核能发电的优点及世界核电发展动向

作者简介:史永谦(1940-),男,河南获嘉人,研究员,从事反应堆物理,核临界安全及洁净核能研究。

核能发电的优点及世界核电发展动向

史永谦

(中国原子能科学研究院,北京102413)

摘 要:首先介绍了核电在资源、环境和经济性方面的情况,指出核电用的核燃料在地壳和海洋中的储藏量在相当长的时间内不会因为一定规模的核动力应用而出现资源紧张的状况;核电是各种能源中温室气体排放量最小的发电方式,核电与其他发电方式在经济方面具有可比性。然后介绍了世界各国和我国核电的发展趋势,最后提出面对发展核电的大好局面应注意的问题。关键词:核电;核燃料;环境保护;核电发展趋势

中图分类号:TM 623 文献标识码:A 文章编号:1004-3950(2007)01-0001-06

B enefits of nuclear po w er generation and status of worl d

nuclear power devel op ment

S H I Yong-q i an

(Ch i na Instit u te A to m ic Ene rgy ,Be iji ng 102413,Ch i na)

Abstrac t :The paper g ives the sta t us o f nuc l ea r pow er about nuc l ear fuel resource ,env i ron m enta l protection and genera -ti on econo m y ,w hich is t o say ,nuclear fue l resource i s abundant for nuc l ea r pow er .The e m issi on of CO 2,wh i ch leads to green house e ffect ,is m i ni m u m i n a ll types o f g enerati on and the gene ration i s competiti ve w ith o t hers i n electr ic pr i ce .Then nuc l ear pow er develop ment tendency i n the w or l d i s a lso presented and som e prob le m s t hat shoul d be paid attenti on to i n t he period o f deve l oping nuc l ear pow er are g iven .

K ey word s :nuc l ear pow er ;nuc l ear f ue l resource ;env iron m enta l protection ;nuc lear po w er deve l op m ent tendency

0 引 言

随着世界人口的持续增长及发展中国家人民

生活水平的逐步提高,化石燃料的消耗将会加快,加强可再生能源的利用得到强烈响应,风能、太阳能、水能及生物质能等越来越受重视。但这些能源或多或少尚有问题,如风能、太阳能的持续供电问题,水能及生物质能的资源有限问题等,因此核能理所当然地为人们所重视。

目前,世界核电的供应已达到总电力供应的16%。有不少国家核电已占总供电量的1/3;全球正在运行的反应堆核电站为441座,正在建设的反应堆核电站为107座,总装机容量为351.2G W,反应堆运行史为8800堆年。在今后5年内,加拿大、中国、印度、伊郎、巴基斯坦、俄罗斯、南非以及欧共体的一些国家将建设和更新近20座核电站,美国和英国在2007年之前有可能

接到15座反应堆的订单。

20世纪,核能首先是应用在作为武器的军事方面,后来才作为一种新能源用于民用核动力工业,从而开辟了发展能源工业的一条新路,改变了全球燃料资源有限的状况,改善了化石燃料燃烧时所造成的环境污染。核电作为清洁能源目前已被世界大多数人们所认识。核电厂本身既不排放SO 2,NO x 和烟尘,也不排放形成温室效应的CO 2等气体,只要能确保安全运行,核电站对环境的影响是极小的,排放到环境的反射性气体在严格的监督和控制之下,周围的居民由此受到的辐射剂量小于来自天然本底的1%。

核能在经过了1979年美国三哩岛核电站2号机组发生严重事故和1986年苏联切尔诺贝利核电站4号机组发生严重事故的低潮后,现在又迎来核电建设的新高潮,这正是体现了人们生活在一个理性的、开放的、公平的世界中。

各种能源技术的发展和它们在世界能源领域的地位主要由燃料资源及其对环境的影响所决定,但根据其经济效果,一些能源的可接受性也会受到影响。下面就燃料资源、环境影响和经济性对核能进行初步分析。

1.1核能资源

核能包括重核的裂变能和轻核的聚变能。目前已经商用化的裂变能是热中子反应堆,将要实现商用化的是快中子反应堆。将来聚变能一旦实现商用化,那将为人类提供无穷无尽的洁净的核能。

裂变能的核燃料在地壳和海洋中的储藏量,即使比较保守的估计,在相当长的时间内不会因为一定规模的核动力应用而出现资源紧张的状况。世界已勘探的开采成本低于130美元/kg的铀资源为3.95@106,t低于80美元/kg的铀资源为3.00@106,t低于40美元/kg的铀资源为1.25 @106t。目前开采的均为20~40美元/kg低生产成本铀[1]。现在地球上还有很大部分地区未经勘探,其铀资源可望扩大上述估计量的4~5倍。而低品位的铀矿储量则要提高几个量级。按20世纪末的核电发展速度,可供轻水堆75a或快中子增殖堆5000a需用。总之,如果为了减少温室气体排放而大规模地利用核能发电,即使是应用当前的燃料循环工艺,铀资源也不会成为一个因素,何况还有丰富的钍资源。

1.2环境影响

核电是各种能源中温室气体排放量最小的发电方式。国际原子能机构(I A EA)1998年公布的从1992年会同其他8个国际组织一起进行的各种发电能源比较研究项目,对于不同能源作了包括发电厂上游和下游在内的能源链的温室气体排放量估计,核电的CO2当量排放量只有现行化石燃料发电的1/100~1/40。图1给出了该研究项目各种类型能源温室气体排放量的估计[2]。核能温室气体排放源大部分来自于核燃料-铀的提取、加工、富集过程以及建筑材料钢和水泥生产过程而消耗的化石燃料。从图中可看出,核电温室气体排放量甚至小于水电、风力或生物质能。这是因为水电站除了水库中腐烂植物分解产生的C H4外,水坝所用大量建筑材料的生产也会造成很大的CO2排放量;而风力和太阳能发电的分散性要求使用大量的建筑材料,为弥补其间歇性所需要的备用电厂将导致产生附加的C O2排放量;生物质能如果不是利用稻草、路边草、锯末等副产品,而需要另行栽培植物,则肥料生产和作物收割

均引起可观的温室气体排放量。

图1整个能源链的温室气体排放比较

1.3核电的经济性

发电的成本由三部分组成,即投资费、燃料费和运行费,它们在核电、煤电和气电中各不相同,表1给出了几种发电成本的比较。可以看出核电的投资费比重(约60%)几乎等于煤电的燃料费比重,而核电的燃料费比重(25%)则等于或小于煤电的投资费比重。这就意味着,投产后核电厂的发电成本受燃料价格波动影响远小于煤电厂,而天然气发电成本受燃料价格波动影响最大。根据OECD/NE A-I EA估计核电厂基础价(一般指在项目可行性研究阶段作经济分析时测算的基建投资,未计入物价上涨因素和建造期间利息。这里按1996年7月1日美元汇率计)约为1500~ 2200美元/k W,煤电厂为1100~1350美元/k W,气电厂为600~800美元/k W。当然各国由于劳动工资、材料和设备价格、管理、基础设施、厂址条件的差异等会有一定的差别,这里只是一个参考。为了减少核电厂基础价,核电工作者采取一厂建设多套装置,可节省前期工程费和公用设施费,采用标准化、系列化和国产化等措施,可减少投资15%~20%。需要指出的是估计核电厂基础价时不包括/外部成本0,即不由电力公司承担的环境与健康损害代价,它是伴随能源利用的人与自然生态系统、人类环境影响的社会费用,由于不反映市场价格,所以称为外部成本(外部代价,外部性)。例如由于酸雨气体排放造成的农产品歉收、由于污染物排放造成的居民额外医疗费用等等。而核电的很多环境损害代价已内部化,即包括在核电成本以内。

表1标准化发电成本的组成1)%

核电站煤电站气电站投资费43~7023~4513~33

燃料费13~3035~6553~84

运行维修费17~316~283~19合计100100100

注:1)在5%贴现率的条件下。

而欧洲委员会2003年9月3日发表的《外部成本:关于电力和输电对社会环境损害的调查结果》中指出:以外部成本进行比较时,欧盟15个成员国中核电在基本负载中社会环境(外部)成本最低,当然英国和德国的风力发电除外。在德国1k W h电量的外部成本分别是:核电0.22欧分,风力发电0.06欧分,天然气发电1.1~2.2欧分,生物质发电3.4欧分,煤炭及褐煤发电3.4~ 6.7欧分,石油发电5.6~9.0欧分。而法国和比利时为无风力发电的国家,核电的外部成本最低。

值得一提的是,在考虑经济性时,目前各国对化石能和核能的是不公平的。对于核电,多数国家的电费中已包括了核燃料的储藏、处理和最终处置核废物的费用。而对于化石能源,这些国家的却允许废物自由排放到环境中。

在考虑经济性时,另一个值得注意的是所谓的/碳值0(Carbon V alue)问题。碳值就是指排放CO2应付出的代价或不排放CO2所具有的价值。世界能源机构报告表明,当/碳值0为20美元/t 时,利用煤炭、重油和天然气发电的综合成本将分别增加36%、12%和11%。

2国际核能发展动向

2005年3月21-22日在法国巴黎召开世界核能级会议,会议组织者是国际原子能机构(I A EA)和经济合作与发展组织,有29个国家的负责能源和原材料的、74个国家的代表团和10个国际组织的成员代表参加。法国工业部德维让在致开幕词时说:/由于安全、可靠和良好的公众认知,核能将在未来世界能源中扮演持续角色。0与会代表一致认为世界必然将面对能源的快速增长、能源供应不平衡、成本的暴涨、将来石油和天然气的枯竭和气候变化等问题,并一致认为21世纪核能的增长是必然的。与会者还认为虽然核电不是解决能源短缺和气候变暖的唯一方式,但它是清洁的、成本具有竞争力、能够满足工业需求并可24h连续供电。比较而言,可再生能源不释放CO2,也不会枯竭,但它是间歇的、分散的,并且成本较高。

下面介绍几个主要国家和地区核电发展情况。

2.1美国

美国在核科技研究领域与开发方面,始终保持着世界主导地位。美国是世界第一核电大国,目前运行的核电机组为104台,装机容量达970 G W,占世界核电装机容量的29%,为美国提供了20%的电力。美国目前的电力供应结构,除核电占20%外,其它70%为石化燃料提供(煤、天然气和石油分别占50%、17%和3%),7%为水电,2%为可再生能源,其余为1%。最近几次调查显示70%的美国人支持核电,这是自上世纪80年代以来的最高水平。

预计21世纪美国的电力将大幅提高。能源信息局的预测表明,2030年美国的发电装机容量将在目前的970G W的基础上新增345G W以上。核电如果在2030年仍旧保持20%的份额,必须新增6000万k W的核电装机容量,即60台百万k W级核电机组。美国从其国家最高利益出发,美国能源部2006年2月6日提出了新的核能发展战略)))/全球核能伙伴0(G lobal Nuclear En-ergy Partnership,GNEP)倡议。GNEP计划有四大目标:(1)减少美国对国外化石能源资源的依赖;

(2)采用新的防核扩散技术,获得更多的能源,产生更少的废物;(3)鼓励全世界发展洁净能源;

(4)采用新技术,降低全球核扩散风险。其中心是发展核能和防止核扩散。

早在2001年,美国总统批准的国家能源就要求将核能作为关键能源扩大利用,以保证长期的能源安全。2002年美国开始实施2010年核电计划,即开发更安全更经济的新一代核电站。2005年,布什总统签署了一项法案(EP ACT 2005),授权为实施2010年核电计划提供资金。在资金提供方面,即使在2010年核电计划开始之前,美国能源部每年给所属单位下拨的经费就达260亿~270亿美元,其中十大核研究中心的拨款情况如表2。

表2美国十大国家实验室2002年财政年度经费

实验室经费投入/亿美元

洛斯#阿拉莫斯国家实验室(LANL)15.7

桑地亚国家实验室(S N L)13.0

劳伦斯#利弗莫尔国家实验室(LLNL)12.3

橡树岭国家实验室(ORNL)7.9

洛基平原环境技术实验室(RFETL)67.0

爱达荷国家工程与环境实验室(I NEEL)6.6

布鲁克海文国家实验室(B N L)3.8

阿贡国家实验室(ANL)3.8

费米国家加速器实验室(FNAL)3.1

太平洋西北国家实验室(PNL)2.6

2.2欧洲

目前欧洲有近135个核反应堆在运行,总装机容量为125GW,占欧洲总发电量的35%。其中英国和法国具有一定的代表性。

欧洲各国中英国面临的能源压力最大,如果不尽快建设新电站,5年以后英国将面临灯光管制和能源账单飞涨的局面。布莱尔首相于2005年曾宣布了一项广泛的国家能源需求评估,希望能建造新的核电站并且扩大再生能源的使用,并宣布可能在英国境内新建6~8座反应堆;英国最大的制造业联盟也声明支持恢复国家后备的核电计划,称核电计划可以帮助避免能源危机。另外,其官方计划举办宣传活动,寻求公众对核电的支持。英国目前有12座核电站,大部分建于上个世纪六七十年代,其核电提供了25%的电力份额,天然气发电的比例为40%。

法国是世界上核电占电力比例最高的国家,核电约占总发电量的80%,并向周边国家输出电力,但法国仍在积极发展核电。法国电力公司2004年10月公布了弗拉曼维尔(Fla m av ille)核电3号机组(欧洲压水堆EPR,160万k W)正式列入建设计划,预计2007年动工建设,2012年投入使用。如果计划进展顺利,能成为继2002年投入运行的希波核电站2号机组(压水堆,156.1万k W)之后法国的又一新电站。法国总统希拉克2006年1月5日宣布法国将扩大核能和再生资源,其中包括在2020年建成球床式反应堆(核电站的一种反应堆堆型)。

2.3俄罗斯

近年来,俄罗斯克服了切尓诺贝利核事故后公众强烈反对核电建设的障碍,并且继续实行其强大的核工业发展计划。俄罗斯2004年有10个核电站的30座反应堆在运行,总功率为22.242 G W,目前核电占全国发电量的16%。俄罗斯在2005年2月称:俄罗斯计划在今后5年新建3座反应堆。俄罗斯联邦原子能机构准备在2030年之前建成40套新的核电机组,以维持核电在俄罗斯总发电量中的份额。如果要增加份额,则将开发更多的机组。

2.4亚洲

2.4.1韩国

韩国是发展中国家中发展核电最成功的国家之一,核电发电量已占全国发电量的40%。从20世纪70年代第一个核电站建成后,韩国核电一直稳步发展,丝毫不受20世纪80年代核电缓步的影响。至2005年1月7日的100万k W蔚珍核电站6号机组并网发电,韩国已有20台机组在运行,总装机容量达1677万k W。韩国核电的中期规划提到至2015年还将建12台新的核电机组。

韩国核电发展经历了四个阶段。第一阶段为外国公司总承包的交钥匙工程,本国参与土建和非重要部件的供应;第二阶段为韩国公司负责项目管理,核电站设计和主要系统的制造由国外供应商按合同完成,韩国公司参与核电站设计和主要系统的制造;第三阶段为韩国公司作为主承包商,从分包商获得技术转让,核电站设计由国内外小组合作完成;目前正处第四阶段,自主设计、建造核电站,并向国外输出核电技术和设备。

2.4.2日本

日本能源经济研究院(I EE J)的一份报告称: 2030年日本核电在一次能源中的份额将从2004年的11%上升到20%,2030年核电装机容量预计将从2005年3月31日的47.12G W增加到62.86G W,计划将有7座反应堆在2006年到2020年期间投入运行,另外3座将在2020年到2030年期间投入运行。

2.4.3印度

印度目前核电总装机容量为331万k W。2005年8月15日印度总理辛格与美国总统布什缔结了原子能合作协定,美国向印度进行核技术输出解禁。印度已成立了一个专家委员会,起草了能源计划草案,草案认为核能为印度的长期能源安全提供了最有效的保证,并制定了三步走的,即:第一步使用铀做燃料的压水堆;第二步使用快中子增殖堆;第三步使用以钍为主要燃料的反应堆。印度计划在下一个十年,进口总装机容量为800万k W的轻水堆,其中包括正在建的印度南部库旦库拉姆的2台俄罗斯100万k W的核电机组。印度按照优选方案计划到2010年核电总装机容量为1100万k W,到2020年核电总装机容量为2900万k W,到2030年核电总装机容量为6300万k W,到2040年核电总装机容量为13100万k W,到2050年核电总装机容量上升为27500万k W,该优选方案是建立在快堆技术能在目前的泰米尔邦建造的50万k W原型快堆示范工程获得成功的假设上。

2.4.4土耳其

土耳其原子能负责人2006年4月宣布,土耳其总理已经作出决定,2007年建造第一座核电站,在2016年前建造3座核电站,总功率接近500万k W,以减少天然气的进口。

印度尼西亚、菲律宾、泰国、越南等亚洲国家在2006年1月25-26日的亚洲原子能合作论坛(FNC A)会议上,都论述了各自国家对核能的兴趣和计划。

2.5中国

伊拉克战争后的石油形势凸现了中国能源安全潜伏的危机,主要表现为能源的需求与资源储量不足的矛盾,同时以煤炭为主的能源消费结构所造成的严重的环境影响也引起了人们的高度重视。核能对于我国的可持续发展具有重要的战略意义,它将确保我国长期的能源安全,也将维持我国的核大国地位从而确保,还将带动我国相关产业及其高新技术的发展,并为改善环境污染形势作出贡献。从长远看,今后核能除了发电之外,还将为交通运输和工业供热(如可用核能产氢和海水淡化等)提供能源,逐步取代日益短缺的石油资源。

中国的核电起步并不晚,30多年来,虽已取得令人瞩目的成绩,但与国际先进水平还有一定差距。表3给出了已经建成且正在运行的核电机组,表4给出了在建和即将开工的核电机组。

表3正在运行的核电机组

机组名称所在地额度功率并网时间

秦山核电站浙江海盐30万k W1991-02-05大亚湾核电站1号机组广东深圳90万k W1993-08-31大亚湾核电站2号机组广东深圳90万k W1994-02-07秦山二期1号机组浙江海盐60万k W2002-02-01岭澳核电站1号机组广东深圳98.4万k W2002-04-05岭澳核电站2号机组广东深圳98.4万k W2002-12-15秦山三期1号机组浙江海盐72.8万k W2002-11-10秦山三期2号机组浙江海盐72.8万k W2003-06-12秦山二期2号机组浙江海盐60万k W2004-03-11田湾核电站1号机组江苏连云港100万k W2006-05-12

当前正是中国核电发展的关键时期,国家的《电力产业发展》中,有关核电的方针已由过去的/适度发展核电0转向/积极推进核电0。由此国家将实施更为积极的核电战略,我国核电发展的中期目标是至2020年总装机容量达到36~40G W,占总发电量的4%~6%;根据国家中长期能源发展形势和前景分析,《2050年我国的能源需求》研究报告中指出核电占一次能源的比重将提高到12.5%,占电力总装机容量的20%,达到240GW。中国核电的总方针是/以我为主,中外合作0,突出自主创新。具体第一步是发展热中子反应堆核电站;第二步是发展快中子反应堆核电站;第三步是发展热核聚变电站。我国以压水堆为主的热中子反应堆核电站仍将在今后三四十年内占主导地位。目前我国核电发展主要瞄准国际上/第三代0大型压水堆,以提高核电的安全性与经济竞争力。中国现有核电站的安全系数主要依靠人工操作保障,而新一代核电站将具有固有安全性,一旦遇到故障,反应堆可以依靠本身的特性返回到安全状态。

表4在建和即将开工的核电机组

机组名称所在地额度功率预计并网时间

田湾核电站2号机组江苏连云港100万k W调试中岭东核电站1号机组广东深圳100万k W在建中岭东核电站2号机组广东深圳100万k W在建中秦山二期3号机组浙江海盐60万k W在建中秦山二期4号机组浙江海盐60万k W在建中三门核电站1号机组浙江三门100万k W规划中三门核电站2号机组浙江三门100万k W规划中宁德核电站1号机组福建宁德100万k W规划中宁德核电站2号机组福建宁德100万k W规划中阳江核电站1号机组广东阳江100万k W规划中阳江核电站2号机组广东阳江100万k W规划中海洋核电站1号机组山东海洋100万k W规划中海洋核电站2号机组山东海洋100万k W规划中大连核电站1号机组辽宁大连100万k W规划中大连核电站2号机组辽宁大连100万k W规划中

3结论和建议

核能资源在地球上具有极其丰富的储量,核能作为一种大规模替代化石燃料的经济、安全和洁净的能源,为社会可持续发展和世界和平稳定提供了保障。核能重要性已被世界大多数国家所认识。核能大发展的局面已经来临。

面对核能大发展的局面,我们应该重视两个方面的工作。

第一是人才的培养。在上个世纪六七十年代我国不少重点大学都设有核科学工程专业,培养了大批核科学人才,这些人才在我国的原子能领域铸就了令国人自豪、使世人震撼的辉煌。而目前国内大学的核科学工程专业寥寥无几,使得核科学人才断层严重。

第二是民众知情。提到核能,民众往往会和原子弹联系,甚至谈/核0色变。这几年随着我国核电站的不断出现,民众对核能有所了解,但国家对核能的宣传和核知识的普及还是必需的。

参考文献:

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nough to last[J].NEA N E W S,2002,20(2).

[2]连培生.原子能工业[M].北京:原子能出版社,

2002.

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报道专家预计2006年我国单位GPD能耗下降1.5%

中国科学院科技与管理科学研究所能源与环境研究中心专家发布的一份报告预测,2006年下半年单位GDP能耗上升的势头开始得到扭转,全年经济增长10.4%左右,单位GDP能耗下降1.5%左右。

该数据是依据国家发展改革委、国家统计局、海关总署、世界银行等机构发布的数据测算的。去年7月份以来,各地区、各部门认真贯彻确定的各项工作部署,节能降耗和污染减排目标责任制正逐步落实,单位GDP能耗上升的势头开始得到扭转。

经过预测,全年经济增速可望实现10.4%;能源消费总量24.3亿t标准煤,增长8.9%;预计全年单位GDP能耗下降1.5%左右。

2006年,我国能源生产总量保持稳定增长,能源供应的紧张局面基本得到缓解。通过测算,预计全年一次能源生产总量约22.6亿t标准煤,比上年增长9.5%左右。其中,煤炭增长11.0%、原油增长1.5%、天然气增长18.4%、水电增长4.8%。年末全社会煤炭库存量比年初有较大增加,全年发电量增长12.9%。预计2007年局部时段、局部地区将出现轻微的电力供应过剩。

节能降耗是/十一五0期间我国经济工作的一项紧迫任务。该项研究认为,如果/十一五0期间经济增长方式没有明显改观,年均经济增速为7.5%~8.5%时,则2010年单位GDP能耗比2005年下降20%左右的目标可以实现;年均经济增速超过8.5%时,单位GDP能耗降幅要低于17%。

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