今年1月和5月,受國家原子能機構的推薦和國際原子能機構(IAEA)的邀請,筆者先后參加兩個關于全球核電發(fā)展的國際會議。以兩次會議主要內容為基礎,結合近年來對全球核電發(fā)展的觀察與思考,筆者對世界核電發(fā)展做了梳理和展望。
根據IAEA統(tǒng)計,截至2019年6月底,全球共有449臺機組在運,分布在30個國家,核電裝機近4億千瓦,另有54臺機組在建,裝機約為5500萬千瓦,全球核電運行堆年超過1.8萬年。世界核協會年度報告顯示,2018年全球核發(fā)電量超過2500億千瓦時,占全球電力供應的10.5%。IAEA專家認為,目前全球核電有四個趨勢值得關注:一是作為清潔能源,核電是全球減碳的主要貢獻者,未來可發(fā)揮更大作用;二是人類要有效應對能源需求、氣候變化、環(huán)境保護挑戰(zhàn),核電份額需穩(wěn)步提升;三是從核電發(fā)展地域和技術看,世界核電發(fā)展的中心正從歐洲、北美向亞洲轉移;四是核電持續(xù)發(fā)展需要各國綜合性的政策支持。
新興核電國家核電發(fā)展情況
阿聯酋:由韓國承建的4臺機組進展順利,首堆于2012年開工建設,目前已基本完工,正在等待監(jiān)管當局的許可,預計今年裝料、調試,明年運行。4臺機組(單機容量135萬千瓦)建成投運后,將占全國電力供應的25%;未來計劃新建4-8臺百萬千瓦核電機組。
白俄羅斯:首臺機組于2013年開工建設,計劃今年6月開始調試工作,屬于內陸核電站。2021年兩臺機組并網后,可占全國電力供應的38%。中、日、韓、俄參與了競標,最后俄羅斯原子能公司中標。
孟加拉:全國電力裝機中年天然氣發(fā)電占比53%;缺少本土能源資源,核電已作為國家基荷能源來發(fā)展,2017、2018年先后開工兩臺俄羅斯原子能公司承建的AES-2006,計劃分別于2023、2024年開始調試工作;未來20年擬陸續(xù)再建4臺百萬千瓦核電機組。
土耳其:全國能源72%依賴進口,近年來能源需求上升快,需要發(fā)展核電;計劃2030年有3個核電基地共12臺機組,核電占比達到15%。與俄羅斯合作的Akkuyu核電站計劃建設兩臺VVER V-509機組,首臺機組已于2018年4月開工;與日本合作的第二個核電站Sinop,相關工作正在推進中;第三個核電站正在選址過程中,有與中國合作的計劃。
埃及:由于本土缺乏一次能源,埃及于上世紀50年代就開始計劃引入核電,但由于各種原因,除了分別由俄羅斯和阿根廷援建了兩臺研究堆外,核電計劃沒有實質性進展。進入新世紀后,隨著能源需求增加,核電建設再次提上日程:2007年通過原子能法,2017年明確了發(fā)展核電的國家政策;2016年與俄羅斯原子能公司簽定了工程總承包合同(EPC)并于次年生效,計劃在El Dabaa電站建設4臺VVER-1200機組。俄羅斯將負責為該電廠提供核燃料、建造乏核燃料容器和儲存設施、人才培養(yǎng)、前十年核電廠運營和維護支持。
波蘭:目前能源供應以煤為主,占比達78%,預計該國褐煤資源將在2040年左右消耗殆盡,因此于2009年啟動發(fā)展核電的計劃。福島核事故給該國推進核電發(fā)展帶來了一定的阻力,但因能源需求、大氣污染和CO2減排的壓力,目前重新推進核電的共識越來越多、呼聲越來越高?!安ㄌm核電規(guī)劃(PNPP)” 2013年獲經濟部批準,2014年經內閣會議審查通過,2018年升版后的規(guī)劃被納入波蘭國家能源規(guī)劃。該國計劃2030年核電占比為6%,2040年達到18%,目前正在開展選址和環(huán)境影響評價等前期工作。
越南:原計劃2020年建成首堆,日本福島核事故后,公眾更加關注核安全,加之國際國內經濟形勢的影響,推遲了核電計劃。2016年經過修訂的“國家電力發(fā)展計劃”得到總理批準,計劃到2030年建成4臺百萬千瓦機組,屆時核電占比將達到10.1%。一期項目為俄羅斯原子能公司承建的Ninh Thuan1號兩臺機組,首堆計劃2028年建成;二期項目計劃為日本公司承建的Ninh Thuan2號兩臺機組。
約旦:一次能源短缺,約96%的能源依賴進口。因此,其“2007-2020國家能源戰(zhàn)略”以及升級版“2015-2025能源戰(zhàn)略”中,都將核能列入國家能源戰(zhàn)略的重要選項,包括發(fā)展百萬千瓦的大型商用堆和中小反應堆,目前核電計劃仍然處于初期階段。
印尼:2016年其能源結構前三位分別是石油(37%)、煤(31%)和天然氣(23%),可再生能源為7.7%,一次能源嚴重依賴進口。2014年通過的政府法令中,規(guī)劃到2025年包括核電在內的新能源和可再生能源提高到23%,屆時核電裝機計劃為2GW;2050年占比將達到31%,核電裝機為8GW。近年來,印尼公眾對核電的支持率上升,由2011年(福島事故后)的49%上升到2017年的77%。
尼日利亞:1976年成立國家原子能委員會,但推進核電的工作直到2006年才開始實際運作,核電推進計劃受福島核事故影響,進展緩慢。2015年初步計劃首臺百萬千瓦機組于2025年建成,另外還計劃在2030年建成3臺機組。2018年以來正在對2015年的計劃進行修訂和完善。
蘇丹:在IAEA幫助下,自 2007年開始推進核電發(fā)展計劃,但由于政治、經濟等各方面的原因,進展緩慢。2016年通過水利電力部部長法令,計劃在2031年建設兩臺600MW萬千瓦機組的首座核電站。
馬來西亞:2008年計劃引入核電,2011年1月成立馬來西亞核電公司,作為推進核電計劃的責任單位。福島事故后,核電計劃推進無實質性進展,主要原因是公眾接受問題和政府對核電的態(tài)度不明朗。
部分有核電國家核電發(fā)展情況
巴基斯坦:目前有5臺運行核電機組,裝機為143萬千瓦,核發(fā)電占比為4.3%。首臺機組為從加拿大引進、1972年建成投運的K-1機組;兩臺在建機組(K-2、K-3號)采用中國“華龍一號”技術,目前進展順利;C-5項目(華龍)正在與中核集團洽談商務合同。巴基斯坦計劃到2030年核電裝機達到8800MW。
巴西:建立了較完整核燃料循環(huán)體系,有多座研究堆;首臺核電機組ANGRA 1號(657MW,西屋公司提供技術)于1985年投入運行,ANGRA2號(1350MW,由西門子等提供技術)于2001投運;目前正在推進建設ANGRA 3號機組(1405MW, 由西門子/法瑪通提供技術)。
亞美利亞:現有兩臺機組分別于1977、1980年投運,1988年發(fā)生大地震后,盡管兩臺機組完好,前蘇聯仍然下令長期停機。1993年,為克服經濟危機影響,決定重啟2號機組。在俄羅斯幫助下,2號機組于1995年成功恢復運行,但1號機仍處于長期停運狀態(tài)。福島事故對該國核電新機組計劃帶來較大影響,但老機組依然進行了延壽,2015年,該國政府決定再建設1臺600MW新機組。
烏克蘭:1986年4月,前蘇聯時代烏克蘭境內發(fā)生了爾諾貝利核事故,切爾諾貝利電站共有4臺機組,事故機組為4號機組,事故發(fā)生后即永久封存,但該廠址另外3臺機組保持了持續(xù)運行,最后一臺機組運行至2000年才宣布永久停機。目前,核電仍然是該國主要能源來源,現有4個核電站15臺機組在運,裝機13835 MW,2017年核發(fā)電占比超過55%。2017年8月內閣通過的“2035年能源戰(zhàn)略”中,核電仍然拌演重要角色:計劃通過對現在機組延壽、功率提升(已有9臺機組獲延壽10年或20年), 繼續(xù)建設KHMELNITSKI3號和4號兩臺百萬千瓦機組(分別于1986、1987年開工),使其核發(fā)電占比保持在50%左右。
法國:目前有58臺機組在運,1臺EPR機組在建,多年來其核發(fā)電占比保持在75%左右。法國未來的能源規(guī)劃中,計劃大量發(fā)展包括核能、可再生能源在內的低碳能源,2035年核發(fā)電規(guī)模仍將保持在50%左右。
伊朗:首臺核電機組(Busheher核電站,俄羅斯提供的VVER-1000堆型)于2013年并網發(fā)電。未來計劃包括建設一臺100MW小型反應堆(用于發(fā)電和海水淡化),建設兩臺俄羅斯的VVER-1000型號的大型機組。
俄羅斯:目前,俄羅斯共有35臺機組商運,其中包括兩臺快堆,13臺氣冷堆,2018年核發(fā)電占比近18%,還有6臺機組在建。俄羅斯十分重視核電全球戰(zhàn)略布局。今年1月在IAEA在維也納開的“核電基礎結構開發(fā)的熱點問題技術會議”上,該國派出7名代表與會,作了多篇富有針對性的報告。
俄羅斯在全球推銷核電的方式方法非常值得學習:強調可以提供從核電基礎結構開發(fā)、選址、設計、建造、運行、維修、廢物處置及退役全鏈條全方位的服務;把核電基礎結構建設與核電工程總承包(EPC)相結合,便于及早介入而鎖定項目;充分借助IAEA平臺,通過資助IAEA核電管理學校(NEMS)、技術合作(TC)項目和跨地區(qū)(INT)項目,培殖親俄力量;他們有專門核電推廣團隊,有針對性地整體開展工作。目前,俄羅斯核電出口占據了全球絕大部分新興市場,據報道,目前其在手的核電訂單近40臺機組。
美國:現有97臺機組運行,2臺AP1000機組在建。長期以來,美國核發(fā)電占比保持在20%左右,2018年核發(fā)電占比為19.32%。自上世紀九十年代以來,盡管美國沒有規(guī)模建設核電機組的計劃,但通過升級改造、提升容量,相當于新建了6-8臺百萬級核電機組。美國核電業(yè)屆不斷提升運行水平,政府給予電力消納方面的支持,其機組能力因子近年來保持在92%左右,核電有效利用率極佳。美國政府在核電中小型反應堆、先進堆等方面持續(xù)給予政策和資金支持,以期保持其在先進核電技術方面的領先地位。
韓國:核電技術引進自美國,但通過幾十年來有效的消化、吸收、再創(chuàng)新,成功開發(fā)出自己的三代技術APR1400,首臺機組于2016年投入運行;憑借自主三代技術,韓國贏得阿聯酋首批4臺機組的訂單,并于2012年開工建設。韓國目前有25臺核電機組運行,4臺機組在建,2018年核電發(fā)電量占比近24%。福島事故后,隨著韓國國內反核勢力的日漸高漲,政府部門在調整原來比較龐大的核電規(guī)劃,但核電作為重要的清潔低碳能源仍將在其能源結構中占有重要地位。
印度:目前有22臺機組在運,7臺機組在建,核電占比不高,保持在3.2%左右,其主要能源仍然是化石能源。印度核電起步較早,具有核電設計建造能力,但其核電機組容量較小。近年來,印度與俄羅斯合作,開工建設了百萬千瓦級的核電機組,部分機組已投入運行。
阿根廷:目前有3臺機組在運行,2014年開始的CREAM25MW小堆仍在建設中,預計2022年完工。另外,阿根廷與中核集團合作建設“華龍一號”機組的協議已經簽署,各項工作正在推進中。
捷克:上世紀70年代開始建設核電基礎結構,目前該國50%的電力和大部分供熱由核電提供。
匈牙利:目前有4臺前蘇聯提供的440MW機組運行,已批準延壽20年,功率提升至500MW;另計劃從俄羅斯引進建設兩臺VVER1200機組,2017年已獲廠址許可。
羅馬尼亞:目前有兩臺重水堆機組在運,核電占比為16%,政府積極支持核電發(fā)展。今年5月9日與中廣核簽署了有關協議,擬由中廣核投資建設另兩臺重水堆機組。該國建有干式中間儲存設施,乏燃料可保存50年。
斯洛伐克:現有4臺機組運行,2臺在建,3臺永久停運,核電裝機占25%,核發(fā)電占比達55%,該國還有再建新機組的計劃。
德國:目前還有7臺機組在運行,按關停計劃,今年將關停兩臺、2021年關停3臺、2022年關停最后一臺,但仍將保留研究堆。
瑞士:現有5個機組仍將運行至壽期結束,將持續(xù)保持核電研發(fā)能力,暫無新核電機組建設計劃。
中國核電發(fā)展概況
截至2019年6月30日,我國大陸運行核電機組共47臺,裝機容量4873萬千瓦;在建機組11臺,裝機容量約1134萬千瓦,多年來保持全球首位。中國核能行業(yè)協會統(tǒng)計報告顯示,2018年,我國大陸共44臺商運核電機組,總裝機容量4464.516萬千瓦,占全國電力總裝機容量的2.35%;全年核發(fā)電為2865.11億千瓦時,約占全國累計發(fā)電量的4.22%,全年核電設備平均利用小時數為7499.22小時,設備平均利用率為85.61%。與燃煤發(fā)電相比,核發(fā)電相當于減少燃燒標準煤8824.54萬噸 ,減少排放二氧化碳23120.29萬噸,減少排放二氧化硫75.01萬噸,減少排放氮氧化物65.30萬噸。
經過30多年持續(xù)不斷的發(fā)展,中國核電從無到有、從小到大,自主建設和引進消化吸收再創(chuàng)新同步進行,實現了三代核電技術設計自主化、重要關鍵設備國家產化;具有四代核電特征的高溫氣冷堆示范工程已進入工程最后階段,預計在明年實現裝料,60萬千瓦霞浦示范快堆于2017年開工,目前工程推進順利;在聚變堆研究方面,作為重要成員之一,中國積極參加國際熱核聚變反應堆計劃(ITER),并在關鍵領域取得了重要進展。
切爾諾貝利事故和日本福島核事故為世界核電界敲響了警鐘,也促使中國核電行業(yè)進一步優(yōu)化設計、加強安全監(jiān)管和日常運行管理,不斷提升核電安全運行水平。
長期以來,我國核電安全運行一直保持良好業(yè)績,根據世界核電運行協會(WANO)的綜合指數統(tǒng)計,2017年,全球有57臺機組獲得滿分100分,中國有11臺;2018年,全球53臺機組獲得滿分100分,中國有12臺。我國是世界上少數幾個擁有完整核燃料循環(huán)體系的國家,幾十年來核電建設步伐沒有停止,積累的核電建造能力居世界前列,包括AP1000、EPR在內的主要的三代核電率先在中國建成投運,自主三代核電華龍一號全球首堆福清5號已于今年4月提前50天啟動冷試 全面轉入調試階段,海外華龍首批項目(巴基斯坦卡拉奇2、3號機組)推進順利。
核電的前景與發(fā)展方向
核電起步于上世紀50年代,在60多年的發(fā)展歷程中,核電技術經歷了原型堆、一代、二代、二代改進型等不同的技術發(fā)展階段。隨著BWER(美日)、APR1400(韓國)、VVER(俄羅斯)、AP1000(美國)、EPR(法國)等核電機組投運,以及我國華龍一號機組建設順利推進,三代核電逐步成為當前及今后一段時間內的主力軍;高溫氣冷堆、快堆等具有四代特征的核電技術正在中國示范建設,國際社會也正在組織對核聚變技術進行合作攻關,核電為人類解決未來能源大規(guī)模安全穩(wěn)定供給問題提供了長遠的解決思路。
與傳統(tǒng)能源形式相比,核電具有低碳、清潔、高效、換料周期長(12-18個月換料)、使用壽期長(二代改進型及三代設計壽命已達60年)、運行成本低等屬性,是目前唯一能夠大規(guī)模替代化石能源的基荷能源形式。盡管核電發(fā)展面臨核安全、公眾接受等諸多挑戰(zhàn),但長遠看,隨著人類科技進步、管理升級,核電將越來越安全。譬如,核電行業(yè)正在開發(fā)耐事故核燃料,這種燃料與鋯結合后不容易過熱,也很少產生氫氣,從而避免發(fā)生類似福島事故那樣的氫氣爆炸;一些單位正在研究用其他材料取代鋯或者二氧化鈾,進一步提升核電安全性??梢灶A見,核電將會與水電、風電、太陽能等清潔能源以及傳統(tǒng)的化石能源有機組合,為人類社會提供更加安全穩(wěn)定的能源供應。核電的未來與人類社會和諧發(fā)展緊密相關,有著光明的未來。
那么,未來的核電、核能是什么樣,又會以什么方式來滿足人類社會對安全清潔電力供應的需求,以緩解氣候變化、環(huán)境保護等問題。要回答這些問題,首先要回頭看核能的本質屬性,其次要思考未來社會的對能源的需要。
眾所周知,1千克鈾(U235)全部裂變放出的能量相當于2700噸標準煤燃燒釋放出的能量,核聚變效率比核裂變還要高出好幾倍,核能高效,且裂變、聚變過程均無溫室氣體或其它有害氣體產生,因此,一代代科學家和工程技術人員潛心于和平利用核能,為人類社會服務。展望未來,核電或者核能將以大、中、小、微等多種方式服務于人類社會。
首先,在清潔能源供應方面,核電將為人類解決大規(guī)模安全穩(wěn)定的電力供應問題提供解決方案。以中國為例,目前可以提供30萬千瓦、60萬千瓦、百萬千瓦及以上的各種類型成熟核反應堆技術,設備國產化率可達85%以上。
其次,人類核電站技術主要利用核裂變機理,從原型堆發(fā)展到目前開始示范的具有四代核電特征的快堆、高溫堆技術。同時,包括中國在內的世界各主要核電國家均在研發(fā)核聚變堆。按照科學分析,核聚變技術將為人類終極解決電力供應問題提供可靠選擇。
第三,隨著中小型反應堆技術的發(fā)展和成熟,核電將在滿足島嶼、海洋平臺、遠洋運輸、偏遠地區(qū)等特殊環(huán)境下的電力或動力供應發(fā)揮獨特作用。近年來,模塊化小型堆研發(fā)廣受關注。美國能源部支持mPower、Nuscale兩種模塊化小型堆設計;俄羅斯KLT40S 浮動核電站處于調試階段,預計今年完工,RITM—— 200 核動力破冰船首艘“北極號” 2013 年開工、2016下水。韓國SMART模塊化小型堆完成設計,正在開展工程可行性研究。我國模塊化小型堆ACP100已完成初步設計,具備工程條件;浮動核電站ACP25S、ACP100S,ACPR50S均在開展初步設計;“燕龍”低溫供熱堆正在開展方案設計,清華大學低溫供熱堆已完成初步設計。
另外,利用放射性同位素衰變機理研發(fā)的放射性同位素電池(核電池)已成功用作航天器、心臟起搏器、海底電纜中繼器等的電源。核電池取得實質性進展始于20世紀50年代未,由于其具有體積小、重量輕和壽命長等特點,且其能量大小、速度不受外界環(huán)境如溫度、化學反應、壓力、電磁場等影響,可在很大溫度范圍和惡劣環(huán)境中工作。隨著同位素利用技術的不斷進步,核電池將在航天航空、深空探測、深海探測、交通運輸、電動機械等領域廣泛利用。
總之,核能是二十世紀人類最偉大的發(fā)現之一。核科學與技術已廣泛應用于能源、工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學等廣泛領域,隨著人類科學技術不斷進步,未來的核能必將以其獨有優(yōu)勢發(fā)揮獨特作用,服務于人類對于和平美好生活的需要。