核電廠的備用供電系統(tǒng)可以為停堆反應(yīng)堆中產(chǎn)生的衰變熱提供冷卻，并維持反應(yīng)堆、渦輪發(fā)電機和輔助設(shè)備的各項服務(wù)(如系統(tǒng)控制、照明、通信和通風(fēng))。
1、備用系統(tǒng)電力
備用系統(tǒng)所需的電力，將隨反應(yīng)堆規(guī)模、效率、設(shè)計、乏燃料和廢物管理系統(tǒng)的不同而變化。
安全部門和運營商面臨的第一個問題是，“在最壞的情況下，核電廠需要多長時間的備用能源供應(yīng)?”
要想知道答案，就需要進(jìn)行風(fēng)險/危害分析，再加上從福島核事故中獲得的經(jīng)驗教訓(xùn)和一點保守的估計。
第二個問題是，如果使用蓄電池儲能，則進(jìn)入儲能裝置的電流將為交流電，而儲能裝置放電為直流電，因此還必須確保整流器、逆變器和超高速開關(guān)的性能和可靠性。
備用和輔助電源可采用多種形式。如果連接是可操作的，并且可以調(diào)用可靠的可調(diào)度電源，那么連接到電網(wǎng)顯然是直接的選擇。
第二種備用燃料通常是使用柴油、輕質(zhì)燃油或其他合適燃料的發(fā)電機，在設(shè)計上也存在冗余，包括多個集合和成對集合，有時由距離分隔。
在某些情況下，燃?xì)鉁u輪機組可以取代往復(fù)式柴油機機組，也有用于冷啟動柴油發(fā)電機和電源控制、安全和通信系統(tǒng)的電池(可通過壓縮空氣提供冷啟動能量)。
2、新電池系統(tǒng)
一個多世紀(jì)以來，主要的可充電工業(yè)電池都是鉛酸型的。它們?nèi)匀皇遣裼碗妱訚撏У闹饕獌δ茉O(shè)備，是唯一可以應(yīng)用于電動車輛供電和啟動應(yīng)急柴油發(fā)電機的現(xiàn)實電池技術(shù)。
正在開發(fā)的電池系統(tǒng)具有更高的功率密度(每單位質(zhì)量或體積儲存的能量)、更快的充電速度、更高的充電和放電效率(消耗更少的熱能)、更低的自放電率、更高的儲存壽命、更高的恒定峰值電壓放電時間關(guān)系、更高的循環(huán)耐久性，極低的熱失控傾向和低火災(zāi)爆炸危險性。
它們可能會取代核電廠容量有限的鉛酸電池，并可能取代或補充柴油發(fā)電機，以提供短期應(yīng)急電源，例如在緊急關(guān)閉幾小時后的供電。
具有旋轉(zhuǎn)機械部件的電源裝置，需要幾秒鐘啟動和供電，并且需要外部燃料(質(zhì)量有保證)。
助燃空氣和主動冷卻系統(tǒng)不適合作為核電廠的主要備用電源系統(tǒng)。福島核事故表明，柴油備用發(fā)電機可能被洪水淹沒。
與柴油發(fā)電機相比，新電池技術(shù)可能具有優(yōu)勢，應(yīng)進(jìn)行試驗和量化。如果證明其優(yōu)越性，則應(yīng)在現(xiàn)有和未來的核電廠中使用。
3、核電站電池要求
在過去的二十年里，電池技術(shù)有了很大的進(jìn)步。尤其是在筆記本電腦、移動電話等設(shè)備，以及最近的電動汽車領(lǐng)域，它們可以在能源效率方面與燃油汽車競爭。
新的電池技術(shù)仍在發(fā)展中，現(xiàn)在說具體應(yīng)用的贏家和輸家還為時過早，包括核電站等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的重型備用電源方面的應(yīng)用仍在研究中。
核電站的電池應(yīng)提供：安全的可調(diào)度功率輸出;極高的充放電循環(huán)性能;不受控制的級聯(lián)放電安全性;零氣體放電;內(nèi)部充放電電阻低;被動冷卻;無活動部件(如電解液循環(huán));可接受的能量效率、高能量密度;和可接受的成本。
在一個耗資數(shù)十億美元的核電站上，主要危險降低系統(tǒng)的成本，不應(yīng)成為其建設(shè)、運行或維護(hù)的主導(dǎo)因素。
備用電池系統(tǒng)必須堅固耐用。福島地震和海嘯清楚地表明，支持系統(tǒng)、接入、輸電線路完整性和通信的重要性。高度依賴于正常通信是一個潛在的重大隱患。
應(yīng)注意電池、柴油發(fā)電機和外部電源，并將其包括在應(yīng)急計劃中，但它們不應(yīng)是核心。
定期進(jìn)行安全演習(xí)以確定新技術(shù)的穩(wěn)定性，定期的危險評估應(yīng)包括對備用電源系統(tǒng)的分析，包括各級備用電源的輸入(和輸出)方式。
4、核電冷卻和其他用電系統(tǒng)
當(dāng)前的備用系統(tǒng)(有限的電池供應(yīng)，連接回電網(wǎng)和現(xiàn)場柴油發(fā)電)提供完全可調(diào)度和可變的供應(yīng)，以滿足反應(yīng)堆和輔助服務(wù)的需求。
在某些情況下，柴油往復(fù)式發(fā)動機可以用燃?xì)鉁u輪機組代替，但后者具有更長的啟動和滿功率時間。在快速啟動的情況下，它們需要揮發(fā)性燃料。
柴油發(fā)電機組使用的一些燃料，包括補充柴油和凝析油的天然氣;這樣的燃料不應(yīng)該在核電站使用，因為它們的易燃性很高。
燃?xì)廨啓C只有在其位于外圍安全距離之外時，才應(yīng)在應(yīng)急發(fā)電中發(fā)揮作用。
新的核電站可能使用海水冷卻。可供選擇的冷卻方式有空氣冷卻、淡水冷卻和混合冷卻(空氣冷卻由輔助水冷卻推動)，但在熱帶、亞熱帶和許多溫帶地區(qū)，為了達(dá)到可接受的冷卻效率，需要海水提供高水通量直接冷卻。福島事故后需要新的故障安全冷卻系統(tǒng)。
配備同位素生產(chǎn)和研究設(shè)施的核裝置，也需要不間斷電源;這些單位及其部門應(yīng)與發(fā)電廠的備用電源相連。
5、理想的電池特性
電池/備用電源系統(tǒng)的設(shè)置，電池可以從電網(wǎng)(通常做法)充電。
用于核電廠備用的電池，必須能夠快速提供其設(shè)計的應(yīng)急電源(MW)和能量(MWh)(滿功率小于10秒)，且在長時間內(nèi)和發(fā)生多個突發(fā)事件時，性能不會出現(xiàn)顯著偏差。
無論充電前的初始充電水平如何，電池都必須完全可充電——即使在充電前處于零充電狀態(tài)。新電池需要具有極低或零“死電荷”(即無法訪問的電荷)。
在核設(shè)施的安全規(guī)定中，有關(guān)于火災(zāi)或加熱威脅的規(guī)定。一些電池類型具有化學(xué)級聯(lián)的傾向，并且比正常工作加熱范圍內(nèi)的溫度更高。這些電池可能著火，核設(shè)施中的任何火災(zāi)都是應(yīng)報告的事件。
鋰離子電池是個例子。建議在IAEA管理的設(shè)施中不使用鋰離子電池;應(yīng)包括小型直流控制系統(tǒng)中使用的計算機電池、安全照明和不間斷電源(UPS)。
6、電池基礎(chǔ)、配置、管理和放置
簡化的電池組。
電池單元具有指示電壓和最大存儲能量，以及充電和放電模式。在充電和放電過程中，它們需要散熱，并且它們布置在可被動冷卻的組中。
在某些情況下，電池組采用液壓密封，并能在可能發(fā)生洪水的地方浸沒。
例如，尺寸為3V的電池，將在電池模塊中進(jìn)行電氣連接，電池模塊的電壓或能量傳輸符合要求。
電池應(yīng)完全模塊化，能夠單獨分析和選擇性更換，并布置在允許被動冷卻的電池組中。
當(dāng)電池組相互連接時，可將其視為單個電池。電池組監(jiān)測系統(tǒng)需要在使用期間提供容量和性能保證。
核電站蓄電池儲能的直流電網(wǎng)。
核電站的發(fā)電和調(diào)度為高壓交流;電池是直流的。如果使用電池作為備用電源，則需要轉(zhuǎn)換技術(shù)。
在直流和交流之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的現(xiàn)代技術(shù)，使用了非?？煽康拇笠?guī)模固態(tài)電子設(shè)備。但直流系統(tǒng)的可操作性——電池、逆變器、網(wǎng)狀布線、開關(guān)和監(jiān)控系統(tǒng)——必須定期進(jìn)行測試和記錄。
柴油機的設(shè)計保證了從起動到滿載的能力≤10秒;具有適當(dāng)開關(guān)的電池可以在納秒內(nèi)完成同樣的工作，因此對于“不間斷”電源而言，電池優(yōu)于發(fā)電機。
7、各項挑戰(zhàn)
電源備份級別，電網(wǎng)、接近環(huán)路、擴展環(huán)路、環(huán)路電池/EDG損耗。
兩者都面臨挑戰(zhàn)。對于發(fā)電機組：
燃料質(zhì)量(包括污染)和使用年限。這對柴油廠來說是一個重大挑戰(zhàn)，“舊燃料”應(yīng)回收給供應(yīng)商或用于測試。
啟動時間。如上所述，燃?xì)廨啓C可以比柴油發(fā)電機組啟動更快，但其揮發(fā)性燃料不應(yīng)儲存或使用在靠近核裝置的地方。
值得注意的是，核電站既有物理邊界，也有“推斷”邊界。物理描述區(qū)域包括反應(yīng)堆、發(fā)電廠、燃料儲存、服務(wù)、現(xiàn)場管理以及后勤和安全。這一領(lǐng)域?qū)儆诤税踩珬l約、立法和條例的范疇。
但是，如果備用應(yīng)急電源在物理外圍之外，它們間的連接仍然是物理外圍不可分割的一部分;就這些條約、立法和法規(guī)而言，它們是“推斷電廠”。
燃料供應(yīng)。如果應(yīng)急柴油發(fā)電機的效率為38%，并且使用柴油為一個核機組供電，那么柴油需求量將在0.425升/秒左右，因此超過48小時的柴油需求量將為172000升。
柴油機組包括化學(xué)、機械和電氣系統(tǒng)。運動部件也容易出現(xiàn)磨損、故障和控制系統(tǒng)問題。美國核標(biāo)準(zhǔn)表明，故障率必須低于初始的1%。
抗壓性。在福島，柴油發(fā)電機首先要能夠應(yīng)對垂直和水平方向的被動位移，以及沖擊波，然后是海水淹沒問題。
就電池而言，挑戰(zhàn)在于：
聯(lián)系。電池需要電網(wǎng)連接來充電，可能需要6.6kV網(wǎng)絡(luò)，而不是現(xiàn)有的230/240kV連接。
熱。如上所述，需要大型固定密封電池組，該電池組能夠以被動方式散熱，并且能夠經(jīng)受震動和淹沒狀態(tài)。電池被動冷卻，即使以犧牲充電所需時間的冷卻效率為代價，也可能成為電池選擇的主要因素。
在某些情況下，電池模塊之間存在空間，可能包含空氣、輕微壓縮的氮氣或氦氣或用于散熱的導(dǎo)電液體。
散熱將通過電池組外殼內(nèi)部的對流以及外部的熱對流和低溫輻射來完成。
水——安全。如果電池易于被浸沒，則要求密封電池在干燥和浸沒時具有足夠的散熱。
充電和再充電。整流器和逆變器等固態(tài)部件也必須能夠在突發(fā)事件中保持正常性能。
保持測試和維護(hù)保養(yǎng)的頻率和深度，通過放電演習(xí)確保每個電池組(電池組件)充分運行并準(zhǔn)備好滿足緊急需要。
請注意，電動車輛蓄電池可能不適用，因為它們需要最大的能量密度和比功率，以提供車輛可接受的范圍和加速度。能量密度和比功率對于支持核電站的大型固定電池來說并不那么重要。
8、補充技術(shù)
電池和發(fā)電機并不是相互排斥的。在1300MWe核電廠中，覆蓋最初四小時停電的電池需求為20MWh(占南澳大利亞特斯拉電池陣列的15%)。
但在電池首次供電后，柴油可以切入，承擔(dān)反應(yīng)堆的負(fù)荷，開始電池充電。
大型固定式工業(yè)電池的發(fā)展，可能為核電行業(yè)提供一種新的備用電源，其方式比福島核災(zāi)難期間柴油發(fā)電機更徹底、更安全。
新的和翻新的備用系統(tǒng)中，應(yīng)加入柴油電池充電，從容量過剩的柴油機進(jìn)行電池充電應(yīng)該是一個內(nèi)置選項，這將有助于遵循需求和供應(yīng)模式，并為意外的二次中斷提供電力。
根據(jù)總備份的配置方式，將部分備份置于外圍之外可能會降低危險級別。周界內(nèi)有足夠的能力來管理衰變熱，這對于減少危害措施很重要;如果這種容量是以備用電池的形式存在的，可以在納秒內(nèi)提供，并持續(xù)幾個小時，效果將更加明顯。
總之：如果新的電池技術(shù)能夠提供額外的電力安全性，我們應(yīng)該將柴油發(fā)電機組從備用1級轉(zhuǎn)移到備用2級。
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