能源模块----细节设计

核能：小型核电站

一、    核电站概况：

由于我组世界规模足够小，选用的核电站不必过大。目前已知的最小核电站是比利比诺核电站，它是俄罗斯联邦楚科奇自治区比利比诺的一座模块化电站。

二、总产能：

装机容量48MW。然而这仍然远超我们的能量需求。了解到，此核电站安装有四台EGP-6型核反应堆，我们只需取用其中的一台，功率约为12MW，目前的压水堆发电效率大概在33%左右。结合我组基本国情来看（核电发电量18000Mwh），该核电站一年只需要发电1500个小时，约187.5天（六个月）

三、原料来源

目前的压水堆主要以富集铀组成，是铀氧化物，富集U235的质量分数粗略估计在3%-5%之间。为了简化计算，我们假设如下：

1.富集U235的质量分数为4%；

2.裂变只由U235完成；

同时，对实际应用情况进行简化，我们有以下条件：

1）1g的二氧化铀燃料中，大概有35mg U235,1g U235含1/235 mol的U235原子。

2） 在数量级上的估计，一个U235原子的裂变释放的能量约为200MeV，也就是3.2×10^-11J

3）已知目前压水堆的转换效率大概在33%左右（即堆芯反应释放1J的能量中，大约有0.33用于发电供给）

根据以上假设和条件，1kg的二氧化铀（4%）完全燃烧殆尽能发3*10^5kwh

为满足我们世界2025人100年的生产生活需求，我们将一次性从旧世界带走足够的核燃料棒。一年该核电站发电18000Mwh，一个世纪发电1800000Mwh，共计需要6000kg。二氧化铀的密度为10960kg/m^3，即使考虑带上足够冗余燃料，我们也只需要带一立方米的核燃料。

四、乏燃料处理问题

1.分类与分级：首先对核废料进行分类，分为高放射性废物、中放射性废物和低放射性废物，确保采取适当的处理措施。

•  2.安全储存：

（1）废料处理和初步储存：

（a）乏燃料冷却：在反应堆中使用过的乏燃料会产生大量热量和辐射，通常需要在乏燃料池中冷却5~10年直到其放射性和热量降低到安全水平。

（b）干燥储存：冷却后的乏燃料会被转移到干式储存容器中。这些容器使用钢或混凝土材料制造，能够进一步屏蔽放射性物质，并作为临时存储设施。

（c）干式后处理：乏燃料中仍含有大量可裂变材料，如铀和钚，这些材料可以通过后处理提取出来，并重新用于核反应堆中。回收这些资源能够减少对天然铀的需求，延长全球铀资源的使用寿命。此外，再利用钚可以减少对新核燃料的需求，降低燃料成本。具体流程如下：

（2）废料封装

（a）封装技术：核废料被装入专门设计的耐腐蚀材料的容器中。这些容器设计要承受数千年的腐蚀、地质变化和外部力。我组选择B4CpAl金属基复合材料。原因如下：硼是自然界资源丰富的元素，10Ｂ的热中子吸收截面可3８３７ｂ，并且可在较宽的中子能量范围内基本服从１／Ｖ定律。１０Ｂ俘获热中子后发生核反应生成 Ｌi和Ｈｅ，不会产生二次放射性。Ｂ４Ｃ由于具备低密度（2.５２ｇ／ｃｍ^３）、高硬度（仅次于金刚石和氮化硼）和优良的中子吸收性能而受到广泛关注。Ｂ４Ｃp－Ａｌ金属基复合材料具有良好的机械力学性能、热稳定性、抗腐蚀性能和耐辐照性能，是一种很好的新型结构功能材料，可广泛用于核辐射屏蔽领域。

（b）多重屏障系统：除了主封装容器，废料通常还会封装在多层防护中，包括黏土、混凝土等，以确保多重屏障系统将废料与外界环境完全隔离。

（3）废料运输

（a）安全运输：封装好的废料会通过特殊设计的车辆或火车，运送到专门的深地质储存设施。运输过程中的容器设计能经受意外情况（如事故或爆炸），以确保废料不会泄漏。

（4）地下储存位置选择

（a）地质评估：选择稳定、干燥的地质层（如花岗岩、盐层或粘土层），这些地层具有数百万年无显著地质活动的记录。

（b）深度要求：通常储存在数百米到一千米以下的深处，确保废料与地表和地下水系统隔绝。

（c）选址：通过资料了解到

①山东省的中部和西部地区，如泰山和鲁中山区，拥有丰富的花岗岩地层。这些地区的花岗岩具有较好的稳定性和低渗透性，能够有效隔离放射性物质。泰山及其周边地区长期以来被认为地质活动较少，因此在地质稳定性方面具有优势；

②鲁中地区的泰山和鲁西山区的地震活动较少；

③鲁中和鲁西山区的内陆地区地下水流动性较低，可以较好地隔离地下水，减少废料泄漏的风险。

【基于以上分析，我组选择距青岛市较近的鲁西地区泰山地层进行掩埋】

（5）废料安放

（a）掘井：在深层地质区域中挖掘隧道或竖井，专门用于存放核废料容器。储存井设计为防止地下水渗透和外部干扰。

（b）安放容器：封装好的废料容器通过机械设备放入井中，垂直埋入。

（c）回填材料：容器放置后，使用实密沙-膨润土混合物进行回填，进一步隔离废料与外界环境。

由于密实砂一膨润土混合物的低渗透性、较强的离子吸咐能力和阳离子交换能力及高膨胀性，它成为了回填材料的绝佳选择。

（6）长期监测与封闭

（a）监测与维护：储存设施将在封闭前进行数十年甚至更长时间的监测，以确保地质和环境条件的稳定，并且放射性物质不会外泄。

（b）永久封闭：当确认没有安全隐患后，隧道或竖井将永久封闭。整个储存系统通过多重屏障确保废料与外界完全隔离，防止放射性物质释放到环境中。

   3.监测与监管：建立监测系统，定期评估废物储存设施的安全性，并遵循相关法规进行监管。

   4.公众沟通：与公众沟通废物管理方案，增强透明度和信任感，减少社会抵制。

五、核工业废水处理办法：

核电站工作过程中将不可避免地产生核废水。对此，我们的应对办法如下：

1. 物理化学处理：这是一种常规的核废水处理办法。首先通过沉淀、过滤和化学反应去除放射性物质，较大幅度地减少废水中的放射性污染。

2. 反渗透（ＲＯ）＋连续电除盐（ＣＥＤＩ）：这是一项创新技术。通过离子交换膜去除放射性离子，进一步降低低浓度核废水的放射性。与传统处理工艺相比，膜技术可在一般温 度下操作，没有相变；浓缩分离同时进行；不需投加其他物质，不改变分离物质的性质；能耗低，设备简单、运行稳定可靠；处理量灵活，很容易通过模块式的并联满足处理量的要求。

风能：海上风力牧场

1.风能总概况

一方面，海上风电的建设和运行成本大大高于陆上风电。另一方面，海上有着更高的风速及更稳定的风况，因而风力发电条件也更优 

综合考虑下，我组采取海上风电发电

青岛海上平均风功率密度：342瓦/平方米（150m） 有效风能时间年平均为6 485小时，占全年总时数的74%，而我们的总配额换算后为2.75MW，故使用一套swt6.0-154机组足够满足总的供能需求。

1）结构：由一个大型单桩结构支撑，通常埋入地下，提供更高的稳定性。

2）适用场景：适合在海上或软土地区使用，能够应对更强的风力。

3）优点：对环境的影响较小，适合深水风电场，具有较好的抗风能力。

2.具体操作办法

相关组织及主要工作：成立海上风电运营维护委员会，工作重点是确保海上风电场及相关输电网可持续运营的规划和协调。 该委员会由先帝能源署领导，各部门分别负责自然环境、海洋安全及航海、海洋资源开采及电网接入。 

委员标准：委员需具备风电、风机基础和电网技术领域的专业知识。该委员会的委员会检查海上风电送出工程的工程、经济和规划方案，及对电网的影响。

在实际工作中，委员会利用地理信息系统 GIS绘图。GIS地图中标示了每个政府主管部门的预留区域，如帆船航线、环境保护区域、海底电缆等。（考虑航线、环境敏感区、捕捞区域、资源和开采等利益冲突；考虑风况、海水深度、并网方案、海底状况、 海洋生物等因素）将这些地图进行相互重叠整理，就会得到一幅无用海冲突的区域图。评估环境影响后，按照与海岸的距离、风速及水深等因素评估海上风电预留区域。  

化学能：石油

我们的世界选择利用石油进行化工生产。在生产过程中产生的废热将被二次利用。同时，提炼出来的柴油等燃料将被作为备用燃料，当紧急断电时可以通过柴油发电机快速恢复电力。该部分能量占比极小，仅有0.4%，并不是我们世界的主要能源，只是作为化工生产的副产物与应急能源。

储能

1.蓄水储能

建立抽水蓄能发电站，用于长时间储能；

以效率85%计算，建立水头400m，水库深度10m，占地面积1079平方米的水库，最多可储能10000Mwh。

2.  锂离子电池储能系统

全球最大的电池储能系统Hornsdale电池储能系统的总容量为 150 MW（兆瓦），存储能力为 193.5 MWh（兆瓦时）。

我们用同款储能系统，可做到高能量密度储能，且放能快，效率高。

参考文献

1.   ^ Nuttall, Mark. Encyclopedia of the Arctic. Routledge. 2005-09-23: 241 [2019-06-09]. ISBN 978-1-136-78680-8. 

2.   ^ Билибинская АЭС на Чукотке будет остановлена в 2019 году. ИА REGNUM. 2016-03-23 [2021-10-03]..

3.   ^ Work starts on on-shore infrastructure for Russian floating plant. World Nuclear News. 7 October 2016 [12 October 2016]. 

4.刘学刚.乏燃料干法后处理技术研究进展[J].核化学与放射化学,2009,31(S1):35-44.

5.鲜亚疆,庞晓轩,王伟,等.用于反应堆乏燃料贮存和运输的B4C/Al复合材料研究进展[J].材料导报,2015,29(03):45-48.

6.王志俭,刘泉声.密实砂-膨润土混合物膨胀特性的试验研究[J].岩土力学,2000,(04):331-334.DOI:10.16285/j.rsm.2000.04.006.

7.赵璇 等: "低放废液处理技术研究进展", 《中国核学会核化工分会放射性三废处理、处置专业委员会学术交流会论文集》, 15 August 2011 (2011-08-15), pages 10 - 12

8.丹麦海上风电厂Danish Energy Agency的报告

9.国际风力发电网

10. https://www.thewindpower.net/

11. https://globalwindatlas.info/zh

12. http://qdsq.qingdao.gov.cn/