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(jī)和輔助設(shè)備的各項(xiàng)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(jì)、乏燃料和廢物管理系統(tǒng)的不同而變化。
安全部門和運(yùn)營商面臨的第一個(gè)問題是，“在最壞的情況下，核電廠需要多長時(shí)間的備用能源供應(yīng)?”
要想知道答案，就需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)/危害分析，再加上從福島核事故中獲得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和一點(diǎn)保守的估計(jì)。
第二個(gè)問題是，如果使用蓄電池儲(chǔ)能，則進(jìn)入儲(chǔ)能裝置的電流將為交流電，而儲(chǔ)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(jī)，在設(shè)計(jì)上也存在冗余，包括多個(gè)集合和成對(duì)集合，有時(shí)由距離分隔。
在某些情況下，燃?xì)鉁u輪機(jī)組可以取代往復(fù)式柴油機(jī)機(jī)組，也有用于冷啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)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(dòng)能量)。
2、新電池系統(tǒng)
一個(gè)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?dòng)潛艇的主要儲(chǔ)能設(shè)備，是唯一可以應(yīng)用于電動(dòng)車輛供電和啟動(dòng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的現(xiàn)實(shí)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(chǔ)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(chǔ)存壽命、更高的恒定峰值電壓放電時(shí)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(xiǎn)性。
它們可能會(huì)取代核電廠容量有限的鉛酸電池，并可能取代或補(bǔ)充柴油發(fā)電機(jī)，以提供短期應(yīng)急電源，例如在緊急關(guān)閉幾小時(shí)后的供電。
具有旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件的電源裝置，需要幾秒鐘啟動(dòng)和供電，并且需要外部燃料(質(zhì)量有保證)。
助燃空氣和主動(dòng)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(jī)可能被洪水淹沒。
與柴油發(fā)電機(jī)相比，新電池技術(shù)可能具有優(yōu)勢(shì)，應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)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(dòng)電話等設(shè)備，以及最近的電動(dòng)汽車領(lǐng)域，它們可以在能源效率方面與燃油汽車競(jìng)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(shí)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(jí)聯(lián)放電安全性;零氣體放電;內(nèi)部充放電電阻低;被動(dòng)冷卻;無活動(dòng)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(gè)耗資數(shù)十億美元的核電站上，主要危險(xiǎn)降低系統(tǒng)的成本，不應(yīng)成為其建設(shè)、運(yùn)行或維護(hù)的主導(dǎo)因素。
備用電池系統(tǒng)必須堅(jiān)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(gè)潛在的重大隱患。
應(yīng)注意電池、柴油發(fā)電機(jī)和外部電源，并將其包括在應(yīng)急計(jì)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(xiǎn)評(píng)估應(yīng)包括對(duì)備用電源系統(tǒng)的分析，包括各級(jí)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(chǎng)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(dòng)機(jī)可以用燃?xì)鉁u輪機(jī)組代替，但后者具有更長的啟動(dòng)和滿功率時(shí)間。在快速啟動(dòng)的情況下，它們需要揮發(fā)性燃料。
柴油發(fā)電機(jī)組使用的一些燃料，包括補(bǔ)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?yàn)樗鼈兊囊兹夹院芨摺?/p>
燃?xì)廨啓C(jī)只有在其位于外圍安全距離之外時(shí)，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(dòng))，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(jì)的應(yīng)急電源(MW)和能量(MWh)(滿功率小于10秒)，且在長時(shí)間內(nèi)和發(fā)生多個(gè)突發(fā)事件時(shí)，性能不會(huì)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(jí)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(bào)告的事件。
鋰離子電池是個(gè)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(jì)算機(jī)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(chǔ)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(dòng)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(dú)分析和選擇性更換，并布置在允許被動(dòng)冷卻的電池組中。
當(dāng)電池組相互連接時(shí)，可將其視為單個(gè)電池。電池組監(jiān)測(cè)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(chǔ)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)，使用了非常可靠的大規(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(cè)試和記錄。
柴油機(jī)的設(shè)計(jì)保證了從起動(dòng)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(duì)于“不間斷”電源而言，電池優(yōu)于發(fā)電機(jī)。
7、各項(xiàng)挑戰(zhàn)
電源備份級(jí)別，電網(wǎng)、接近環(huán)路、擴(kuò)展環(huán)路、環(huán)路電池/EDG損耗。
兩者都面臨挑戰(zhàn)。對(duì)于發(fā)電機(jī)組：
燃料質(zhì)量(包括污染)和使用年限。這對(duì)柴油廠來說是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，“舊燃料”應(yīng)回收給供應(yīng)商或用于測(cè)試。
啟動(dòng)時(shí)間。如上所述，燃?xì)廨啓C(jī)可以比柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)更快，但其揮發(fā)性燃料不應(yīng)儲(chǔ)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(chǔ)存、服務(wù)、現(xiàn)場(chǎng)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(jī)的效率為38%，并且使用柴油為一個(gè)核機(jī)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(shí)的柴油需求量將為172000升。
柴油機(jī)組包括化學(xué)、機(jī)械和電氣系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)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(jī)首先要能夠應(yīng)對(duì)垂直和水平方向的被動(dòng)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(dòng)方式散熱，并且能夠經(jīng)受震動(dòng)和淹沒狀態(tài)。電池被動(dòng)冷卻，即使以犧牲充電所需時(shí)間的冷卻效率為代價(jià)，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?dú)饣蚝饣蛴糜谏岬膶?dǎo)電液體。
散熱將通過電池組外殼內(nèi)部的對(duì)流以及外部的熱對(duì)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(shí)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(cè)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(gè)電池組(電池組件)充分運(yùn)行并準(zhǔn)備好滿足緊急需要。
請(qǐng)注意，電動(dòng)車輛蓄電池可能不適用，因?yàn)樗鼈冃枰畲蟮哪芰棵芏群捅裙β剩蕴峁┸囕v可接受的范圍和加速度。能量密度和比功率對(duì)于支持核電站的大型固定電池來說并不那么重要。
8、補(bǔ)充技術(shù)
電池和發(fā)電機(jī)并不是相互排斥的。在1300MWe核電廠中，覆蓋最初四小時(shí)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(jī)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(jī)進(jìn)行電池充電應(yīng)該是一個(gè)內(nèi)置選項(xiàng)，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(huì)降低危險(xiǎn)級(jí)別。周界內(nèi)有足夠的能力來管理衰變熱，這對(duì)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(gè)小時(shí)，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(jī)組從備用1級(jí)轉(zhuǎn)移到備用2級(jí)。
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