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核电站抗震设计,成本不菲!

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-06-17  来源:嘿嘿能源heypower  浏览次数:9
核心提示:(来源:微信公众平台嘿嘿能源heypower)对于美国来说,核电站不仅是最大的无碳电力源,还可以全年无休、昼
(来源:微信公众平台“ 嘿嘿能源heypower”) 

对于美国来说,核电站不仅是最大的无碳电力源,还可以全年无休、昼夜24小时运行,补充风能和太阳能等间歇性可再生能源产生的缺口。此外,有研究表明,核能是最安全的能源形式之一,特别是考虑到工业事故和化石燃料排放造成的疾病等因素,核能的优势更加凸出。
综上所述,核能有可能在世界能源未来发挥着举足轻重的作用。然而,在核能实现这一潜力之前,研究人员和工业界还必须克服一个巨大的挑战:成本。

1、非标准化成本
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爱达荷国家实验室(INL)团队正与美国各地专家合作,努力解决核电厂基础设施建设方面的一个重要部分:抗震力。

       目前,INL设施风险小组主要采取的是多管齐下的方法,包括减少混凝土、钢筋和其他基础设施数量,进而提高先进堆抗震安全性,同时也大幅降低投入成本。
       这一方法是INL、工业界、美国能源部(DOE)高级研究计划署—能源(ARPA-E)和纽约州立大学-布法罗(SUNY Buffalo)之间合作的一部分。
       对于20世纪70年代或更早建造的反应堆来说,参与方包括大量的公用事业公司、反应堆设计公司和各种核电供应商,造成美国核电站在设计上存在很大的差异。
       几乎可以说,美国的每个新核电站都是定制的,因此可能会造成高昂的建造失误成本,在设计上也很难进行变更。此外,缺乏标准化建设方案,增加了监管时间和费用成本。
       最近有两个西屋AP1000堆型的核电项目就出现了类似问题,充分证明了美国核工业的现状。
       2017年,南卡罗来纳州的V. C. Summer核电站,由于成本失控,超支达980亿美元被迫停工。
       佐治亚州的沃格特尔发电厂(Vogtle Electric Generating Plant)因增加两个反应堆,成本从最初的140亿美元增加到250多亿美元。
 
2、电厂设计的抗震考虑
 
       SUNY Buffalo土木、结构和环境工程系教授安德鲁·惠塔克(Andrew Whittaker)说:“核能很可能会出现一夜间成本高出四到五倍的情况。因此,在电厂设计建设阶段,我们多数工作都集中在如何提供足够的安全性和降低成本方面,如何从新建核电站中缩减每一分钱,这种情况在其他行业也同样存在。”
       为了实现规模经济,电力建设单位和核工程师通常会在每个发电厂建设多个大型反应堆。
       对于轻水堆来说,这同时意味着需要建设大量的基础设施,耗费大量的钢筋、混凝土和钢材。整体来说,在电厂设计中,不仅要考虑电站运行所需的高压环境,还要考虑到发生大地震或其他自然灾害时保护反应堆。
       在一些电厂建设中,为确保地震稳定性,首先要清除和更换现场的所有土壤。
       然后,用许多吨钢筋混凝土建成地基、冷却塔和其他基础设施,这些基础设施都是混凝土和钢筋复合材料。目前来看,这种有些过度建设核电设施以降低地震风险的策略效果良好。
       世界核协会(World Nuclear Association)估计,世界上有20%的核反应堆在地震活动严重的地区运行,然而地震直接造成的核反应堆损坏却很少。
       以福岛第一核电站的情况为例:日本东北9.0级大地震引发了40英尺高的海啸,破坏了核电站的冷却系统,导致了事故的发生。
       据WNA称,“当时该地区4座核电站的11座反应堆正在运行,地震发生时,所有反应堆都自动关闭。随后的检查显示,地震没有造成任何重大损失。事实证明,(福岛第一核电站)反应堆在地震中很坚固,但在海啸中很脆弱。”
       尽管如此,我们目前为地震安全设计核电站的方式,往往使新的反应堆建设成本过高,特别是在美国。
 
3、用于抗震设计的高昂成本
 
       “对于美国和西欧的核反应堆来说,资本成本如此之高,以至于很少有公用事业能够负担得起建设费用,”加利福尼亚大学核工程副教授雷切尔·斯莱博(Rachel Slaybaugh)说。斯莱博最近开始领导ARPA-E计划,也是拜登总统团队的成员。
       斯莱博补充说,“现在,如果你建造一个新的反应堆,成本是50%的场地准备和混凝土,部分原因是抗震减灾。”
       根据设施风险小组负责人Chandu Bolisetti的说法,降低这些成本是INL关注的一个重要方面。如果不考虑地震安全基础设施,这一切都不可能发生。
      “最近,人们发现核工业的许多经济问题,都是由于结构和建筑工程造成的。大部分成本来自围绕堆芯建造的相关结构,而不是堆芯本身,而地震危险是如何设计这些结构的驱动因素之一。”
       通过先进堆的设计创新和标准化(主要在燃料和冷却剂方面)降低成本,有助于缓解目前的成本困境。例如,大多数先进堆设计依赖于自然循环系统,而不是泵来实现冷却剂循环和事故安全系统。
       这些非能动安全特性不仅减少了基础设施的数量,而且消除了电泵、阀门和多余的管道,还使反应堆发生事故时人员能够安全撤离。
       此外,大多数快堆设计在接近大气压的条件下运行,因此它们不需要昂贵的安全壳圆顶以及所有相关的混凝土和钢筋。
       此外,一些先进的反应堆可以设计成在工厂里建造,然后运到建筑工地,而不是定制建造。标准化反应堆设计方式有可能大大减少设计错误和建设缺陷。
       一旦反应堆设计得到证实和批准,重复建造同一个反应堆将减少监管费用,并将监管审查时间缩短数年。
       但Bolisetti指出了一个主要障碍。
       “现在,在加州建造一个电厂,并获得许可证,在纽约建造同样一个,看上去没什么问题,但仔细想想就不对劲。地震灾害是标准化的一大障碍。你怎么能在任何地方使用同样的设备,同时又能够保证安全呢?”
 
4、隔震设计
 
       Bolisetti和设施风险小组研究了其他行业,特别是地震多发地区的行业,并将这些技术与最先进的建模和分析相结合,提出了应对地震挑战的不同方法。
 
       其中一个解决方案——隔震。它利用了一种已成功应用于保护各种基础设施项目的技术——应用于从学校到海上钻井平台再到桥梁。
 
       美国利用隔震技术建造的建筑物包括旧金山市政大厅、盐湖城的犹他国家首都大厦和加利福尼亚丘珀蒂诺的苹果总部。
 
       地震隔离装置基本上是位于建筑物和地基之间的减震器。有许多不同类型的地震隔离器,但一个共同的设计是由交替层橡胶和钢铅芯。
 
       根据建筑以及场地的抗震特性,工程师可以在任何给定的建筑下放置数十甚至数百个隔震器。当地震袭击核电站时,地震隔离器吸收地震的能量,大部分能量将被消散,这种设计以肉眼可见的程度大大降低震动水平。
 
       斯莱博认为,地震隔离器是核反应堆标准化的一项重要且相对廉价的技术。
 
       “有了隔离器,就可以摆脱针对特定地点的工作了。”她说,“你不是在定制建筑或反应堆,只是制定每个电厂的抗震措施。”
 
5、地震分析与风险评估

       另一种降低核电设施成本的方法是仔细评估某一地点的地震风险,然后针对性建造核设施。
       工程师们现在依靠概率地震危险性分析和地震概率风险评估方法来量化潜在地震的强度和核设施受损的风险设施,分别设计和维护核电设施,使其能够承受给定位置预期的最大地震。但现有的方法意味着工程师们经常为地震过度设计结构。
       例如,根据WNA数据,法国的核电设施设计成能够承受两倍于为每个核电站计算的1000年一遇的地震。在某些地点,这可能是一个适当的地震安全水平,但在其他地点,这显然有些过了。
       地震荷载的预测具有极大的挑战性,且存在一定的不确定性。
       Bolisetti说:“我们目前过度设计是因为我们倾向于非常保守,在计算地震荷载时使用较大的安全系数。我们正在努力提高地震荷载预测的准确性,因此工程师不必使用如此大的安全系数。”
       在INL,Bolisetti和他的同事们正在使用强大的建模和仿真工具,以更好地了解核电站和大坝等不同类型的安全关键设施的地震风险。
       Bolisetti的团队正在使用多物理场仿真模块面向对象仿真环境(MOOSE),这是INL开发的一个框架,允许研究人员通过插入正确的物理方程来构建自己的仿真应用程序。
       尽管INL的计算机科学家最初设计MOOSE来模拟核燃料在反应堆中的运行,但这个开源软件足够灵活,可以模拟许多物理问题,包括地震分析。
       MOOSE应用程序——MASTODON(随机时域现象的多风险分析)专门设计用于在3D中模拟地震和洪水等自然灾害和人为灾害对核反应堆等构筑物造成的风险。
       这种建模和仿真技术可以用来回答复杂的问题:在地震期间,当“液体”震动时,在一些先进反应堆中发现的熔盐/燃料混合物会如何反应?熔盐混合物如何响应地震隔离器阻尼的地震运动?
       另一些问题涉及先进堆的设计,思路是把反应堆埋在地下。
       “我们知道,当把物体嵌入地里,物体承受的地震荷载会较小,”Bolisetti说,“但我们不知道有多少,因此用模拟工具来预测深埋结构的地震载荷。”

他补充道:“如果你使用更精确的工具来证明一个设施有很好的安全裕度,你就不必花费1亿美元来加固那些不需要加固的东西。”



 
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