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核电站安全问题对策

核科学家和工程技术人员设计了四道安全屏障
第一道屏障—燃料芯块。核燃料全部装在陶瓷芯块中， 核裂变产生的放射性物质98%以上滞留在陶瓷芯块中， 不至于发生核物质泄漏。 第二道屏障—燃料包壳。约有小指头大的燃料芯块叠装 在锆合金管中，把管子密封起来，组成燃料元件棒。 一般称锆管为燃料元件包壳管，它能够把核燃料裂变 产生的放射性物质密封住，防止其进入第一回路水中。
新型二次电池材料现状与未来
燃料电池材料发展现状与趋势 核能利用中存在的问
题与对策
一、新型二次电池材料
一次电池：充、放电过程不可逆。
二次电池：
充、放电过程是可逆的； 放电时通过化学反应可以产生电能； 充电时通过反向电流将电能以化学能形
式重新储存起来。
新型的二次电池：
铅酸电池和镉镍电池是早已广泛应用的二
德国在HDW基尔船厂将世界上第一艘现代非核潜艇命名为 U31号。新式潜艇在水下巡游数周时间而不必升出水面，而常 规柴电潜艇巡游两天时间就会用尽电能。此外，燃料电池没有 噪音，而且不会放出热量；这些因素有助于潜艇不会被发现。
核能利用中存在问题与对策
迄今为止，世界上的核电站共发生3次核事故：
第一次 1979年，美国宾西法尼亚州三里岛核电站发生核 泄漏，事故等级定为5级，即放射性物质有限泄漏。 第二次 1986年，苏联乌克兰地区切尔诺贝利核电站爆炸， 造成严重污染，事故等级为7级即最高放射性物质泄漏， 造成严重灾难，震惊全世界。 第三次 2011，日本福岛核电站因地震海啸引发的核事故， 使核电站遭受毁灭性打击，事故等级为7级。


核电站有了这四道安全屏障，核电站可以说从科学技 术保障上，能够放心使用，安全为人类造福。
化合物以及其他可燃烧的物质（NH3，H2S等）
作为燃料发电原料。
固体氧化物燃料电池工作原理
在阴极（空气电 极），氧分子得到电子， 被还原成氧离子，即 O2+4e→ 2O2-
氧离子在电池两侧氧 浓度差驱动力的作用下， 通过电解质中的氧空位定 向跃迁，迁移到阳极（燃 料电极）上与燃料进行氧 化反应，即
电动车也正在逐步得到应用。
使用镍氢电池的电动助力车
绿色环保的镍氢电池
1.2 锂离子二次电池（简称锂电池）
（1) 工作电压3.6V与重量能量密度优于常用的镍镉电池
(Ni/Cd)与Ni/MH电池；
（2) 无环保问题(金属含量最低)； （3) 薄形化及形状有高度的可塑性，符合电子产品 轻、薄、短、小的要求。
燃料电池的应用前景
（1)燃料电池发电
以目前容量最大的燃料电池发电厂为例，当使
用天然气为燃料时，不但只排出极其微量的氮化物
及二氧化硫，而且其转换效率可达40％以上。若再
配合热电联供技术，利用所回收的废热，则效率可 超过80％，且发电厂的噪声低于55dB。
（2) 燃料电池用于笔记本电脑
新型燃料电池能使笔记本电脑连续运行40小时，比一般锂电池寿命高10倍。 燃料电池与常规电池不同，无须充电，但需要充氢来保持正常运行。
锂离子电池正极材料性能比较
二、 燃料电池
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能 的化学装置，又称电化学发电器。是继水力发电、热能发电 和原子能发电之后的第四种发电技术，具有以下优点： （1) 用燃料和氧气作为原料，排放出的有害气体SOx， NOx极少；
（2)没有机械传动部件，没有噪声污染。
次电池，但是比能量都很低；另外，铅和镉都是
有毒金属，对环境的污染问题严重。
新型的二次电池性能优良，可循环使用，对 环境的污染较小，避免了上述弊病。
表5
Ni/Cd、Ni/MH、LIB电池的主要性能对比
新型二次电池发展的推动力 ：
天然能源（石油、煤）在不断消耗。 环境保护的呼声愈来愈高。（无毒、无污染） 信息技术的发展要求电池小型化、轻型化、长 的服务时间和工作寿命。 航天领域（如卫星用电）和现代化武器（军事 通信设备）对轻质高能二次电池的需求迫切。
约300公里，最高时速可达155公里。
我国首条氢燃料电池公交示范线，2006年6月开始运行于北京中 关村附近，票价2元。由奔驰公司生产，每辆价值180万美元。
美国通用汽车展示了新型燃料电池车“Hydrogen3”
37届东京车展 丰田燃料电池概念车
(5) 燃料电池在舰艇上的应用

燃料电池用作舰载电池，用多个燃料电池分别 为不同的舰载系统供电，避免一旦集中式供电 系统受损全舰都无法工作。它的特点是标准化、 低噪音、无振动，而且操作简单、易维护，可 以减少舰上人员。
潜艇采用燃料电池AIP（Air Independent Propulsion）系统后，其红外特征很小，向海水 辐射的能量很少；基本不向艇外排放废物；能够 进行超安静运行，这些特性使得潜艇的隐蔽性大 大提高，具有极强的“隐形”作战能力。 AIP重量轻、体积小、功率密度高的优点活条件。AIP系 统对提高潜艇的隐蔽性和作战灵活性具有重要的 军事意义。
（3）燃料电池用于电动汽车

世界各大汽车公司都在加紧研究开发零排放 的绿色能源汽车，这是由于3方面的推动：保 护环境、石油匮缺和尾气排放政策。 1990年，美国清洁空气法首次提出电动汽车概念， 认为燃料电池将最终成为电动汽车的动力源。 2002.12.4 日本首台燃料电池汽车上市。将氢气
填充在车内配置的高压罐内，充满1次即可行驶大

3、人祸引发的核灾难。这个人祸主要指恐怖 袭击，10年前，恐怖分子绑架民航飞机冲击美 国的摩天大楼，造成震惊世界的灾难，如果恐 怖分子不是冲击摩天大楼，而是核电站，造成 的灾难可想而知，，同样会震惊世界。 4、发生常规或核战争。全世界一直没有安宁 过，除了几万颗核弹头分别掌握在有核国家手 中，相互威胁，局部地区常规战争，始终没有 停止过，此起彼伏，核电站如遭到不论事常规 兵器或者核武器袭击，都是致命的，引发核灾 难是无可抗拒的。
核电站灾难可能来自以下四个方面

1、核电站中的核反应堆在运行中发生故障。 故障可能来自于人为错误操作和反应堆装置本 身的质量问题。 2、自然灾害造成的核灾难。地震是人类的宿 敌，强烈的地震对核电站破坏是致命的，再坚 固再抗震的核电站，遭遇8级以上地震，即使 反应堆没有全部破损，其它整体系统局部损坏， 也无法正常运行，例如冷却系统破坏，核反应 堆处于持续高温状态，就会引起核事故。
第三道屏障—压力容器（反应堆冷却剂压力边界）。
由核燃料构成的堆芯密封在壁厚20厘米的钢质压力容 器内，压力容器和整个一回路都是耐高压的，放射性 物质不会漏到反应堆厂房中。 第四道屏障—安全壳。反应堆厂房是一个高大的预应 力钢筋混凝土构筑物，壁厚约1米，内表面加有6毫米 厚的钢衬，有良好的密封性能，能防止放射性进入环 境。一回路设备都安装在这里。安全壳内还设有安全 注水系统、安全壳喷淋系统、消气系统、空气净化系 统和冷却系统等，安全壳能承受极限事故引起的内压 和温度剧增，能承受龙卷风、地震等自然灾害，能承 受外来冲击，如飞机坠落的撞击。
新型二次电池的研究重点：
1）储氢材料及金属氢化物镍电池；
2) 锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池；
3) 聚合物电解质锂离子电池。
1.1 Ni／MH二次电池
产生：
20世纪60年代末，发现储氢合金。
1974年开始储氢合金作为二次电池的 负极材料的研究。 1984年解决了合金冲放电过程中容量 迅速衰减的问题。 1987年试生产。
被人们称为“绿色环保能源”和“跨世纪的能源革命”，
是照相机、手机、笔记本电脑等各种电子器件的理想电源。
(1) 工作原理
充电时：锂离子从 正极中脱嵌，通过 电解质和隔膜，嵌 入到负极中；
放电时：锂离子由 负极中脱嵌，通过 电解质和隔膜， 重 新嵌入到正极中。 正极反应 负极反应 电池反应 LiCoO2→CoO2+Li++e Li++e+C6→LiC6 LiCoO2+C6→CoO2+ LiC6
(c) 反复充放电过程中合金不易粉化； (d) 合金应有良好的电和热的传导性； (e) 原材料成本低廉。
3）结构
圆柱形Ni／MH电池的结构示意
图8
Ni／MH电池典型的温度曲线
4） 发展优势
(a) 能量密度高；
(b) 无镉污染，是绿色电池；
(c) 可以大电流快速充放电； (d) Ni／MH电池的工作电压也是1.2V，与Ni／Cd电池具 有互换性等独特优势。 在小型便携式电子器件中获得了广泛应用，在电动工具、
锂电池的正负极反应是一种
典型的嵌入反应，因此锂电池 又称为摇椅电池，意指电池工 作时锂离子在正负极之间可以 摇来摇去。由于锂离子在正、 负极中有相对固定的空间和位 置，因此电池充放电反应的可 逆性很好，从而保证可电池的 长循环寿命和工作的安全性。
NOKIA手机使用的锂离子电池
(2)锂离子电池材料
1）工作原理
可以看出：
利用氢的吸收和释放的电化学可逆反应；
正电极采用氧化镍物质，负电极采用吸收氢的
合金；
电解质由水溶液组成，其主要成分为氢氧化钾。
KOH电解质不仅起离子迁移电荷作用，而且参
与了电极反应。
2） 电极材料

正极材料—球形Ni(OH)2
正极材料 Ni(OH)2是涂覆式Ni／MH电池正极
a）负极材料 在锂离子电池的发展中，其电池负极材料经历了 由金属锂到锂合金、碳材料、氧化物、纳米合金的 演变过程，见表7-2。
表7-2 锂离子电池电极材料的演变过程
b）正极材料
目前锂离子电池的正极材料以含锂的过渡金属氧化物为主。
现在广泛应用的锂离子电池正极材料为LiCoO2。比较廉价 的电极材料为LiNiO2和LiMn2O4，它们正在被广泛研究并已经 在电池中试用。
2O2- +2H2-4e →2H2O
固体氧化物电池材料
SOFC由阴极（空气电极）材料、阳极（燃料电极） 材料、固体电解质材料 、连接材料四部分组成。
其中，固体电解质材料的要求：
（1) 具有高氧离子电导率和低电子迁移数外；
（2) 在高温以及氧化、还原气氛中的稳定性； （3) 与电极材料的化学相容性和热膨胀匹配性； （4) 足够的机械强度，稳定的形状、尺寸，适中的价格等
（3) 从保护环境的角度看，燃料电池是最有发展前途的 发电技术。
固体氧化物燃料电池研究及进展
固体氧化物燃料电池（SOFC）被认为是 最有效率的和万能的发电系统，特别是作为分 散的电站，SOFC可用于发电、热电联供、交 通等许多领域。
固体氧化物燃料电池（SOFC) 固体氧化物燃料电池被认为是最有效率的和万 能的发电系统, 除具有一般燃料电池的优点外，
使用的活性物质。
电极充电时Ni(OH)2转变成NiOOH，Ni2+被氧化成Ni3+
放电时NiOOH逆变成Ni(OH)2， Ni3+还原成Ni2+ 。

负极材料－储氢合金(MH)
用于Ni／MH电池负极材料的储氢合金应满足下述条件： (a) 电化学储氢容量高；
(b) 在热碱电解质溶液中合金组分的化学性质相对稳定；
还有以下突出优点：
（1）具有一般燃料电池高效与环境友好的优点；
（2）全固体的电池结构，避免了因使用液态电解
质所带来的腐蚀和电解液流失问题。
（3）在高温下工作，电极反应迅速，无需采用贵
金属电极和催化剂，成本大大降低；
（4）排出的高温热气能充分利用，实现热电联供，
能量综合利用效率可达70%以上
（5）燃料适用范围广，可用H2，CO，CH4，碳氢