《福岛核事故后续处理困难重重》

  • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2022-03-24
  • 2011年3月11日,日本东北部海域发生9.0级地震,地震引发的巨大海啸袭击了福岛第一核电站,造成核电站1至3号机组堆芯熔毁。11年后的今天,如何处理福岛第一核电站海量核污染水等核事故后患,以及尽快恢复当地民众生产生活,依然是摆在日本政府面前的难题。

    福岛核事故发生后,日本政府要求周边居民前往他处避难。据统计,福岛县离开原住处到各地避难的“核事故灾民”人数最高峰时达到16万余人。至今,仍有约3.8万灾民未能返回家园。福岛县7个行政区域内有337平方公里土地仍属于辐射量较高的“返回困难区域”。

    长期避难给灾民带来很多生活不便和心理压力。据日本复兴厅统计,11年来,“地震灾害关联死亡”人数已经达到3784人。厚生劳动省统计显示,与地震灾害相关的自杀人数达到246人。

    鹈沼久江的老家距离发生事故的福岛第一核电站仅2.5公里,地震后她来到埼玉县加须市,找了一处临时住所。在老家时,她主要养牛、种稻,现在则改种蔬菜维持生计。“11年的风吹雨打,老家的房子已是破败不堪。回家的路太难了。”鹈沼久江说。

    核污染问题仍然笼罩着福岛。根据福岛县公布的数据,日本政府对福岛第一核电站周边地区进行核污染清除作业之后,禁止居住的“避难指示区域”面积占福岛县总面积的百分比,由2011年的约12%减少到2020年的约2.4%。但很多地区解除禁令之后,仍然无法恢复正常的农业生产。

    福岛大学副教授林薰平长期跟踪研究核污染对当地农林业、渔业的影响,他指出,自然生长的山菜、蘑菇等,还是能检测出高剂量的放射性物质。不仅是避难指示区域,福岛市、伊达市等地区的野生作物都被禁止上市销售。很多森林、田地、湖泊、池塘因为受核辐射影响,无法利用,长期荒废。

    当地灾民也多次抗议日本政府和福岛核事故当事方东京电力公司的救济支持措施在缩水。据日本媒体报道,日本政府对灾民实施的医疗费减免政策最快将于2023年进行调整,目的是减少支持力度并最终废止。于2016年度创立的“受灾者支援综合交付金”主要被用于灾民心理关怀等方面,该项资金的年度预算已经从2016年度的220亿日元(1美元约合121日元)逐年减少至2022年的115亿日元,减幅近一半。

    《东京新闻》日前发表社论指出,2012年日本国会通过的《核事故儿童与灾民支援法》明确规定国民有免遭核辐射的“避难权利”。但日本政府一直没有建立保障避难权利的机制。没有保障机制的人权只不过是画饼充饥。

    面对福岛核事故带来的损失和灾后重建工作,福岛县多个市町村地方行政机构向东京电力公司要求赔偿。但据统计,截至2021年12月,东电公司只支付了全部赔偿金额1498.6亿日元的50%,有多个市町村拿到的赔偿金甚至不到要求金额的10%。

    《福岛民报》发表评论说,东日本大地震和福岛第一核电站事故已经过去11年。很多灾民与故乡的联系被迫切断,赔偿问题至今没有获得解决,这一现状让灾民感到愤慨。

    福岛核电站核污染水的处理问题依旧备受争议。去年4月,日本政府正式决定将处理后的核污染水排放入海,计划2023年春季开始。福岛第一核电站的核污染水含有铯、锶、氚等多种放射性物质。日本政府和东京电力公司称,使用名为“多核素去除设备”的过滤设备可过滤掉除氚以外的62种放射性物质,而氚难以从水中清除。日本渔业团体强烈反对这一处理方案。福岛县、宫城县和岩手县受灾的42个市町村长中,约六成反对上述核污染水排海决定。

    福岛大学教授川崎兴太表示,东日本大地震和福岛核事故灾后重建有一个前提,即通过在灾区这一物理空间内推进行政公共事业以实现灾区的“空间复兴”,进而推动和实现“人的复兴”,重建灾民生活。但从效果来看,日本政府在这方面的工作做得并不充分。(来源:人民日报)

  • 原文来源:http://www.cnenergynews.cn/zhiku/2022/03/23/detail_20220323120080.html
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  • 《福岛核电站废炉8年仍保持原样 善后处理步履艰难》

    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2019-03-20
    • 日本福岛核电站废炉处理是迄今为止最艰难的一项核电站拆除工程,日本政府原计划用30年至40年时间完成废炉拆除工作,但时间已过去8年,废炉仍旧保持原样,善后处理仍步履维艰。   发生在日本福岛海域的东日本大地震已经过去整整8年,日本政府及灾区日前纷纷举办各种仪式,悼念2万多名死亡或失踪人员。灾后重建中的道路、住宅等设施已接近完工,但核电站善后处理仍步履维艰。   截至今年1月份,安置受灾居民的公营住宅完工率达到98.4%,道路、堤防、土基架高工程完成计划量的94.5%。但是,真正的灾后重建仍面临很多难题:一是在外避难人员仍达5万多人,外出避难长期化,但政府制定的避难补助措施即将终结;二是福岛、宫城、岩手等35个地方自治体中有20个自治体人口减少10%以上,许多灾民彻底离开了这些地区,特别是在邻近核电站的多个村庄,返乡者均为老年人;三是搬入公营住宅的人员中,近两年发生多起单身老人的孤独死亡事件,去年一年就有76起。   相比受灾居民返乡,更困难的是核电站善后处理。日本政府决定对福岛第一核电站4个机组实行报废处理。但是,福岛的废炉处理是人类历史上迄今最艰难的一项核电站拆除工程。2011年3月11日的地震海啸造成核电站主电源、备用电源全部丧失,冷却系统停转,核反应堆失控,最终4个反应堆中有3个发生氢气爆炸,不仅核电站机房被毁,连核反应堆的压力容器也被击穿。福岛核电站面临核废水、核废料、核电站三重处理难题。   由于核反应堆压力容器破裂,核物质无法浸泡在水中,8年来每天靠花洒式喷水为核材料降温,之后冷却水又从炉底渗出,已收集包含多种微量元素的冷却水达110万吨,到明年底所有储藏罐将填满,有关部门曾提议向大海排放,但遭到当地渔民坚决反对。本来福岛海域渔业生产在核事故后就遭到了灭顶之灾,目前实验性捕鱼只恢复到以前产量的三分之一,如果百万吨级核废水排向大海,无疑将对渔业形成二次打击。   由于核反应堆发生炉芯融化、核电站发生氢气爆炸时,核燃料与压力容器内的金属设备发生溶解反应,凝结后沉淀炉底,据推测,3个核反应堆的溶解物达到880吨以上。同时,其强辐射使人员无法靠近,东京电力正在研究用机器人手臂远程操控挖掘。东京电力公司原计划2020年之后开始清理炉底,但去年以来的探查发现,炉底凝结物坚如磐石,需切割分解才能取出,相关技术尚在开发之中。   日本政府原计划用30年至40年时间完成废炉拆除工作,但现在,时间已过去8年,废炉仍旧保持原样,就连储存核电站仓库池中的1573根乏燃料棒,也比原定计划延迟了4年,且至今仍无法运出。   在世界核电事故处理中,1979年的美国三厘岛核事故未发生炉底泄露,善后耗时10年;1957年英国温斯克尔核事故现场封存,待100年辐射衰减后再行处理;1986年切尔诺贝利核事故则以石棺永久封存。缺乏地理纵深的日本对福岛核事故处理,则要采取全新方法。  目前,核废料及含核辐射垃圾如何处理也成为世纪难题。根据东京电力公司原定计划,将在福岛当地建设新的保存设施,继续就地存放,但当地民众反对声极高。   不久前,日本原子能规划委员会委员长更田丰志指出“核灾难仍在持续中”。当地电视台采访了一位两年前到东电公司就职的年轻职员唯野诚哲,他说自己的毕生事业就是参与拆除福岛核电站的进程,自己的梦想是在退休之年看到废炉工程彻底结束。近来,随着核电站周边清污进程推进,福岛核电站周围开始有计划地接待群众参观。一批当地中学生参观之后也表示,要将自己的毕生精力投入到拆除核电站工作当中。   日本处在地震多发的地质结构区域,在政府认定的114个地壳活动断层中,根据危害程度和发生地震可能性分为4个等级。其中,东北部太平洋海域的日本海沟未来30年内发生7级以上地震的可能性为90%,日本东南部南海海槽未来地震的最大强度可能达到9级。东京首都圈未来30年内发生7级以上地震的可能性达到70%。东日本大地震导致的福岛核电站泄漏“后患无穷”。对于日本而言,救灾与防灾是一项长期的重要课题。‍
  • 《为何动力电池设计困难重重?》

    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2019-10-16
    • 在电动汽车中,动力电池组中密布各种传感器,以监测电池发热状况与老化效应,以及动态热负荷与自愈效应。最重要的,电动汽车的动力电池必须在整车架构层面进行设计开发,因为电池的运行状况将影响到整个系统,而且动力电池模块的设计、组装、维护还面临诸多困难。 以前汽车的电池总是当做即插即用部件,但在电动汽车上,电池的角色发生了改变。现如今,电池是电动汽车差异化关键,也是电动汽车中最重,同时也是最贵重的部件。 传统汽车中的蓄电池,原本是一个相当简单的零部件。但在电动汽车中,动力电池组中密布各种传感器,以监测电池发热状况与老化效应,以及动态热负荷与自愈效应。最重要的,电动汽车的动力电池必须在整车架构层面进行设计开发,因为电池的运行状况将影响到整个系统,而且动力电池模块的设计、组装、维护还面临诸多困难。 “每个人都清楚,电池是电动汽车中最重要,也最有难度的部件。电池决定了一部电动汽车的重要参数,比如续航里程、成本、安全,以及充电的便宜性等,” 新思科技(Synopsys)研发工程师布莱恩·凯利(Bryan Kelly)说,“续航里程短、成本高、电池组易出毛病,以及充电设施分布不均衡,是当前纯电动汽车面临的主要困难。电池提供了能量,但它需要被良好地管理与控制,这样电动汽车其他零部件才能正常运作。” 这就是系统开发思维能发挥作用的地方了。“压缩机、水泵、马达、辅助电源模块,以及车载充电模块,电动汽车需要多种功率电子器件,”凯利说道,“而且,汽车行驶时,上述模块中的功率半导体开开关关,(是耗电的大头),续航问题总会存在。所以电动汽车中总倾向于用大电池,高功率的大电池需要有相应的功率器件来传输能量。这些大功率器件的开关频率要更高,因为功率器件的开关速度越快,传输电能时浪费的越少,电动汽车围绕电池进行系统设计的一切都是为了能效,提高能效是底线。” 自动驾驶的引入将会大幅增加开发难度。“(引入自动驾驶)必须要更早在全系统层面进行开发,并研究电池在系统中的作用,”新思科技应用工程经理吉姆·巴顿(Jim Patton)说道,“这需要更多的仿真,因为自动驾驶功能非常耗电。(实现自动驾驶功能)开发人员需要增加一堆摄像头,若干影像处理模块,以及很多别的元器件,这些元器件都会增加耗电。自动驾驶功能是电动汽车中另一大耗电模块,开发人员需要认真计算仔细仿真(以满足系统续航要求)。” 上述所有功能的实现都要保证安全。“开发人员可以自动插入开路或短路的电路,进行大量故障仿真,以应对各种意外状况。比如,'如果交流发电机坏了会怎样?我还能把这辆出故障的自动驾驶汽车开到路边吗?' 开发人员要能在安全的前提下处理这种故障,并制定相应的策略以应对不同故障。开发人员要对最坏状况有应对方案,当最坏状况发生,能够把电源从非性命攸关的模块切断,而用以维持刹车等关键部件。”巴顿说道。 充电的考虑 充电速度也是电动车差异化的重要体现。“十年前,我刚开始在这个领域工作时,电池组的成本超过1000美元/千瓦时,”西门子Mentor事业部(Mentor, a Siemens Business)新移动解决方案机械分析部总监谱尼特·辛哈(Puneet Sinha)说道,“现在,特斯拉Model 3或者雪佛兰的电池成本,已经接近150美元/千瓦时,电池成本下降非常快。” 伴随电池价格的下降,横在电动车面前的主要障碍变成了如何提高充电速度。充电速度要求改变了电池的基础设计。 “快充技术的发展,要求电池芯必须能在使用寿命缩减不大的前提下,承受快充条件,而且不能有隐患,”辛哈说道,“电池芯能否耐受快充条件,主要取决于电化学材料,但从电池组层面来看,电极如何设计也会影响到电池组是否耐受快充。这些研究是非常重要的,因为短时间把150到200千瓦时的能量充入电池很有挑战,而且充电时会产生很多热量,所以行业内企业在研究如何在充电时冷却电池的技术。” 对这些问题,德拉科汽车(Drako Motors)首席执行官迪恩·德拉科(Dean Drako)颇有同感。德拉科汽车为自己生产的GTE电动超跑设计开发了电池。 GTE的电池组支持兆瓦(MW)级功率输出,GTE要实现创纪录的性能,电路的承载能力将受到极致挑战,只有匹配相应的冷却系统,才能实现强劲而稳定的功率输出。“GTE电池具备90千瓦时的容量,峰值电流可达2200安培,支持1800安培稳定电流输出,精心设计的电池组可以为GTE四个电动机持续提供900千瓦的驱动力。电池芯周围密布冷却管,大量冷却管纵横交错,构成大规模并行冷却系统,可以将每一个电池芯的热量快速散发出去。”德拉科汽车网站上这样描述道。 迪恩表示,德拉科公司在电池组设计开发上非常努力,锂离子电池设计本身也成为整车架构设计的一部分。“电动汽车电源设计通常考虑续航或功能优先,但我们选择了一条与众不同的路线,因为我们瞄准的是赛车市场。我们造出的汽车要能在赛道上赢得比赛,所以对电源及设计要求都非常高,而且要配备强大的冷却系统,以防止电池过热。电池在充放电时,总有部分能量以热的形式消耗掉,这就是电池的化学特性。” 电池与电池组设计的主要挑战是如何适应宽温度范围工作,电池与电池组本身工作温度范围很窄,但汽车工作环境千差万别,需要电池组能够适应宽温度范围与其他严苛的外部环境。电池组中的一个电池芯因过热发生问题,很可能会引发整个电池组的链式反应。 “这就是为什么人们喜欢用常规标准电池芯,因为电池芯制造商已经对电池芯做了非常严格的测试,采取多种措施以确保电池芯不会爆炸,”迪恩说道,“到电池组开发阶段,需要的就是在电池组内放置足够数量的温度传感器、电压传感器、电流传感器,时刻监控所有状况。理论上,每一个电池都会配相应的保险丝,通过微控制器来控制电池组的状态并决定是否熔断保险丝。如果出现过热,要有相应的液冷设备来确保电池组温度能降下来。如果不考虑系统的可靠性、安全、健壮性、功率输出,设计出的电池组将危如累卵。” Mentor的辛哈同意德拉科的观点,电动汽车充放电不是把车放到有空调的车库去充电那么简单。“我们的很多客户意识到了这些问题。在充放电系统中,电池芯当然很重要,但它只是整个问题的一小部分。如果对电池组的热管理处理没做好,即便选用全球最好的电池芯,也不能保证系统在充放电时的安全。在实现直流快充时,需要考虑的因素很多,开发人员要保证系统能既做到快速充电,又不浪费能源。” 另外,所有上述问题,如果发生,都将影响到整车架构,辛哈说道。“很少有人能在纸上列出,或者说出‘如果这个问题发生了,我将这样应对;如果那个问题发生了,我将那样应对’。应对复杂系统设计中数百条问题的排列组合,是专用软件发挥作用的时候,利用软件,开发人员能在系统开始设计时就能厘清有哪些技术选项,怎么才能成本更优化,以及‘如果我这样做,将会得到这种结果;如果我那样做,将会得到那种结果’。根据上述分析,开发团队很容易就做出正确决定。这是我们和很多设计软件客户交流时得到的反馈。所以,应用模式决定了采用哪种整车架构。” 每个环节都很重要,它们还要上下衔接。“内燃机车与电动车是完全不同的两种开发思路,”辛哈说道,“内燃机技术非常成熟,开发人员只需要选择合适的现成技术,将其融入系统中即可,从车身、座位、到座舱技术,一切都按部就班、有章可循,但电动汽车还不是这样。” 数据在哪里? 在半导体设计的某些领域,存在数据过多的现象,但在电池设计中,开发人员往往面临数据偏少的问题。 “我已经在这个领域有几年,一门心思投入到抓取电池数据工作中,也与客户或制造商一起合作来收集数据,但电池数据真的很难抓取。”新思科技的凯利说道,“(新思科技的工具)不是直接的人工智能,但借助新思科技工具,开发人员可以用最小量的数据,来推测系统的性能。” 利用工具生成的可用电池组模型,可以嵌入系统中进行系统级仿真,通过设置充电初始状态、电池组构成参数等条件,来计算系统在典型欧洲工况等场景下的结果。开发团队可以直观地查看各电池芯电压与电流的变化,能量消耗,充电状态,甚至能源效率与续航里程。 新思科技的巴顿表示,这些模型是电动汽车设计的关键。“很明显,电池是电动汽车的基础,可能是最有挑战的零部件之一,也是开发人员承担压力之所在,因为电池系统是区分不同电动车的根本。车身重量与整车电池能量是一对难平衡的参数,增加电池数量可以增加整车电池能量,但同时也增加了车身重量,从而增加单位里程耗电量。所以,每一次增加电池容量都要同时考虑增加的车重。” 电池的化学特性也应考虑。“电池芯材料有很多种组合,加工成电池芯时也有很多种布局方法,不过我们有时忽略了电池芯材料在化学特性上的难点。”巴顿说道,“功率电子就是这样,连接电池和电动机以及车上所有需要供电的零部件,所以提高功率电子的效率很重要。” 冷暖空调系统是另一个需要优化的模块。“最高可能有40%的电能被用于冷却电池,电池需要被控制在安全温度范围工作,”巴顿说,“再加上驾驶舱的冷暖空调,电动汽车在北方冬天时就很狼狈。打开暖空调时,电量下降速度简直像决堤之水,所以我们的消费者希望开发人员能尽快从系统层面进行改善。” 上述因素都加在一起,系统级面临的挑战就显得奇大无比。 “在系统设计时,把所有这些相互作用的零部件放在一起,各器件又是这么复杂,不进行系统仿真就成了一团乱麻,不知道结果是什么。”凯利说道,“车上有太多移动部件,很多行为只靠数学计算得不到正确结果,仿真不再是可有可无,开发人员只有利用仿真工具才能得到全部设计参数。而且,电池本身就是非线性器件,有很多非线性效应,其参数与温度和充电状态都有关。所以,从系统层面来看,任何部件都有不可预期的工作状况,有太多的变量,只有通过工具仿真才能理解整个系统,不然就像在小黑屋里乱扔飞镖一样不知所终。” 摩尔科技(Moortec)首席执行官斯蒂芬·科罗舍(Stephen Crosher)表示,电池的系统设计困难重重,但这却为更先进技术引入打开了门路,比如片上监控。利用片上监控来实现电池组热监护功能,能够从电池中榨取更多的能量。“不管是给手机增加15分钟播放时间,还是让用户不再因里程焦虑而关闭电动车中功能(比如空调),只要能延长电池寿命,就能改善用户体验。” 电池系统开发面临的困难也为很多新材料搭起上车之路,尽管这些材料从未在汽车上用过。 “以前人们都用硅材料做功率器件,但近年来,宽禁带半导体材料由于在高压、高功率应用中的优异特性,越来越受到重视。”芯师(Silvaco)公司市场高级总监格拉汉姆·贝尔(Graham Bell)说道,“碳化硅和氮化镓是功率器件中的新生力量。” 碳化硅市场增长前景反映了功率器件材料变化趋势。 “主要受混动与纯电动汽车需求驱动,未来5到7年,碳化硅市场年复合增长率接近30%,”贝尔说道,“从供电设施到为电池充电的直流电源,碳化硅器件在电力输送过程里的电源转换环节用途很广。碳化硅器件另一个应用领域是用在电动汽车伺服电动机等控制模块中。当然,碳化硅还可以用于汽车电动机或其他部件的稳压电路等高功率电路中。” 结论 Mentor的辛哈表示,半导体与汽车电子生态圈将迎来波澜壮阔的十年,共同经历汽车行业天翻地覆的变化,并见证最终的胜者。 “我们审视历史规律,就能做出清楚的判断,在电动汽车(无论有人驾驶还是无人驾驶)市场,那些触类旁通、锐意创新、不墨守成规的企业有更大的机会赢得未来,这类企业不只遵循百年未变的老传统,要有横跨电气、电子、机械三领域高度的视角,能将跨域技术有机融合,真正将三个领域技术融会贯通。”辛哈说道,“设计、制造与用户体验的不同,决定了如何跨域开发,电动汽车的开发要用一种更开放的融合流程,而不是沿用过去的方法。”