核能概况介绍

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核能情况说明书图解图标

核电站通过受控的核裂变链式反应(即原子分裂)来加热水并产生蒸汽来驱动涡轮机来发电。核能通常被贴上“清洁”能源的标签,因为发电厂不会释放温室气体或其他空气排放。在美国和其他国家寻找低排放能源的过程中,核能的好处必须与运营风险以及储存乏核燃料和放射性废料的挑战进行权衡。

核能利用与潜力

  • 核能提供了美国约19%的电力,这一比例自1990年以来一直保持稳定。2021年,核电站的容量系数为92.7%。1
  • 美国第一座核电站于1958年开始商业运行。2在20世纪70年代,有50多个核反应堆投入使用。1目前,美国28个州至少拥有一座核电站,32个州拥有两座或更多反应堆。2
  • 自1954年在俄罗斯奥布宁斯克建造第一座反应堆以来,全球共建造了667座反应堆,但目前只有440座在运行,其中93座在美国3、4截至2022年5月,有55座反应堆在建,其中2座在美国,18座在中国。4
  • 2020年,美国的核电发电量占全球的近三分之一。核能发电量排在第二的国家是法国、中国和俄罗斯。5
  • 均衡能源成本(LCOE)包括建造、运行、维护和为发电厂提供燃料的全寿命成本。预计近期建成的电厂LCOE为:联合循环天然气:3.99美分/kWh;先进核电:8.17美分/千瓦时;生物量:9.02①/kWh。6
  • 在不久的将来建造的新核电站的估计LCOE比太阳能、风能和联合循环天然气发电厂的估计高两倍左右。6
  • 美国核电站的最终建设成本通常是最初估计的2到3倍。7

美国发电来源1
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美国发电来源

核燃料

  • 大多数核反应堆使用“浓缩铀”,这意味着燃料含有更高浓度的铀-235 (U-235)同位素,这种同位素更容易分裂以产生能量。当它被开采时,铀矿石中U-235的平均含量不到1%。8
  • 美国最高品位的矿石平均含铀不到1%,加拿大的一些矿石含铀超过15%。9、10
  • 美国以合理的价格开采了1%的铀。最大的铀矿分布在澳大利亚(28%)、哈萨克斯坦(15%)、加拿大(9%)和俄罗斯(8%)。10美国核电站在2021年购买了21183吨铀。燃料主要从哈萨克斯坦(35%)、加拿大(15%)、俄罗斯(14%)和澳大利亚(14%)进口。11
  • 2022年,全球核动力反应堆需要62496万吨铀。4

铀-235在核反应堆中的裂变
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铀-235在核反应堆中的裂变

已探明的最大铀资源10
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已探明的最大铀资源

能源与环境影响

核燃料循环是指生产、使用和处理铀燃料的整个过程。为一座10亿瓦的核电站供电一年需要开采2 -40万吨矿石,将其加工成2760万吨铀燃料,并处理2760万吨高放射性乏燃料,其中90%(按体积计算)是低水平废物,7%是中水平废物,3%是高水平废物。12、13美国工厂目前使用的是“一次性”燃料循环,没有后处理。14、15

  • 铀燃料球团(约1/2英寸)。高和直径)所含的能量相当于一吨煤或149加仑石油。16典型的反应堆可以容纳1800万个颗粒。17
  • 每千瓦时的核电需要0.1-0.3千瓦时的生命周期能量输入。18
  • 虽然核能发电本身不产生温室气体排放,但其他燃料循环活动确实会排放温室气体。19
  • 核电的生命周期温室气体强度估计为34-60 gCO2e/千瓦时-远低于基本负荷来源,例如煤(1 001 gCO2e /千瓦时)。19,20
  • 根据运行效率和场地条件,核电站每兆瓦时消耗270-670加仑的水。21
  • 铀的提取主要采用露天开采(16.1%)、地下开采(20%)和原地浸出(57.4%)。10
  • 对于PWRs和BWRs,大多数环境影响是由燃料元素的提取和生产引起的。23

铀燃料循环12
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铀燃料循环

核电生命周期温室气体排放22
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核电生命周期温室气体排放

核废料

  • 美国每年积累约2000吨乏燃料。24
  • 在反应堆运行过程中,裂变产物和吸收中子的超铀物质会累积,每12-18个月就需要更换三分之一的燃料。废燃料是95%的非裂变U-238, 3%的裂变产物,1%的裂变U-235和1%的钚。12
  • 乏燃料被放置在循环冷却水的储存池中,以吸收热量并阻挡裂变产物的高放射性。25
  • 除了美国,很多国家都对使用过的核燃料进行再处理。这一过程减少了浪费,比未经再加工的燃料多提取25-30%的能量。15
  • 美国许多乏燃料池已接近饱和,需要使用干桶储存。干桶,大型混凝土和不锈钢容器,被设计用来被动冷却放射性废物,并承受自然灾害或重大影响。2011年,27%的乏燃料在储存池中充分冷却后被储存在干桶中。26
  • 使用十年后,乏燃料组件的表面会释放10,000雷姆/小时的辐射(相比之下,如果一次性接受500雷姆的剂量,对人体是致命的)。14管理核废料需要非常长期的规划。美国环保署被要求在100万年的史无前例的时间范围内设定永久性废物储存设施的辐射暴露限制。27
  • 美国没有永久的储存地点。内华达州的雅卡山(Yucca Mountain)原计划容纳7万吨废物,但由于政治压力和内华达州人的反对,这一计划已不在考虑范围内。28、29
  • 《核废料政策法案》要求美国联邦政府从1998年开始控制使用过的核燃料。当这种情况没有发生时,政府开始承担与反应堆储存有关的费用。30.

用过的商业核燃料,公吨37
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用过的商业核燃料,公吨

安全及公共政策

  • 1986年,乌克兰切尔诺贝利核电站发生了一系列爆炸。反应堆的碎片被喷射到高空大气中。反应堆中水分的流失使得燃料加热到堆芯熔毁的程度。134名工作人员和应急人员被诊断出患有急性辐射综合征,28人在几周内死亡。31
  • 白俄罗斯、乌克兰和俄罗斯的辐射量最高,欧洲其他地区的辐射量较低。大约35万人被疏散和/或永久beplay官网苹果手机下载安置,并建立了1000平方英里的切尔诺贝利禁区,限制公众进入。长期癌症和死亡人数未知,大多数死亡人数估计在数千人以下。31
  • 2011年3月11日,日本福岛附近发生9.0级地震。随之而来的海啸破坏了反应堆冷却系统,导致3次熔毁和氢气爆炸。这次事故没有直接导致死亡或辐射疾病。32
  • 辐射释放量比切尔诺贝利低,大部分沉积在太平洋。大约15万人被疏散。beplay官网苹果手机下载长期的癌症和死亡人数是未知的,大多数死亡人数估计在数百到非常低的数千人之间。32
  • 美国《普莱斯-安德森法案》规定,如果发生放射性泄漏,核电站所有者的赔偿责任为单个核电站4.5亿美元,所有核电站135亿美元。33
  • 对新建核电站的激励措施包括针对监管延误的保险、1.8美分/千瓦时的生产税收抵免以及109亿美元的联邦贷款担保。34、35
  • 两党基础设施协议为民用核信贷项目拨款60亿美元,以防止现有核电站过早退役。36

自然和人为的辐射暴露38
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自然和人为的辐射暴露

引用作为

可持续系统中心,密歇根大学,2021。“核能概况介绍。”酒吧。不。CSS11-15。

  1. 美国能源信息管理局(EIA)(2021年)每月能源评论2021年5月。
  2. 美国环境影响评估(2021):“核解释:美国核工业。”
  3. 碳简报(2016)“地图:世界上的核电站。”
  4. 世界核协会(WNA)(2021年)《世界核电反应堆和铀要求》。
  5. 美国EIA(2021)国际能源统计。
  6. 美国EIA(2022)“2022年年度能源展望中新一代资源的成本水平化和避免成本水平化”。
  7. ash- gates, P., et al. (2020)“核电站建设成本超支的根源呼唤一种新的工程设计方法。”焦耳,4:2348-2373
  8. 美国核管制委员会(2020)“铀浓缩。”
  9. 美国核能机构(NEA)和国际原子能机构(IAEA)(2012)铀2011:资源、生产和需求。
  10. 美国NEA和IAEA(2020) 2020年铀:资源、生产和需求。
  11. 美国EIA(2022) 2021年铀营销年度报告。
  12. WNA(2021)“核燃料循环概述”。
  13. WNA(2021)“放射性废物管理。”
  14. 美国NRC(2019)“放射性废物背景资料。”
  15. WNA(2020)“乏燃料的处理”。
  16. 核能研究所(NEI)(2020)“核燃料”。
  17. WNA(2022)“核能反应堆。”
  18. Lenzen, M.(2008)“核能的生命周期能源和温室气体排放:综述”。机械工程学报,34(3):344 - 344。
  19. Norgate, T.等人(2014)“铀矿石品位对核电温室气体足迹的影响。”清洁生产杂志,84:360-367。
  20. Whitaker, M.等(2012)“燃煤发电生命周期温室气体排放”。工业生态学报,16:553 - 572。
  21. Macknick, J.等(2011)发电技术运行用水量和提取因素综述。美国能源部,国家可再生能源实验室。
  22. Sovacool, B.(2008)“评估核能的温室气体排放:一项关键调查。”能源政策,36:2940-2953。
  23. Gibon, T., et al. (2017)“生命周期评估展示了低碳电力供应选择的环境共同效益和权衡。”可再生能源与可持续能源研究,39 (3):344 - 344
  24. 美国能源部(DOE)(2020年)“关于乏核燃料的5个快速事实”。
  25. 美国NRC(2020)“池和干桶中的乏燃料储存:要点和问答”。
  26. 沃纳,J.(2012)美国乏核燃料储存。国会研究服务部。beplayer官网入口
  27. 美国EPA(2020)“内华达州尤卡山的公共卫生和环境辐射防护标准(40 CFR第197部分)”
  28. 美国能源部(2008)民用放射性废物管理计划的总系统生命周期成本分析,2007财政年度。
  29. 《洛杉矶时报》(2019年)“美国人为储存致命的核废料支付的费用比以往任何时候都要高。”
  30. 美国能源部(2013)管理和处置使用过的核燃料和高放射性废物的战略。
  31. WNA(2021) 1986年切尔诺贝利事故。
  32. WNA(2021)福岛第一核电站事故。
  33. 美国核管理委员会(2019)核保险和救灾。
  34. 霍尔特M.(2014)核能政策。国会研究服务部。beplayer官网入口
  35. 美国能源部(2021年)“先进核能项目贷款担保”。
  36. 美国能源部(2021年)能源部概况介绍:两党基础设施协议将为美国工人和家庭带来好处,并迎来清洁能源的未来
  37. NEI(2021年)“国家支付乏燃料储存和核废料基金”。
  38. 美国环保局(2018)“辐射源和剂量。”