选址的第一推动力,指定了厂址的目标区域。目标区域的自然、经济、社会特点,决定了选址工作的侧重点有所不同。为了应对日益增长的用电需求,同时考虑到加州地区的强地震活动背景,加州理工于19719月到19726月,开展了以成熟的PWRBWR堆型(单堆电功率1000MW)技术为原型的,地下核电厂选址研究工作。

1976年开始建造,1986年并网发电的亚利桑那州PaloVerde核电厂是其中的典型代表。为了满足周边城市的电力供应需求,该厂址上布置了三台典型的压水堆(PWR)核电机组,每台机组的电功率可达1300MW。厂址位于沙漠之中,是世界上唯一的远离地表水体的核电厂,三回路的冷却水源为处理后的周边城市生活废水。

为了对核电厂址选择工作提供指导,美国核管会的管理导则《GeneralSite Suitability Criteria for Nuclear Power Stations(RG4.7),列出了评价厂址适宜性需要考虑的主要因素。管理导则RG4.7中的核电厂址选择准则主要考虑了安全和环境保护两个方面,安全方面的因素包括:

地质和地震,大气弥散,非居住区和低人口区,人口分布,应急计划,安保大纲,水文,工业、军事和交通设施;

环境保护方面的因素包括:

重要栖息地的保护,重要物种的迁徙路线,水生生物的卷吸和撞击,水生生物的俘获,水质,水的可用性,已建立的公共资源区,

预期的资源区,公共规划,景观资源,局地起雾和结冰,冷却塔飘滴,冷却塔烟羽长度,烟羽相互作用,噪声,预置土地利用的经济影响,环境公正。

上述厂址适宜性因素选自管理导则RG4.7的最新版本,基本上涵盖了核电厂址选择中需要考虑的安全和环境保护方面的因素。从厂址适宜性准则的建立和完善历程中可以看出,这是一个针对实践中遇到的问题而不断发展的过程,它与核安全技术的不断进步密不可分。


公众意愿

20世纪90年代至今,厂址所在地区公众的意愿,对核电厂选址工作的影响也越来越显著。随着厂址资源的稀缺,这一阶段的新反应堆主要布置在已有厂址上,形成了一址多堆的特点。日本的Kashiwazaki厂址和Fukushima厂址是这类核电厂的代表,分别有7台、10台运行机组。法国的Marcoule厂址,不仅运行机组数量多,并且堆型多样,设施种类齐全,从动力堆到后处理厂,一应俱全。

三大核电强国(美国、法国、日本)中,只有日本的HigashiDoriOhma两个新厂址,是在本世纪开始建造新反应堆的。与此对应的是,新兴的核电大国,如中国和印度,则在多个新厂址上建造了新的核电厂。



参考文献

陈晓秋,侯杰,李冰,.我国核电厂选址标准研究走向的思考.辐射防护通讯,2013.(2): 1-7.

https://www.iaea.org/about/history/atoms-for-peace-speech

https://www.nrc.gov/about-nrc/emerg-preparedness/history.html

http://www.areva.com/EN/operations-3152/marcoule-site.html

10CFR 100. Reactor Site Criteria . USNRC

https://www.lm.doe.gov/Vallecitos/Sites.aspx

10CFR 100.23. Geologic and Seismic Siting Criteria. USNRC

AppendixA to 10 CFR 100. Seismic and Geologic Siting Criteria for NuclearPower Plants. USNRC

Hamilton,M. S.. Power plant siting: a literature review. Natural ResourcesJournal . 1979, 19: 75-95.

Watson,M. B. , W. A. Kammer, EI Segundo, L. A. Selzer, R. L. Beck.Underground nuclear power plant siting. Nuclear Engineering andDesign. 1975, 33: 269-307.

GeneralSite Suitability Criteria for Nuclear Power Stations. RG4.7 . 2014.USNRC

ManagingSiting Activities for Nuclear Power Plants. NG-T-3.7. 2012. IAEA.Vienna

https://www.iaea.org/pris





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