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邁向永續能源的核能技術發展 NUCLEAR POWER DEVELOPMENT TOWARD A SUSTAINABLE ENERGY SOURCE

邁向永續能源的核能技術發展 NUCLEAR POWER DEVELOPMENT TOWARD A SUSTAINABLE ENERGY SOURCE. Chin Pan Department of Engineering and System Science National Tsing Hua University Hsinchu, Taiwan, ROC Presented at College of Engineering National Cheng Kung University Apirl 8, 2013. OULLINE. Introduction

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邁向永續能源的核能技術發展 NUCLEAR POWER DEVELOPMENT TOWARD A SUSTAINABLE ENERGY SOURCE

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Presentation Transcript

  1. 邁向永續能源的核能技術發展NUCLEAR POWER DEVELOPMENT TOWARD A SUSTAINABLE ENERGY SOURCE Chin Pan Department of Engineering and System Science National Tsing Hua University Hsinchu, Taiwan, ROC Presented at College of Engineering National Cheng Kung University Apirl 8, 2013

  2. OULLINE • Introduction • Nuclear Power in the World • Principles of Nuclear Power • Nuclear Power Systems • Fourth Generation Nuclear Power Plants– Development of Nuclear Power toward a Sustainable Energy Source • Conclusions

  3. Background • Concentration of CO2 has been increased by 16% over the past half century mainly due to the burning of fossil fuels From: Fuel Cells, Green Power, U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy From:F.S. Hsu, 2005, “The Energy Problem at a Glance”

  4. Global Warming and Climate Change? From: Fuel Cells, Green Power, U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy

  5. Countermeasures: Renewables and Nuclear Energy

  6. Renewables and Nuclear Power Produce Much Less CO2

  7. From: Mujid S. Kazimi, “Nuclear Power Innovations For Enhanced Economy and Safety”, Presented at NTHU, Dec, 8, 2004

  8. NEA 藍地圖(BLUE-MAP)情境 • 2050 之CO2排放量(57Gt)減至2005排放量之一半(14Gt) • CCS:20%; renewables:16%; Nuclear Power: 6%; power generation efficiency and fuel switching:5%; end use fuel switching:15%; end-use fuel and electricity efficiency:38% • 核能從現在之370 GWe (14%) 增加到 2050之1250 GWe(24%) , 約為現在之300%. • 2020年代每年建20部1500 GWe機組增加到2040年代每年建20-30部機組

  9. Nuclear Power in the world 歐洲 187部機組在運行中(163 GWe) 17部新機組在建 (15.1 GWe) 加拿大 18部機組運行中(12.6 GW) 南韓 23部機組運行中(20.7 GWe) 3部機組在建中 (3.6 GWe) 2035核能佔比→60% 中國 16部機組運行中(11.8GWe) 26部機組在建中(26.6 GWe) 2020→70-80 GWe 日本 50部機組停機中(44.2 GW) 2部機組在建中 (2.65 GW) 美國 104部機組運轉中(101.5GW) 1部新機組在建 印度 20部機組運行中(4.4 GWe) 7部機組在建中 (4.8 GWe) 2030核能佔比→>25% 全球 436部機組運行中 (370.5 GWe) 62部機組在建中 (59.2 GWe) IAEA預測到2030年 全球至少增加90部機組 至多增加300餘部機組 9 資料來源：IAEA PRIS 2012年5月9日

  10. Nuclear Power in the World • 436 nuclear power units in operation • With total installation capacity of about 370.5 GWe • Provide about 15% of electricity • 62units under construction and much more under planning From: IAEA PRIS 2012/05/09

  11. Nuclear Power Policy and Development in China • 16 units in operation ( 11.8 GWe) providing 1.8% electricity • 26 units under construction(26.6 GWe) • Policy (2006): from adequate to aggressive development • Nuclear power installation reaching 40-80 GWe in 2020 (about 40 -80 units) • 200 GWe in 2050, possibly a largest nuclear power country, providing 12.5% of electricity • Complete design of third generation PWR by 2006(?) • Aggressive sodium-cooled FBR program: 25 MWe CEFR by 2008; 600MWe by 2020; 1000~1500 MWe by 2030 ~ 2035 • 10 MW High Temperature Gas Cooled Reactor and nuclear hydrogen at Tsing Hua University, Beijing

  12. 背景說明-大陸之核能機組興建規劃 海陽核電站 田灣核電站 秦山核電站 ● 吉林核電項目 秦山二期電站 根據11五計畫，2020年將有40 GW在運，18 GW在建。 今年出版的12五計畫，可能 提高為70 GW，甚至80 GW 秦山三期電站 ● 遼寧紅沿河核電站 三門核電站 山東榮成 ● ● 江蘇連雲港 福清核電站 福建莆田 安徽蕪湖 ● 湖北咸寧 四川南充 ● 大亞灣核電站 ● 湖南常德 ● 嶺澳核電站 福建寧德核電站 ● 15部機組運轉 嶺東核電站 廣東三江流域 ● ● 廣東陸豐 ● 27部機組在建/ ● ● 廣西防城港 ★ ● ● ★ ● ● ● 大亞灣核電站 嶺澳核電站一期 陽江核電站 >100部機組規劃興建 台山 核電站 ● 嶺澳核電站二期 海南昌江核電站 海南 南海諸島 2010年上網： 嶺澳-3 20100715 秦山二期-3 20100801 至少有47個廠址 吉林靖宇 遼寧徐大堡 河北滑石山 山東紅石頂 甘肅烏金峽 河南南陽 重慶 安徽吉陽 浙江龍游 浙江擴塘山 江西澎澤 湖南桃花江 湖南小墨山 福建三明 廣西白龍 廣西平南 廣東汕尾 珠江荷包島 施建樑製作

  13. 背景說明-大陸之核能機組興建規劃(續) • 策略: 壓水式反應器快滋生反應器核融合 • 最近宣布完成用過核子燃料再處理 • 快滋生實驗反應器最近達到臨界 • 2020: 運行及在建中的機組100 GWe • 2030: 運行及在建中的機組200 GWe • 2050: 運行及在建中的機組400 GWe

  14. Nuclear Power Policy and Development in Taiwan • 6 units in operation (4 BWRs + 2 PWRs) • Providing about 20% of electricity (8% of energy) • 2 units (4th nuclear power plant) under construction • The four existing sites may accommodate 11-12 more units

  15. Principles of Nuclear Power核能發電原理

  16. Atomic and Nuclear Structure For 92U235: 92 protons & 143 neutrons Size of the nucleus: 10-15 m From：R.L. Murray, Nuclear Energy-An Introduction to the Concepts, Systems and Applications of Nuclear Process, 2nd Ed., Pergamon Press, 1980

  17. Binding Energy per Nucleon as a Function of Atomic Mass Number For example: the binding energy per unit nucleon for 92U235 can be calculated as: (92×1.00728 +143×1.00867- 235.0439)amu ×931Mev/amu÷235=7.39 Mev From: J. R. Lamarsh, Introduction to Nuclear Engineering

  18. 中子 14.1MeV 氚 氘 氦-4 3.5MeV 融合反應 From: C. K. Shih

  19. 分裂碎片 U-236分裂 U-236分裂 U-236分裂 中子 中子 U-235 中子 加碼射線 中子 分裂碎片 分裂反應 千萬分之一秒內 From: C. K. Shih

  20. 2×1.00867 96.9212 1.00867 136.9061 235.0439 Example of Fission Reaction of U-235 mass defect

  21. E = M C2 • Energy corresponding to 1 amu • Energy corresponding to the mass defect of a fission reaction • of U-235 =0.20793 amu × 931 Mev/amu =200 Mev The energy released by fission reactions is six order of common chemical reactions such as combustion of fossil fuels Photograph from www.xtec.es

  22. Chain Reaction

  23. 合計 100% 分裂反應能量分佈 分裂碎片動能 新生中子動能 加馬射線 80.5% 2.5% 2.5% 瞬時能量 0.02% 3.0% 5.0% 3.0% 3.5% 延遲能量 延遲中子動能 貝他衰變 微中子 加馬衰變 中子捕獲反應之衰變 From: C. K. Shih

  24. 一個核能電廠經過一年連續運轉之後停機，其殘餘熱─運轉功率比率與停機時間的關係一個核能電廠經過一年連續運轉之後停機，其殘餘熱─運轉功率比率與停機時間的關係 這些殘餘熱必須有適當的機制移除，否則仍然會導致燃料的破損甚或熔融，並使放射性的分裂產物，尤其是氣體或容易揮發的核種如碘-131、 銫-137釋放出來。

  25. Fuel Consumed Every Day for a 3000MWt Power Plant

  26. Annual Fuel Transportations Needed for the 4th Nuclear Power Plant in Taiwan (1300 MWe × 2) Nuclear 81 tons Oil 4,340,000 tons Coal 6,510,000 tons Natural gas 2,600,000 tons 1.78 × 1010 kW-h From: Taiwan Power Company

  27. Conversion and Breeding • Conversion of 92U238 into 94Pu239 • Conversion of 90Th232 into 92U233 Isotope Abundance(%) U234 0.0057 U235 0.72 U238 99.27

  28. 核燃料轉換與滋生 記得每一次分裂會釋放出二至三個中子，除了維持臨界連鎖反應，需要一個中子外，多餘的中子可以因為離開系統或被雜質吸收，也可以參與下面的核反應，進行元素轉換，獲得新的核燃料。若產生的燃料量多於消耗掉的，便稱為滋生。 232Th (n,g) 233Th  (b-)233Pa  (b-)233U. 238U (n,g) 239U  (b-)239Np  (b-)239Pu. From: C. K. Shih

  29. 全球鈾資源的估計 資料來源：Nuclear Energy Outlook, OEC Nuclear Energy Agency, 2008

  30. Fuel Pellets, Fuel Rods, Fuel Assembly and Reactor From: Nuclear Power in an Age of Uncertainty From: J. R. Lamarsh, Introduction to Nuclear Engineering

  31. From: C. K. Shih

  32. Schematic of a Boiling Water Reactor From: Nuclear Power in an Age of Uncertainty

  33. Defense in Depth Nuclear Safety Good design, construction And operation with care Protection and safety systems Additional Safety system for Accident mitigation

  34. Emergency Core Cooling Systems in a Mark-III containment with BWR-6 The core melt frequency for present nuclear power plants is in the order of 10-5/yr From: R. T. Lahey & F. J. Moody, The Thermal Hydraulics of Boiling Water Nuclear Reactor

  35. Multiple Barriers for Radiation Reinforced concrete containment Steel Containment Reactor vessel cladding Fuel pellet

  36. 施純寬教授提供

  37. 福島核電廠事故的分析 二次圍阻體： 1、3和4號機因氫氣的爆炸而毀損，導致輻射的外洩。 2號機輕微毀損 用過燃料池： 1、2和3號機，地震發生時自動停機;冷卻能力喪失，導致部份爐心曝露，護套之鋯與高溫水蒸汽反應產生氫氣；部份燃料毀損或熔毀；曾灌海水，現改為淡水。 一次圍阻體:MARK-I；1號機完整，2號機疑似損毀，3號機疑似無損毀。 抑壓池 (2號機因氫氣爆炸或水錘現象而可能損毀) 緊急柴油發電機因海嘯而失效 外部電源因地震而喪失

  38. 我國核能電廠防震設計基準 註：依據「交通部中央氣象局地震震度分級表」，震度分級最高為7級，地表加速度大於0.4g。 資料來源:台灣電力公司

  39. 我國核能電廠海嘯設計高程設計基準 資料來源:台灣電力公司

  40. 我國核能電廠備用電源 核能電廠安全種體檢後台電又增加移動式電源 資料來源:台灣電力公司

  41. 我國核能電廠後備冷卻水源 各電廠在山坡上建置容量高達4~10萬噸生水池，提供必要的後備緊要水源，在緊急時可作為爐心灌水冷卻之用。 資料來源:台灣電力公司 註：生水池耐震設計也將補強。 41

  42. 核電廠斷然處置措施 • 日本福島核電廠肇因於天然災害超出設計基準，造成嚴重核子事故。台電公司各核電廠依據現行耐震與防海嘯的設計基準，遵循原有的緊急操作程序書與嚴重核子事故處理指引，可處理設計基準地震與海嘯的衝擊，確保機組安全停機。惟發生超出設計基準的複合式災變時，現行程序書無法完全涵蓋，因此，必須配合廠內、外資源與深度防禦的精進改善，擬定「機組斷然處置程序指引」；當電廠遭遇地震、海嘯等超出設計基準事故之複合式災變，喪失緊急海水(ECW)及所有廠外(內)交流電源情況下，作為決策與操作的依據，採取機組斷然處置，保障民眾健康與安全。 • 台電公司從日本福島核子事故的經驗中，學到了當電廠遭遇超出設計基準的複合式天災時，機組狀況參數已不可靠，且複合式災害處理上有時間的急迫性，EOP或SAMP迴圈式的參數判斷與處理流程，不及應付事故惡化程度，此時最重要是在最短時間內，將有限的人力、資源快速投入Line-up水源（廠內生水、廠外溪水或海水）、執行反應爐緊急洩壓及做好圍阻體排氣工作之準備，就是台電公司所擬訂的「機組斷然處置程序指引」。 資料來源:台灣電力公司

  43. 核電廠斷然處置措施 • 目的： • 確保反應爐與用過燃料池燃料受水淹蓋 • 避免放射性物質外釋及大規模的民眾疏散 • 保障民眾生命財產安全 • 起動時機 ： • 當下列三項條件其中之任一項條件成立時，即由當值值班經理/值班主任依據機組斷然處置程序指引（各廠程序書編號1451）進行執行緊急應變處理行動之操作： • 條件一：喪失反應爐補水能力無法維持反應爐中核燃料覆蓋水位。 • 條件二：機組喪失廠內外交流電源。 • 條件三：機組強震急停，且同時中央氣象局發布海嘯警報。 資料來源:台灣電力公司

  44. 啟動程序之條件 喪失所有交流電源 廠區全黑 強震急停， 海嘯警報發布 喪失反應爐補水能力 無法維持反應爐中 核燃料覆蓋水位 或 注水前之先備程序 啟動斷然處置 預備動作 同時 目的：不能讓核燃料熔損，輻射外洩，避免大規模民眾疏散 準備並進行 反應爐降壓 準備並進行 圍阻體連通大氣環境 備妥注水水源 海嘯退後 海嘯警報發布 注水流徑-2 生水池重力注水 注水流徑-3 消防車注水 避免爐內高壓力造成水無法注入 避免氫爆 注水流徑-1廠用水系統 注水決策 廠長向緊執會主任委員(主管核能發電副總) 報告，經同意後，電廠據以執行。若通訊中斷時，授權廠長決行，無法通報廠長時，則授權當值值班經理決行。 注水決策 注水行動 維持反應爐中核燃料覆蓋 使命必達 機組斷然處置措施(各廠已建立程序書並完成演練) 資料來源:台灣電力公司

  45. 核電廠現況 a: 2009年完成功率提升(MUR) 1-2% ; 規劃再次提升( SPR ,3%); b: 預定穩定商轉日期

  46. 用過核子燃料的產生與管理 • Chinshan, Kuoshang and Maanshan produce about 40, 50 and 45 MTU annually. • Interim dry storage for Chinshan has been under construction by a domestic team • Atomic Energy Council has approved “the final disposal of spent fuel plan” submitted by Taipower company in July 2007. • According to this plan, the final disposal site will start operation in 2055. Moreover, Taipower should review and revise the plan every four years to assure the plan meeting the domestic needs and international trends.

  47. Abnormal events and Scrams Decreased exponentially Total No. of Abnormal Events Maanshan power plant Kaosheng power plant Chinshen power plant Total NO. of Scram Data provided by TPC

  48. Capacity factor increased and cost reduced significantly Data provided by TPC NT$/kW-Hr (1 US$ = 33 NT$) From: NEI, 2009.08 Taiwan

  49. Volume of low-level solid radioactive waste reduced exponentially using domestic technology Using the technology developed by INER, the number of barrels of solid low-level waste has been reduced exponentially. Data provided by TPC 1977 1980 1990 2000 2008

  50. 我國核能發展之觀察與建議 • 台灣需要核電以提昇能源安全，並達到二氧化碳減量目標。 • 國內現有六個機組運轉績效極佳，名列全球前矛。現有的四個廠址可再增建11-12部機組。 • 核能界宜努力讓龍門核電廠如質儘早完工商轉。 • 核後端相關議題成為影響核電擴增的前端議題，民眾對核廢疑慮大。低放處置場宜儘早定案，用過核子燃料宜視為國內自有的寶貴能源。

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