核電-一至四代核電技術(shù)發(fā)展方向方分析_研究報(bào)告

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2010-2015年中國(guó)煤氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)深度調(diào)研及投資預(yù)測(cè)

【出版日期】 2010年11月【報(bào)告頁(yè)碼】 350頁(yè) 【圖表數(shù)量】 150個(gè)

2010年有色金屬行業(yè)深度咨詢與風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告

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2010年銅冶煉及壓延加工行業(yè)投資風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告

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2010年鋁冶煉及壓延加工行業(yè)投資風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告

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1942年12月2日，美國(guó)芝加哥大學(xué)足球場(chǎng)西看臺(tái)下的一個(gè)室內(nèi)網(wǎng)球場(chǎng)里，費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)他的團(tuán)隊(duì)成功完成了第一座原子核反應(yīng)堆的首次自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)驗(yàn)。此時(shí)的他，可能并沒(méi)有想到，人類會(huì)由此出發(fā)，在探索利用核能技術(shù)提供日常能源的道路上走得那么遠(yuǎn)。

1954年，蘇聯(lián)建成電功率為5000千瓦的實(shí)驗(yàn)性核電站；1957年，美國(guó)建成電功率為9萬(wàn)千瓦的希平港原型核電站，開(kāi)啟了第一代核電站開(kāi)發(fā)與建設(shè)的序幕。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，核電技術(shù)已由第一代走到第四代。不僅如此，圍繞著核燃料的穩(wěn)定供應(yīng)、核廢料的安全處置等問(wèn)題，新的技術(shù)方向也在不斷涌現(xiàn)。與此同時(shí)，核聚變發(fā)電也正在由夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。在由林林總總、神秘難解的核電前沿技術(shù)構(gòu)成的迷局中，風(fēng)到底在往哪個(gè)方向吹呢？

從第一代到第四代：?jiǎn)栴}在不斷變化

當(dāng)《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者在徐銤的辦公室里見(jiàn)到他的時(shí)候，這位中國(guó)試驗(yàn)快堆工程指揮部的總工程師剛從日本回來(lái)。他此次赴日，是參加由日本主辦的以快堆為主題的國(guó)際顧問(wèn)會(huì)議，目前正在發(fā)展快堆的法國(guó)、印度、韓國(guó)等六個(gè)國(guó)家的代表悉數(shù)到場(chǎng)。快堆建設(shè)的火熱程度由此可見(jiàn)一斑。

作為世界上第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的首選堆型，快堆代表了第四代核電技術(shù)的發(fā)展方向。第四代核電技術(shù)包括6種堆型，分別是鈉冷快堆、鉛冷快堆、氣冷快堆、超臨界水堆、熔鹽堆和超高溫堆，其中快堆就占了3種。由徐銤所在的中國(guó)原子能科學(xué)研究院自主研發(fā)的中國(guó)第一座快中子反應(yīng)堆——中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆屬于鈉冷快堆，而鈉冷快堆是所有堆型中的“種子選手”，已建過(guò)18座，其余的堆型尚停留在技術(shù)研發(fā)階段。

從第一代到第四代，推動(dòng)核電技術(shù)不斷向前發(fā)展的動(dòng)力主要源自哪里？徐銤告訴記者：“對(duì)核電技術(shù)來(lái)講，安全是最重要的�！�

我國(guó)從上世紀(jì)70年代發(fā)展第一代核電技術(shù)伊始，就十分注重安全性問(wèn)題。鑒于原子彈爆炸所產(chǎn)生的巨大破壞力，人們擔(dān)心核電站也潛在類似的威脅，對(duì)核能產(chǎn)生裝置（如核電站）在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的各種放射性核素的輻射問(wèn)題十分關(guān)注。因此，第一代核技術(shù)的首要目標(biāo)就是解決安全問(wèn)題，而這也貫穿了核電技術(shù)發(fā)展的始終。

上世紀(jì)七八十年代是核電工業(yè)的黃金年代，因石油漲價(jià)引發(fā)的能源危機(jī)促進(jìn)了核電的發(fā)展。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）提供的數(shù)據(jù)顯示，世界新增核電站的速度在1985年達(dá)到頂峰。目前，世界上商業(yè)運(yùn)行的400多座核電機(jī)組絕大部分是在這段時(shí)期建成的，稱為第二代核電機(jī)組。徐銤認(rèn)為，隨著第二代核電技術(shù)的發(fā)展，除了安全性之外，人們也開(kāi)始考慮經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。這兩個(gè)問(wèn)題也是第三代核電技術(shù)致力解決的主要目標(biāo)。

1986年切爾諾貝利事件讓核工業(yè)進(jìn)入了歷史上最寒冷的冬天，新建核電站數(shù)量直線下降。因?yàn)榕f核電站退役的緣故，1998年的核電總裝機(jī)容量甚至出現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng)。由于大部分現(xiàn)役核電站都是在上世紀(jì)七八十年代興建的，而老式核電站的設(shè)計(jì)年齡大都不超過(guò)40年，核電站的退役高峰期即將來(lái)臨。

進(jìn)入21世紀(jì)后，核電行業(yè)又被注射了一針強(qiáng)心劑，那就是全球氣候變化。作為一種當(dāng)之無(wú)愧的清潔能源，對(duì)有減排壓力的國(guó)家來(lái)說(shuō)，建核電站又有了一個(gè)新的理由。自2004年開(kāi)始，核電復(fù)興的浪潮漸漸成形。全世界現(xiàn)有42座用于發(fā)電的核動(dòng)力堆正在建設(shè)，預(yù)計(jì)2010年～2020年期間，全球?qū)?huì)建設(shè)更多的核電站。

徐銤認(rèn)為，正是在核電大規(guī)模建設(shè)和核廢料處理的雙重壓力下，催生了以快堆為代表的第四代核電技術(shù)的快速發(fā)展，而其主旨就是要解決核電的可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。

可持續(xù)發(fā)展：快堆的“雙管齊下”

據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2010年5月，全世界共有438座反應(yīng)堆在運(yùn)行。這些反應(yīng)堆絕大多數(shù)是由熱中子引發(fā)裂變反應(yīng)，因而又被稱為熱堆。熱堆消耗的主要核燃料是鈾235。自然界中鈾235的蘊(yùn)藏量?jī)H占0.71%，其余絕大部分是鈾238，占99.2%。

徐銤告訴記者，大力發(fā)展核能已成為我國(guó)能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃的戰(zhàn)略重點(diǎn)。目前，我國(guó)現(xiàn)役的核電機(jī)組有11個(gè)，裝機(jī)容量為9.1吉瓦，占全國(guó)發(fā)電總量的1.3%。按照國(guó)家發(fā)展改革委最新的核電發(fā)展規(guī)劃，2020年我國(guó)在役核電機(jī)組將達(dá)到70座以上，裝機(jī)容量達(dá)到70吉瓦，占總裝機(jī)容量的5%以上。據(jù)估計(jì)，2030年核電比例將達(dá)到約10%；2050年將可能超過(guò)400吉瓦，比目前全世界核電裝機(jī)容量的總和還要多。

“這將給核燃料供應(yīng)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)�！毙煦澱f(shuō)，如果繼續(xù)采用熱堆技術(shù)，240吉瓦壓水堆運(yùn)行60年就需要240萬(wàn)噸天然鈾，而全世界每公斤130美元以下的鈾資源只有不足500萬(wàn)噸。

鈾資源有限，又需要發(fā)展大規(guī)模核能，徐銤指出，在這種情況下，唯一的辦法是盡力發(fā)展壓水堆，總裝機(jī)容量越大越早越好，為快堆提供初裝钚，同時(shí)加快發(fā)展快堆，通過(guò)良性的產(chǎn)業(yè)循環(huán)，提供更多日常能源。

據(jù)介紹，快堆技術(shù)之所以能夠破解鈾資源難題，是因?yàn)榭於训娜剂喜皇氢?35，而是钚。钚產(chǎn)生裂變反應(yīng)時(shí)放出來(lái)的快中子，被裝在快堆堆心外圍再生區(qū)的鈾238吸收，變?yōu)殁?39。鈾239經(jīng)過(guò)幾次衰變后轉(zhuǎn)化為钚239。在大型快堆中，平均每10個(gè)鈾235原子核裂變可使12至15個(gè)鈾238轉(zhuǎn)變成钚239。這樣，钚239裂變，在產(chǎn)生能量的同時(shí)，又不斷地將鈾238變成可用燃料钚239，而且再生速度高于消耗速度，核燃料會(huì)越燒越多，快速增殖，所以這種反應(yīng)堆又稱快中子增殖堆。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)提供的數(shù)據(jù)顯示，發(fā)展快堆，可以將鈾資源的利用率提高到60%～70%。這也使得更貧鈾礦有了開(kāi)采價(jià)值，世界上可采的鈾資源將提高1000倍。

“另外，如果采用快堆技術(shù)，就不需要尤卡山這樣的地方了�！毙煦澱f(shuō)。今年3月，美國(guó)耗資90億美元、歷時(shí)22年建設(shè)的尤卡山計(jì)劃終止了。該計(jì)劃的初衷是要解決永久性掩埋核廢料的問(wèn)題。

徐銤解釋說(shuō)，壓水堆核燃料在燃燒之后，會(huì)產(chǎn)生具有高放射性的乏燃料，其處置需要耗費(fèi)巨大資金。不過(guò)，如果將乏燃料進(jìn)行處理，放入快堆中回收利用，放射性物質(zhì)的衰變期將從幾百萬(wàn)年變?yōu)閮扇倌�，同時(shí)還能大大減少核廢物處置量，由此降低乏燃料貯存的長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于利用快堆技術(shù)解決核廢料，徐銤充滿了信心：“從2030年開(kāi)始，每隔10年建6個(gè)較小的用于嬗變的快堆，把高放廢物變成一般的裂變產(chǎn)物。這樣做的話，核廢料就不成問(wèn)題了。”

先進(jìn)裂變核能：剛剛起步的長(zhǎng)征

今年1月，中國(guó)科學(xué)院宣布，今年將啟動(dòng)5個(gè)先導(dǎo)科技專項(xiàng)，其中之一就是未來(lái)先進(jìn)核裂變能。

不管是對(duì)學(xué)術(shù)界還是產(chǎn)業(yè)界而言，“先進(jìn)核裂變能”都是一個(gè)新鮮的詞匯。對(duì)此，在接受《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者采訪時(shí)，中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)局大科學(xué)工程與核科學(xué)處副處長(zhǎng)彭子龍的解釋是：“‘未來(lái)先進(jìn)核裂變能’專項(xiàng)的定位，就是瞄準(zhǔn)核燃料的穩(wěn)定供應(yīng)和核廢料的安全處置兩大關(guān)鍵問(wèn)題，開(kāi)展釷基核能系統(tǒng)和加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)（ADS）嬗變系統(tǒng)兩大內(nèi)容的前瞻性、基礎(chǔ)性研究，儲(chǔ)備未來(lái)先進(jìn)核能的核心技術(shù)和人才，并與我國(guó)已有或正在部署的其他重要內(nèi)容一起，構(gòu)成近中遠(yuǎn)相結(jié)合的核能發(fā)展完整布局，保障其長(zhǎng)期持續(xù)發(fā)展�！�

彭子龍表示，該專項(xiàng)的目標(biāo)之一是要滿足核燃料多樣化的要求。與鈾238類似，釷232也是潛在的核燃料，它吸收一個(gè)中子后轉(zhuǎn)變?yōu)橐琢炎兊拟?33。與現(xiàn)有的核電前沿技術(shù)相比，基于釷鈾燃料循環(huán)的釷基核能系統(tǒng)具有許多突出優(yōu)勢(shì)。例如，釷資源豐富，地殼中的釷儲(chǔ)量是鈾的3～4倍，我國(guó)的釷資源已探明儲(chǔ)量居世界前列，同時(shí)核廢料少、放射性低等。

“專項(xiàng)的另一目標(biāo)是要徹底解決核廢料的長(zhǎng)周期放射性問(wèn)題�！迸碜育堈f(shuō)，目前國(guó)際核能界正致力于發(fā)展核的嬗變技術(shù)，以便于進(jìn)一步對(duì)分離出來(lái)的核廢料在經(jīng)嬗變（使其放射性壽命從數(shù)百萬(wàn)年降低到約700年）后再地質(zhì)深埋，從而使人類能夠在現(xiàn)有的技術(shù)條件下（特別是材料）較好地保證安全性。

就理論而言，快中子反應(yīng)堆和ADS系統(tǒng)都能嬗變核廢料。不過(guò)，據(jù)彭子龍介紹，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)研究認(rèn)為，ADS具有更高的中子余額和更硬的中子能譜，對(duì)嬗變更有利，是安全處置核廢料最有潛力的工具。在多次組織院士就此問(wèn)題咨詢時(shí)，得出的結(jié)論是：“從我國(guó)核能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的地位看，快堆側(cè)重于核燃料增殖，ADS側(cè)重于核廢料嬗變，是比較合理的選擇�！�

在徐銤看來(lái)，對(duì)釷基核能系統(tǒng)的研究現(xiàn)在還只是處于科研階段，還有大量的基礎(chǔ)工作要做。作為未來(lái)核電技術(shù)的一種替代性選擇，目前可以著手進(jìn)行一些預(yù)研性工作，為未來(lái)的發(fā)展指明方向。

談及ADS系統(tǒng)，徐銤表示，中國(guó)原子能科學(xué)研究院已與中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所就此展開(kāi)相關(guān)合作，但具體項(xiàng)目尚未啟動(dòng)。

核聚變：不會(huì)是終極

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）被人們形象地稱為人造太陽(yáng)，其目的是建造一個(gè)聚變實(shí)驗(yàn)堆，探索利用聚變能發(fā)電的科學(xué)和工程技術(shù)可行性，為實(shí)現(xiàn)聚變能商業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

中國(guó)工程院院士萬(wàn)元熙是ITER科學(xué)技術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)主席和總體控制與協(xié)調(diào)中方代表。在接受《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者采訪時(shí)，他表示，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，核聚變研究在全世界核聚變界的共同努力下，取得了重大進(jìn)展，而其最大的成績(jī)就是建設(shè)了ITER。

萬(wàn)元熙并不諱言，對(duì)于ITER，在國(guó)內(nèi)和國(guó)際上都一直存在著支持和反對(duì)兩派。他認(rèn)為，反對(duì)的主要原因是因?yàn)镮TER需要吸納相當(dāng)多的科研經(jīng)費(fèi)，而這會(huì)影響到其他項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)投入�！皩�(shí)際上，反對(duì)者很多都不是這個(gè)領(lǐng)域的�！比f(wàn)元熙說(shuō)。

ITER是托卡馬克型聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。托卡馬克是俄語(yǔ)環(huán)形磁容器的簡(jiǎn)稱，是核聚變物理實(shí)驗(yàn)裝置，其原理是利用環(huán)向磁場(chǎng)對(duì)等離子體進(jìn)行約束，在這個(gè)環(huán)形磁容器內(nèi)將聚變?nèi)剂霞訜嶂翗O高溫，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可控核聚變。

2006年9月26日，由萬(wàn)元熙主持完成的EAST超導(dǎo)托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置首次成功放電，標(biāo)志著世界上第一個(gè)全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置已在中國(guó)首先建成并正式投入運(yùn)行。對(duì)此，萬(wàn)元熙謙虛地表示：“如果將ITER比作未來(lái)的大天鵝，那EAST就是小麻雀。麻雀雖小五臟俱全，EAST裝置對(duì)ITER的物理基礎(chǔ)和運(yùn)行，特別是在長(zhǎng)脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方面將作出重要貢獻(xiàn)，因而受到世界的重視�！�

對(duì)于EAST的目標(biāo)，萬(wàn)元熙作了這樣一個(gè)比喻，如果將ITER初期釋放能量的方式比作一閃一閃的霓虹燈，而EAST想做的就是為ITER連續(xù)運(yùn)行提供某些物理和工程技術(shù)基礎(chǔ)。雖然目前ITER距離未來(lái)實(shí)用能源還有一段距離，但EAST可以提供一些先行的經(jīng)驗(yàn)。

萬(wàn)元熙自豪地表示，現(xiàn)在全世界研究核聚變最著名的研究所所長(zhǎng)都來(lái)和我們中國(guó)年輕的所長(zhǎng)一起探討工作，這說(shuō)明中國(guó)確實(shí)已開(kāi)始在核聚變研究方面發(fā)揮作用。

萬(wàn)元熙認(rèn)為，對(duì)ITER來(lái)說(shuō)，最重要的是要用一切辦法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，以便能夠獲得可供人類使用的聚變能量，而不僅僅是短暫的聚變功率。這不只是研究的問(wèn)題，還在于各國(guó)投多少錢(qián)。因?yàn)镮TER現(xiàn)在已經(jīng)不只是擺在實(shí)驗(yàn)桌上的設(shè)備，而是需要在最后工業(yè)化應(yīng)用之前進(jìn)行中試、大試，而這必然需要投入大量經(jīng)費(fèi)�！半m然20年前ITER就已具備物理工程基礎(chǔ)，但因?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)大、需要的經(jīng)費(fèi)多，所以一直在探討，沒(méi)有及時(shí)作出建造決定”。

2006年，歐盟、美國(guó)、俄羅斯、日本、中國(guó)、印度和韓國(guó)7方簽訂了建造ITER的合作協(xié)議，標(biāo)志著該項(xiàng)目的啟動(dòng)。ITER項(xiàng)目預(yù)期持續(xù)30年，10年做工程建設(shè)，20年用于運(yùn)行，最初估計(jì)建造總經(jīng)費(fèi)約50億歐元，其中歐盟承擔(dān)約46%，其余6方各承擔(dān)9%。

然而，今年5月，歐盟委員會(huì)發(fā)布的一份備忘錄稱，ITER項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)由于材料費(fèi)用劇增和增設(shè)安全設(shè)施等諸多因素，導(dǎo)致歐盟自己的預(yù)算經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重不足，外界因此議論：經(jīng)費(fèi)增加可能使項(xiàng)目面臨下馬危險(xiǎn)。

對(duì)此，萬(wàn)元熙表示，目前這一問(wèn)題已得到妥善解決。今年7月27日～28日，在法國(guó)卡達(dá)拉舍召開(kāi)的ITER理事會(huì)特別會(huì)議上，各參加國(guó)已批準(zhǔn)ITER項(xiàng)目建設(shè)的總經(jīng)費(fèi)計(jì)劃。作為參加ITER項(xiàng)目的一方，歐盟自己將從第七框架計(jì)劃（FP7）2012～2013年的研究經(jīng)費(fèi)中重新分配4.6億歐元用于ITER項(xiàng)目，此外再?gòu)臍W盟尚未使用的預(yù)算中轉(zhuǎn)移4億歐元，剩余5.4億歐元來(lái)源將在2010年10月進(jìn)行預(yù)算協(xié)調(diào)時(shí)予以確認(rèn)。至此，ITER項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)問(wèn)題已塵埃落定，全部經(jīng)費(fèi)約增加20%左右。

談及核裂變與核聚變的關(guān)系，萬(wàn)元熙坦陳，核聚變是未來(lái)能源，目前不可能替代裂變。在提供能源方面，核裂變和核聚變技術(shù)的發(fā)展并不會(huì)沖突，而是可以互相促進(jìn)。“而且，就核反應(yīng)或核技術(shù)而言，目前以氘氚為基礎(chǔ)的核聚變也不會(huì)是終極。未來(lái)也許還會(huì)出現(xiàn)更有挑戰(zhàn)、更加理想的核聚變能源，為人類提供更加‘清潔’的新能源”。

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一至四代核電技術(shù)發(fā)展方向方分析