核电与现代社会及公众安全 北京大学物理学院 郭秋菊 2011年3月19 日 核电与现代社会及公众安全 核能、核能发电及世界核电现状 天然本底辐射与生活中的放射性 电离辐射的生物效应 福岛第一核电厂事故 我国核电现状 原子核裂变 原子核裂变的发现震惊世界 1939.1.26: 玻尔在华盛顿“第五次理论 物理会议”上介绍了“原子核分裂”的 最新发现,引起震惊! 1939年:费密等人证实裂变过程中产生中 子—有可能导致“爆炸性链式反应” 裂变发现开辟核能利用新时代 裂变链式反应 放出2~3个中子 200MeV 能量 实现自持链式反应 可能形成巨大能量的 核爆炸! 1kg核材料全部裂变 释放约为2万吨TNT 炸药放出的能量 军用转民用- 核电的诞生 核武器研制为核能利用打下物质基础 1950-51美国两座反应堆核能发电取得 成功,发出200千瓦核电- 用于核潜艇 1954年前苏联建成世界第一座5000千瓦 民用核电站 美国、英国民用核电站相继建成 世界核电分布图 全球核电机组442个;占全球总发电量的16% 核电站数量 120 104 100 80 58 55 60 32 核电站数量 40 21 20 19 18 17 15 13 20 0 国国本斯国度国大国兰国美法日罗韩印英拿德克中俄加乌出自IAEA2011年1月发布的数据 法国向周边国家的电力输出 英国德国 比利时 瑞士 法国 意大利 西班牙 世界核电在建机组数目 全球在建核电机组统计 核电与火力发电的比较 火力发电 核电核电 给水泵 天然铀与浓缩铀 U-238 U-235 天然铀 U-238 U-235 低浓缩铀 核反应发电与原子弹爆炸的区别 U235 (3-5%) 核电U238 (95-97% ) 原子弹 U235约100% 100万KW核电机组运行1年所需燃料 浓缩铀 天然气 煤 核反应堆类型 种类繁多(按中子能量分): 热堆(热中子反应堆) 快堆(快中子反应堆) 热堆:裂变释放快中子(~1 MeV ) ↓慢化剂( 轻水、重水、石墨) 热中子 按减速剂分:(轻水、重水、石墨)堆 轻水堆:压水堆(PWR ) 沸水堆(BWR ) 压水堆(PWR)的结构 反应堆安全壳 控制棒 汽轮机 反应堆压力容器 循环水泵 给水泵 典型压水堆(PWR)核电厂工作原理 安全壳 发电机 汽轮机 一回路 设备冷却 二回路 冷凝器 沸水堆(BWR)的结构 反应堆安全壳 汽轮机 控制棒 循环水泵 给水泵 燃料组件 235 铀芯块( U~3% ) ↓ 铀棒 (直径:10mm,长:3-4m ) (14 ×14,15 ×15,17 ×17) ↓ 燃料组件 (121束、157束等) 控制棒 银(80% )-铟(15%)-镉(5% ) 核反应堆— “原子锅炉” 堆芯 燃料组件、控制棒、冷却剂、 慢化剂 启动中子源 压力容器 高13米,内径5米,厚20厘米钢筒 140大气压,350℃ 维持液态 安全壳: 高60~70米,厚1米水泥壳 内衬5毫米不锈钢 5重安全屏障 压力容器 压力容器 元件 压水4米 沸堆水堆核电站反应堆运行中央控制室 核电的安全性 二代反应堆的安全系数 堆心融化概率:10-5/堆年 放射性物质泄漏概率:10-6/堆年 全球核电运行近2万堆年 两次严重的人为核事故: 1979年美国三里岛核电站熔堆事故(5级) 1986年切尔诺贝利事故(7级) 天然本底辐射与生活中的放射性 陆地上的三个天然放射系 钍系、铀系、锕系 不成系列的天然放射性核素 40K: 成人体内60 Bq/kg, 40 5 我国标准成人:体内 K :4.11 ×10 /min 摄入途径:食物、饮水、呼吸 40 14 87 核素种类: K、 C、 Rb、氡子体 正常情况下,体内各种放射性核素相对稳定: 40K : 2960-4440 Bq 14C: 2849 Bq 3H : 9.25-37 Bq 210Pb : 27.75 Bq 238U : 1.85-3.33 Bq 226Ra : 1.11-1.48 Bq 天然辐射所致的年平均有效剂量 (UNSCEAR 2000 report) 年有效剂量(mSv) 照射成分 普通本底地区 高本底地区 宇宙射线 0.38 2.0 宇生核素 0.01 0.01 地表放射性物质:外照射 0.46 4.3 地表放射性物质:内照射 0.23 0.6 (氡除外) 氡及其子体引起的内照射 Rn-222 的吸收 1.2 10 Rn-220 的吸收 0.07 0.1 Rn-222 的经口摄取 0.005 0.1 共计 2.4 - 生活中的放射性电离辐射的生物效应 分子水平 细胞水平 临床症状 效应 体细胞 功能障碍 细胞死亡 确定性效应 多细胞死亡导致 生殖细胞 不孕 DNA损伤 体细胞 肿瘤 细胞变异 随机性效应 单一细胞变异导致 生殖细胞 遗传效应 电离辐射所致生物效应的分类 依据效应发生的时期 潜伏期(latent period): 从受到照射到临床上特定效应的发生所需的时间 早期效应(early effects ) 受到照射后数周之内发生的效应 晚发效应(Late effects ) 受到照射后数月以后发生的效应 关于早期效应 日本核临界事故 (99.09.30 ) 事故发生时的位置图 O 氏(17Sv): 意识丧失、呕吐、 腹泻、淋巴细胞数为零 S 氏(10Sv) 20分钟后感觉麻木、 呕吐、腹泻 关于晚期效应的潜伏期 白血病之外的肿瘤 白血病 0 2年10年20年30年40年 日本原爆受害者肿瘤发生率随时间的变化 急性放射病 发生剂量阈值:1 Sv 临床特点: 损伤范围广,波及机体所有组织和器官, 表现为复杂的临床症状和体症。 在一定照射剂量范围内,机体有自动恢 复的潜力. 症状与剂量的关系 剂量(Sv) 症状0.1 染色体变化 0.5 末梢血中淋巴细胞减少 1.0 10%的人恶心,呕吐 1.5 死亡阈值 3-5 LD50/60天(造血器官死亡) 7-10 LD100/60天(消化器官死亡 生殖系统的影响 不孕的阈值(Sv): 1次急性照射 慢性照射 一时性不孕 0.15 0.4/年 男性 永久性不孕 3.5-6 2.0/年 1次急性照射 慢性照射 一时性不孕 0.65 –1.5 0.4/年 女性 永久性不孕 2.5-6 2.0/年 确定性效应与随机性效应 随机性效应 确定性效应 几严率重程度剂量 阈值 剂量 人类的放射性癌症 线性无阈的剂量-效应关系 辐射致癌危险系数:5 ×10-2/Sv 日本的能源结构与核能发展 社会发展与能源需求:日用电量图 日本核电站分布图 3月11 日大地震引发的核电事故 2011年3月11 日北京时间13点46分 海域发生9级大地震 东海岸沿岸11座反应堆自动停堆 地震、海啸导致备用应急电源全部失效 冷却水系统全部失灵 进入核应急状态 东京电力福岛第一核电厂事故 压力壳和堆心的 淋浴冷却系统 东京电力福岛第一核电厂事故 12日15:36分 1号堆氢气爆炸 检测到裂变产物,熔堆? 13日确认国内首发熔堆 3号堆注水功能失灵 14日11点3号机组氢气爆炸 2号堆注水功能失灵;确认2号堆熔堆 2,3号堆注入海水 15 日6点:2号堆爆炸,压力控制壳破损? 9点:4号机组厂房爆炸;400mSvh-1 11点:20-30Km居民建筑物内隐避 东京电力福岛第一核电厂事故 16日:乏燃料储放池失水,燃料棒露出 下午:直升飞机试飞 17日:上午:自卫队直升飞机注水30吨 下午:开始地面特殊消防车注水 18日:地面特殊消防车注水, 周边剂量率下降 19日:电源恢复,连续7小时向3号堆乏燃 料池注水; 15点:1-4号堆100度以下 东京电力福岛第一核电厂事故 环境剂量率: 东京地区:比本底高20倍,1微希伏每小时 胃部X片:600微希伏 现场工作人员: 应急时的最大容许剂量 100 250微希伏 时间防护的应用 东京电力福岛第一核电厂事故 核应急的必备环节:青少年稳定碘的服用 目的:保护甲状腺 原理:同位素竞争性吸附 放射性气溶胶降下时如何防护 切断一切摄入体内的途径 近期对我国的影响 我国的核电现状及发展 我国能源形势严峻 能源在可持续发展中的战略地位 我国人均资源占用量远低于世界平均水平 2010年石油需求缺口将在1亿吨左右 预测到2050年,我国将成为世界第一能耗大 国。 发展核电的必要性 能源结构不合理,煤炭占75.6%,14亿吨。 预测:2050年煤年需50亿吨。可经济开采1千多亿吨 北煤南运、铁路运输紧张状况无法解决 我国煤炭资源分布不均,煤运输量占铁路运力40% 煤炭污染严重、环境无法承受 煤炭是一种重要的不可再生的化工原料 水能资源不可能成为主要能源 《京都议定书》可能的限制,形势更为严峻! 我国核电强大的发展势头 “适度发展核电”转变迈向“大力发展核电” 中长期发展计划:2020年核电建成达到 3600万千瓦,能源比例占4%。 今后每年开工建设3-4 个核电机组。 15年投4500亿元发展核电。 全球最先进的第三代反应堆将在我国诞生。 内陆核电发展与AP1000 2006年引进第三代核电技术(AP1000 ), 通过消化、吸收,以及再创新,最终形成 中国自主品牌的三代核电技术。 非能动冷却系统,安全系数提高2个数量级 2008年先后在浙江三门、山东海阳动工。 中国核电将由“世界的”AP1000走向“自 己的”CAP1000 我国核电厂分布图 红沿河核电站 海阳核电站 田湾核电站 秦山核电站 秦山第二核电 站 秦山第三核电 站 三门核电站 宁德核电站 福清核电站 台湾省 大亚湾核电站 岭澳核电站 岭东核电站 台山核电站 商运核电站 阳江核电站 建设中 防城港核电站 国家发改委同意开展前期工作 海南昌江核电站 南海诸岛 浙江三门AP1000 中国实验快堆在建设中 2005年底建成,热功率65兆瓦,电功率20兆瓦