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核电:低碳能源排头兵


——访中国工程院院士徐銤
2016年07月18日 19:18:42 稿源: 《能源评论》 张友良 王伟 发表评论
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编者按:核电曾被认为是最低碳的能源,面对落空的“十二五”核电装机目标,未来应如何保证我国对国际碳减排、应对气候变化的承诺?在核电成为“国家名片”后,拥有自主知识产权的三代、四代核电技术未来前景如何?人类的终极能源——核聚变何时才能实现?本刊日前采访了中国工程院院士、中国核工业集团总公司“快堆”工程首席专家徐銤。他认为,作为我国低碳电力的生力军、排头兵,核电安全是可控的。当下,应下力气研发基于自主产权的三代、四代裂变技术,并加速推进建设,方有可能完成“十三五”目标和节能减排任务。

核电不能再低调

《能源评论》:在应对全球气候变化压力下,与无限风光的风电、光伏相比,核电发展似乎一直都很低调,您如何看待核能与低碳发展的关系?

徐銤:一般认为,水电、太阳能、风电、核电都属于清洁能源。尽管这些清洁能源在发电过程中的二氧化碳排放量都为零,但是如果从设备、系统、整体的角度考虑,把电厂的建设、运维包括在内,则每种新能源发电都存在一定的碳排放。国际原子能机构(IAEA)发布的报告显示,每生产一千瓦时电力,煤炭发电需要排放357克碳当量,光伏发电需要排放76.4克,水力发电需要排放64.4克,风能发电需要排放13.1克,核能只需要排放5.7克。

核能每生产一千瓦时电力排放的碳当量最少,原因就在于,核电的能量密度特别高,只需要一点点燃料,就能释放出很多能量,所以同等规模装机,需要分摊的碳排放自然就少。因此,从积极应对全球气候变化,推动低碳、绿色发展的角度来说,我国要加快发展核电,并赋予其基荷运行地位。

《能源评论》:6月中旬发布的《中国制造2025—能源装备实施方案》中,核电装备被列为保障能源安全供应、推动清洁能源发展的创新行动重点之一,您如何看待核电的前景?徐銤:对,发展核电是能源清洁化的有效途径,尤其是对于我国,有着特别重要的意义。目前,我国是世界第一碳排放国。全球气候变化已经成为大国角力的焦点议题,如何在与发达国家的博弈中,在碳排放交易体系的规则制定中,维护作为发展中国家的权益,成为我国当前面临的一个重大课题。增加谈判筹码的有效途径是,我们尽快、尽可能的降低碳排放的增速。核电作为最清洁的能源,要发挥无可替代的重要作用。世界上有18个国家的核电占比都已经超过了20%,全世界平均水平约为13%,核电大国法国甚至达到了75%。但是,核电在我国电力供应中占比只有2%左右,可以说,我国核电的发展空间很大、前景光明。中国工程院曾经发布了《中国能源中长期(2030~2050)发展战略研究》,认为我国核电发展的合理目标为:2020年装机规模达到7000万千瓦,核电装机占电力总装机的4.6%;2030年达到2亿千瓦,占电力总装机的10%;2050年达到4亿千瓦,占电力总装机的16%。从目前的项目建设进度来看,2020年目标已经落空。

按照“十三五”规划,到2020年,我国运行核电装机容量会达到5800万千瓦,在建3000万千瓦。要实现“十三五”规划目标,我国应该进一步加快核电研发和建设速度。

安全不仅是技术问题

《能源评论》:在福岛核事故后的一段时期内,德国宣布弃核,引发很多国家重新审视核电发展战略。您认为,安全问题是否是核电发展的一个制约因素?

徐銤:福岛核事故只是一个特例,不具有普遍性。从地质条件来讲,日本整个国家都坐落在地壳断裂带边缘,地质灾害频发,本身就不适合建设核电站。大地震及由此引发的海啸是导致悲剧发生根本原因。

事故发生后,确实有一部分国家停止了核电站的建设计划。但是,真正的核电大国,像法国、美国、俄罗斯,根本就没有受到影响。在这些国家,核电站选址是经过严格地质勘探的,不会出现像日本福岛的那种情况。

德国弃核,更多是出于一种政治考量,安全问题不是核心。原因在于,默克尔组成联合政府,需要有绿党参加,而绿党是坚定的反核派。尽管大力发展“风光发电”,但德国弃核导致的电力缺口依然很大。这也造成了一个尴尬而滑稽的局面:德国一方面关停国内的核电,一方面又向法国购买核电。

《能源评论》:但是,安全问题其实一直是核电发展的谈论核心,有哪些措施可以进一步提高核电站的安全性?

徐銤:当然,安全性怎么强调都不为过。一方面,需要在前期选址上下足功夫,主要考察三个方面,一个是地质条件,一个是气候条件,还有一个是水文条件。确保这三个方面都满足建设要求,核电安全就有了外部保障。

另一方面,从核电技术上,也有必要进一步加强安全性。最近,国际原子能机构修订了核电站安全标准,更加明确地提出来三点要求。第一,在任何情况下都能马上停堆。第二,需要具备非能动的余热导出系统。福岛核电站发生事故的次要原因就是因为采用了能动的余热导出系统,结果外部电源被海啸破坏掉之后,余热没办法导出,导致了堆芯熔化。第三,高放射性的废物一定要管制住,确保不会发生泄漏。这三条要求其实原来一直都有,现在规定得更加清楚明确。

《能源评论》:现在正在建设的第三代核电技术,能够满足上述要求吗?我国的三代核电技术处于什么水平?

徐銤:这些安全性要求,第三代核电技术都能够保证。比如堆芯熔化概率已经低于1×10-5/堆年。再比如,更大、更厚的安全壳能够保证商用飞机撞上去也不会导致放射性物质泄漏等等。

法国、美国、俄罗斯都已经拥有第三代技术了,我国自己研制的“华龙一号”也属于三代核电,并已实现出口。在技术方面,我国其实一直处于追赶状态,现在基本赶上国际最高水平,但是运行方面还需积累更多经验。

《能源评论》:对于备受关注内陆核电问题,您认为是否存在安全性问题?

徐銤:从技术角度说,只需要解决三个问题:一是停堆控制,二是余热导出,三是防高放泄露。这些在技术上都已不是问题。

内陆核电发展的关键问题是,如何让当地老百姓接受。实际上,在内陆和在沿海发展核电并没有本质区别。以现在的技术水平而言,核电的安全是可以有保证的。这个时候,做好公众的科普教育就很有必要。要加强核电企业、地方政府、当地群众的沟通交流,让建设核电站是利国利民的好事,可以带动当地经济发展、提升居民的生活水平成为共识。

四代更比三代强

《能源评论》:与二代、三代技术相比,第四代核电技术有哪些突破?

徐銤:首先是在安全性上进一步提高,我国实验快堆的堆芯熔化概率已经低于1×10-6/堆年,而且在任何事故下都不需要厂外应急。其次,四代堆还力求实现大幅度地减少核废料、充分利用铀资源、降低核电站建造和运营成本等目的。

《能源评论》:在第四代核电技术的众多堆型中,钠冷快堆被称为“一号种子选手”,相比于其他堆型,它有哪些优势?

徐銤:现有压水堆技术使用的燃料主要是铀235。然而,在自然界存在的铀中,铀235只占0.7%,99.3%的是另一种同位素铀238,这就造成了现有核电站的铀资源利用率只有1%左右。快堆则不同,它的核燃料为工业钚,主要是钚239,可以由中子轰击铀238得到,因此,压水堆的乏燃料经过后处理可以作为快堆的燃料使用,从而更加充分地利用铀资源。通过燃料的增殖与循环,铀资源利用率可以提高到60%~70%。

钠冷快堆之所以备受推崇,还因为在四代堆中,只有它经过很多年实践验证了其可行性。自1946年在美国建成第一座实验堆至今,世界上先后建成20多座钠冷快堆。其他的堆型,都有过设计,但基本上没有为民用建造、推广过,有很多问题尚未解决。譬如铅冷快堆,在高温状态下,铅会把核燃料元件的包壳腐蚀掉,导致燃料泄露以及停堆事故,近20年来,才研究出控制材料腐蚀的技术。铅冷快堆还有一个弊端,就是辐照之后会释放一种高放射性废物钋210,半衰期长达138年,而且它是游走性的,对环境来说是一个大问题。

《能源评论》:我国已有钠冷快堆技术,按照“三步走”发展战略,您预计,未来商用还需要多久?

徐銤:目前,示范快堆正在设计阶段,站址福建霞浦也正在进行前期准备工作,2017年年底就可以投入建设,预计2023年建成并装料开始启动。经过一段试运行后,再总结经验、优化流程,就可以考虑示范快堆逐步推广的事情了。如果进展顺利,到2028年,120万千瓦的商用快堆就可以建成。

《能源评论》:三代堆也才刚刚进入商用阶段,如果钠冷快堆能够在2028年实现商用,到时候会不会出现三代堆与四代堆相互竞争的局面?

徐銤:实际上,不会存在相互竞争问题。只要国内外铀资源能提供,三代堆会继续建造。钠冷快堆开始阶段需要压水堆乏燃料后处理提供工业钚,工业钚提供的越多,钠冷快堆就建的多,将来快堆增殖钚就多,堆就建的更多,如此可逐步将高碳燃料顶替下来,这是我们的希望。

《能源评论》:您刚才提到,未来要建设120万千瓦的商用大堆,对目前核电发展的另一个方向小型化,您如何评价其应用前景?

徐銤:国际上有相关研究,例如美国的GE公司正在研发模块化小型反应堆。我国也在供暖、船舶等领域进行试验示范。大型钠冷快堆增殖能力强,根据国情,我还是建议发展更大型的钠冷增殖快堆。

举例说,60万千瓦的钠冷快堆增殖比可能是1.1,也就是烧掉1公斤钚239,可以得到1.1公斤的钚239;120万千瓦的快堆,增殖比能够达到1.5。这样,就可以很快地积累起新的燃料再建新堆,反应堆倍增时间在十年以内。我曾经做过测算,如果按照这个速度尽快地扩建,到2090年左右,核电就能够供应我国所有的用电需求。

《能源评论》:一般来看,先进的技术往往成本会比较高。您认为,钠冷快堆在经济性方面会有竞争力吗?

徐銤:经济性更多体现在商用环节,而且与应用规模有一定关系。 在我国钠冷快堆目前还在发展过程中,实验堆、原型堆时期,最为重要是安全性,一定要保证系统的安全可靠。到示范堆阶段,一要保证安全性,二要保证设备的可靠性,三才考虑经济性问题。而等到真正的商用堆阶段,要考虑安全性、可靠性和经济性。到商用堆阶段相应的成本会下降,规模效应也可以保证建造费用有一定幅度的下降,具体成本收益数据,还需等到推广商用后才能最终确定。不过,初步测算,钠冷快堆的建造成本应该会略高于二代堆,但比三代堆AP1000要低一些。当然,这些都要在推广的条件下来对比,仅以制造费用为例,传统压水堆由于压力关系,要采用很多大型锻件,所用钢板都是200毫米厚的钢板,制造费用非常高。中国实验钠冷快堆的压力容器,我们称为主容器,所用钢板只需25毫米厚的钢板围起来焊接即可,不需要使用锻件,成本就降低了很多。

聚变前景不明朗

《能源评论》:有观点认为,可控核聚变才是人类能源的终极未来。您对核聚变的发展前景怎么看?

徐銤:对不起,核聚变不是我的专业。核聚变其实已经研究了许多年,与核裂变研究差不多同时起步,但是进展非常慢。在“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”设立10多年来,各国联合攻关。到目前为止,仍不能向反应堆持续加入氘和氚进行连续反应。现在看来,真正商用的话,绝不是三五十年的事。

《能源评论》:现在的问题在哪里?是否会影响人们对现有裂变技术应用的信心和进程?

徐銤:热核聚变目前的主流路线有托卡马克、仿星器。但都存在不可控的问题。如果能实现稳定约束持续反应,热核聚变可能就会进入快速发展阶段。如果总是打一枪停下来,再打一枪,再停下来,就没有办法实现商业利用。

除了耐高温材料外,另一个核心问题是如何维持强磁场。王淦昌院士曾怀疑,核聚变用磁约束的办法没有前途,因为规模小了没有意义;规模大了,很难让磁场在保持强大磁力的同时,还要维持超高的温度。因此,人们在对核聚变憧憬的同时,不能停下对现有核裂变技术的研发、推广、应用的步伐。正如世界著名核物理学家Enrico Fermi所言:“会建增殖堆的国家就永远解决了能源问题”。

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