核电发展趋势和我国核电产业化

第3卷　第2期　　　　　国　际　技　术　经　济　研　究　　　　　　　　Vol.3　No.22000年4月　　　StudiesinInternatfonalTechnologyandEconomy　　　　　　Apr..2000

核电发展趋势和我国核电产业化¹

马福邦,李玉仑,贺嘉忱

(中国核工业集团公司,北京　100822)

摘要:　该文回顾了本世纪核电发展的三个时期取得的成就和教训;展望了新世纪核电的机遇

和挑战;分析了两种核电技术路线的技术特征及发达国家和发展中国家的市场前景;提出了对

我国核电产业化的一些看法。

关键词:　核电;　安全性;　经济性;　产业化

中图分类号:TM623　　　文献标识码:A

回顾本世纪核电发展　辉煌与教训同在

美国于1945年8月在日本投下了两颗原子弹,核能首先被用于大规模杀伤武器。二战结束后,科学家们开始研究如何控制和利用原子核裂变产生的巨大能量为人类造福。1957年苏联在生产堆技术的基础上建成了奥柏林姆斯克石墨水堆核电站,美国也于同年在潜艇反应堆技术的基础上建成了希平港压水堆核电站,这标志着一种崭新能源的面世——核能发电时代的开始。

回顾本世纪核电走过的道路,大致可分为三个时期。

50-60年代是核电开发和起步时期。美苏两个核大国将核电视为新型能源大力推向工业化。美国继开发了压水堆核电技术后,又开发了沸水堆核电技术。苏联继开发了石墨水堆后,也开发了压水堆。与此同时,英国开发了石墨气冷堆,加拿大开发了加压重水堆。世界范围内,多种堆型核电技术纷纷面世。此后,一些发达国家和发展中国家结合本国化石能源资源储量情况开始研讨或制定核电政策和核电规划,有的国家决定主要依靠本国力量开发核电技术,如德国、瑞典、印度等;有的决定从国外引进技术并逐步实现国产化,如法国、日本、西班牙等。据统计,这一时期共有110多台

¹收稿日期:1999-12-06:,,

　第2期　　　　马福邦、李玉仑、贺嘉忱:核电发展趋势和我国核电产业化　　　　　　　　・7・不同堆型的核电机组在15个国家开工建造。

70-80年代中期是核电蓬勃发展时期。由于核电技术经过工业示范后逐步趋于成熟,特别是70年代的石油危机和发达国家快速的经济发展,促使一些国家陆续加入核电行列。除美、苏两国继续建造外,加拿大、法国、德国、日本、韩国和瑞典等国也都相继建造一批核电站。我国自主设计和建造的秦山一期核电站也于1985年开工建设。据统计,这一期间共有290多台核电机组在32个国家开工建造,全世界核电装机容量迅速增长,是核电发展的辉煌时期。由于核电的诞生和发展带动了其它工业技术的发展,对世界经济发展做出了贡献。据统计,核发电量曾达到全球电力的17%(自1997年起,已降为16%),由32个国家的440多座核电机组提供,仅美国就有110座。有19个国家的核发电量超过本国总发电量的20%,其中,法国达77%。

80年代中期至今是核电的低潮时期,这一期间开工建造的核电机组不足70台,特别是主要发达国家,如美国就没有新开工的核电项目,德国新建机组也不多,只有日本仍保持核电发展的势头。

核电发展走入低谷,不得不提一下核电发展过程中的两次严重核事故。一是1979年美国三哩岛核电站堆芯熔化事故,虽没有造成人员伤亡和放射性物质大量外泄,但经济损失巨大,被国际原子能机构(IAEA)定为五级¹(具有向场外泄漏危险)。三哩岛事故后,人们认识到保持堆芯完整是核电安全的关键所在,并更加意识到核安全文化的重要性。再就是1986年前苏联(现乌克兰境内)切尔诺贝利核电站反应堆烧毁事故,造成人员伤亡和放射性物质大量外泄,以及大面积环境污染,国际上称之为“灾难性事故”,被国际原子能机构定为7级(最严重事故)。这次核事故暴露了该电站在设计上的严重缺陷——堆芯设计上存在正汽泡效应,它导致了这场灾难性的核事故。这两次事故暴露了核电站设计和运行管理方面的问题;尤其是核安全的许多基本原则,在切尔诺贝利都未得到应有的体现,其灾难性的后果给核电工业留下了历史性的惨痛教训。

三哩岛事故使核电的运营者、供应商和政府监管部门都认识到,必须提高核电的安全性。这就迫使一些正在运行的核电站不得不做技术改进、一些在建的核电站不得不做设计修改,从而造成了核电建设周期拖长、投资增加和发电成本上扬。切尔诺贝利事故对核电造成的负面影响最为严重。如果说三哩岛事故使一些人对发展核电产生了怀疑,那么切尔诺贝利事故则造成一些人对核电的恐惧,使得一些国家取消或减缓了核电发展计划。如:奥地利国会否决了已建成的核电站投入运行,瑞典经公民投票后决定不再建设新的核电项目,德国也基本上取消了核电发展计划,意大利干脆关闭了所有运行的核电站。

核电发展进入低潮还有其他方面的原因。如:主要发达国家经济增长速度比预计的低,以及高新技术的发展和节能技术的推广,使得一些国家的产业结构发生了变化,电力需求减缓,电力弹性系数大为降低,影响核电在内的整个电力工业的发展;此外,一些先进发电技术的崛起,如:燃气——蒸汽联合循环机组等,以其建设快、效率高、运行灵活和对环境污染小等优点构成了对核电发展的严重挑战。

从世界范围来看,目前核电发展虽处于低潮时期,但不能说核电已经停滞不前。虽然西方一些发达国家取消或减缓了核电发展计划,但在亚洲,特别是日本、韩国、印度、中国(包括台湾省)仍在

1;;1,7

・　　　　　　　　　　　　　　　国际技术经济研究　　　　　　　　　　　　8・2000年建造新的核电项目;很多发展中国家由于较快的经济发展和能源资源的限制,出于可持续发展的考虑,也在研讨发展核电。

展望新世纪核电前景　机遇与挑战并存

据世界能源理事会报道的数据,在1973-1993年间全球各种不同能源的电力供应中,核发电量增长9.9倍,天然气发电量增长1.33倍,煤电增长0.92倍,水电增长0.76倍,核电的增长率给人留下了深刻的印象。然而,未来20年将会怎样?据IAEA刊物分析,核电在世界电力市场所占的份额将会逐步下降。1994年全球核电在总发电量的比例曾达到峰值17%,此后已减少到目前的16%,预计到2010年将下降到13%,到2020年将下降到9-12%。这主要是因为欧美发达国家(这些国家拥有世界核电装机容量的大部分)中,除法国至今还保持发展核电的政策外,大都表示在未来20年内不拟新建核电站。

虽然总体上目前世界核电的市场份额呈下降趋势,但伴随下世纪经济发展而日趋严重的全球环境问题将使人们更加关注能源结构优化的问题。据美国能源部预测,到2015年全球能源需求将增长54%,其中半数以上来自经济发展较快的发展中国家的能源需求增长。目前,化石燃料提供全球87%的商用一次能源,其1/3用于发电,占总发电量的63%。大量燃烧化石燃料的严重后果是向环境释放有害气体、有毒物质和温室气体,使环境不断快速恶化。因此,环境保护已成为世界范围内实现可持续发展迫切需要解决的问题,为全球各国政府首脑和专家们乃至公众所关注。致力于能源问题的有关国际组织都认识到,核电在减轻环境恶化方面具有很大潜力。气候变化政府间小组(IPCC)——世界气象组织(WMO)和联合国环境规划署(UNEP)于1988年为解决气候变化问题而联合建立的学术机构——坚持认为“核能具有潜在的巨大作用,尤其是在电力领域。”

在预测世界核电市场份额下降趋势时,具体分析不同国家乃至不同区域的能源需求和政策是十分重要的。亚洲国家的发展在全球经济发展中占有越来越重要的地位,核电也是这样。核电虽兴起在美苏,并在欧洲得到发展,其后才在亚洲出现。但90年代,核电生产的先导地位已呈现出向亚洲转移的趋势,日本、韩国为减少对能源进口的依赖、保证能源供应的安全,已把核动力看成“国家资源”,将继续保持核电发展的势头。

同时还应看到,未来20年内,发展中国家对核电的需求有着广阔的前景。目前,人口约占世界人口3/4的发展中国家,其能源消费量仅为全球总能源消耗的1/4。一些发展中国家强劲的经济增长势头已导致了人均能源消费量的显著增加,并将继续增加下去。因此,从可持续发展的角度看,核电在发展中国家仍然是可选择的合理能源之一。但是目前发展中国家的核电装机容量仅占世界核电总装机总容量的2%左右。究其原因,是因为目前运行和在建的核电机组所采用的技术路线,导致了系统复杂、设备众多、建设周期长,使得单位装机容量造价昂贵;这使很多发展中国家对核电可望而不可及。只有采用创新型的技术路线,开发出安全性高、经济性好的中小型机组,核电才能在发展中国家得到推广应用。国际原子能机构正在积极推进此项工作。

另外,近年来西方核电大国诸多电力公司纷纷提出延长现有核电站运行寿期,并已得到政府监管部门的认可。由于初始资本投入早已收回,延长运行寿期带来了显著的“额外”经济效益,促使政,

　第2期　　　　马福邦、李玉仑、贺嘉忱:核电发展趋势和我国核电产业化　　　　　　　　・9・靠性和经济性,也使核电走出低谷而复苏成为可能。

下世纪,无论是为了实现各国已取得共识的环保目标,还是为了满足能源需求并保持其供应的可靠性;无论是在发达国家还是在发展中国家,利用核能仍是一个重要的合理选择,这正是核电发展的最根本的机遇之所在。

但是,必须清醒地看到,下世纪头20年是大批核电站进入退役的时期,也是核电能否得到发展极富挑战性的时期。首先,挑战来自公众和政府对核电安全性和高放废物妥善处置有更高的要求。只有核电技术在改进安全性方面有了突破性进展,对高放废物有了妥善的永久贮存技术,才能消除切尔诺贝利灾难性核事故对公众造成的恐惧,才能消除人们对核电可能污染环境的担忧,进而促使其政府采取积极的核电政策,吸引投资者对核电进行投资的兴趣。其次,挑战来自其它能源技术在经济性方面激烈的市场竞争。目前建造的核电站,其高昂的单位装机容量造价,特有的核电退役费、中低放废物处置费和高放废物永久性处置费等与发电相关的成本,使核电在电力市场上缺乏竞争力。因此,核电必须在其安全性和经济性方面有大的突破,才可能把其发展机遇变成现实,这正是目前核电所面临的严峻挑战。

核电发展趋势　两种技术路线

为争取核电复苏和可持续发展,各国核电供应商在其政府和用户支持下,投入大量资金积极开发新一代核电技术和高放废物最终处置技术,迎接所面临的安全性和经济性的挑战。

鉴于切尔诺贝利核电机组在设计上未达到“故障安全”(设备发生故障或偏离正常状态,使核电装置仍处于安全状态)的要求,运行管理也存在问题,从而导致了灾难性后果。而三哩岛发生的核事故则证明正确设置的安全系统在运行出问题时能够阻止放射性物质向环境释放。因此,核电界提高安全性的努力都集中在严重事故预防和缓解事故后果的技术发展上,形成多重安全屏障纵深防御的设计思想。1988年国际原子能机构总干事的咨询机构——国际核安全咨询组(INSAG)制定的核电安全目标是堆芯损坏频度(CDF)降到10-4/堆年以下,将来的核电机组实施全部安全原则后,CDF应降到10/堆年以下,严重事故管理和减缓措施应当把向厂区外释放大量放射性物质的概率至少比此值再减少10倍,即10-6/堆年以下。这已经增补到“IAEA安全基本原则”中,并在IAEA成员国的法规中有所体现。

在目前的各种能源形式中,核电产生的废物量最少,且便于集中管理。人们之所以高度关注核废物,主要是因为核裂变会产生长寿命裂变产物和少量锕系元素,它们一旦泄漏到环境中会造成对生物圈长期的潜在影响¹。用作高放废物处置库安全隔离的设计准则的时间尺度是10000年,这意味着是地质储存的要求。对于核废物的处置,必须找出一种被动安全的解决办法,即不需要人的主动干预就能确保它们是持久安全的。加拿大、日本和欧洲国家正在积极开发这方面的技术。拥有核电的国家,现阶段还只能采取各种高放废物的中间贮存方法,作为过渡;由于目前的技术手段难于对地质贮存的永久安全性作出结论,所以,即使正在研究中的固体盐穹和花岗岩隧道之类的地下深

¹核电站的乏燃料中含有长寿命的裂变产物和锕系元素,它们的半衰期长达104-107年。其中,锕系元素远期危害最大,如6,I,7Tc,5-5

・　　　　　　　　　　　　　　　国际技术经济研究　　　　　　　　　　　　10・2000年处的地质贮存方法,也都考虑了易于回取的措施,以便一旦技术进步了(例如,放射性废物的嬗变技术具备现实可行性),将其取出处理,再进行最终永久安全处置。

改善核电经济性可采取的措施,一般是优化核电站标准设计,简化系统和设备或增加安全设施并扩大容量、缩短建设周期、提高中子经济和加深燃耗等。

三哩岛事故后,美国核电界开始编制“核电用户要求文件”(URD),对核电的安全性和经济性提出了明确的目标;接着,欧洲发达国家也着手编制“欧洲用户要求文件”(EUR)。上述文件的基本原则已被普遍接受为下世纪新建核电站应该遵循的原则。按照这些原则,西方主要核电国家的供应商根据自己的技术特长,在核电技术开发上都已经取得了长足进步。水堆(包括重水堆)是世界核电的主要堆型,担当着下世纪核电复苏和可持续发展的重任。

在这些技术开发中,实际上形成了两条技术路线。一条是在降低燃料元件线功率密度的同时增加安全相关系统的冗余度,使安全性提高。但是由于系统及设备的增加,导致投资增加而损失了经济性。为了补偿经济性损失,采取扩大单机容量到1300甚至1450MWe的办法降低单位造价,ABWR、SYSTEM80、EPR就是这种技术路线的代表。这条技术路线称为改良型的(Evolutionary)。另一条是在降低线功率密度的同时,主要靠采用非能动安全技术(即运用自然规律,诸如:重力、自然对流、储能等思路进行核电站安全系统的创新性设计),增加核电站的固有安全性功能,简化系统设计;在提高安全性的同时,由于设备减少而使经济性不受损失甚至有所改善。典型的设计是AP-600,虽然目前其单机容量是中等的,但其经济性仍可和大型机组竞争,并且将来可以将非能动安全系统扩大至大型机组设计中。俄罗斯将要在下世纪建造的VVER-640是能动与非能动安全技术相结合的堆型。我国在“七五”和“八五”期间也瞄准这一先进技术方向开发AC-600,并取得了阶段性成果。这条技术路线被称之为革新型的(Innovatory)。

符合URD要求并得到美国核管会(NRC)最终设计许可的有ABWR、SYSTEM80和AP-600。其中ABWR已首先在日本建造和运行,台湾正在建造;SYSTEM80+和AP-600尚未有订户。符合EUR由法国和德国联合开发的欧洲压水堆(EPR),由于德国坚持更高的安全标准而使进度推迟。特别是新一届德国政府采取不发展核电的政策,使EPR前途未卜。但是,近年来有一个明显的趋势,用非能动安全技术来提高核电安全性愈来愈倍受关注,各国供应商都在采取积极步骤增加自己核电设计中“非能动安全”技术的含量。特别是1999年9月30日,在号称严格管理、高度发达的日本核燃料厂发生了不该发生的核临界事故,造成放射性物质外泄,对整个核能领域再次敲响警钟,并引发人们对非能动安全技术的重视。它不仅可在反应堆上采用,也应用于一切核设施上。可以预计21世纪,用非能动安全技术设计的核电站将会被公众和政府接受和认可,这种安全技术将成为核电技术发展的主流;在此基础上开发具有完全固有安全性的核电技术,从根本上解决核电安全性,消除人们对核电安全性的担心。++

自主开发创新　实现核电产业化

上面我们回顾了核电发展的历史及其经验教训,展望了市场前景,评述了两种技术路线。下面我们拟结合我国国情,对我国核电在下一世纪的发展,提出一些看法。

　第2期　　　　马福邦、李玉仑、贺嘉忱:核电发展趋势和我国核电产业化　　　　　　　　・11・・从保持和发展综合国力、改善环境、履行对温室气体控制排放的义务、优化能源结构、减少煤炭的运输量等因素考虑,实现我国核电产业化是确有必要的。

・“五自主”即:自主开发、自主设计、自主装备、自主建设和自主运营。自主开发是“五自主”的核心,是其他四个自主的基础。“五自主”是国产化的五个支柱,是实现我国核电产业化必须要做到的目标。

・由于核电是高技术富集的产业,不少核电技术是军民两用技术,而核心的高技术是买不到的。因此我国核电产业必须是一个拥有自主知识产权的产业,这样才能生存并具有活力。

——开发有中国特色的、以“非能动安全”技术为主要特征的革新型压水堆,实现核电安全性和经济性的突破。

・采用旧的技术路线,很难使核电的安全性和经济性得到大的突破。“非能动安全”技术则可“一箭双雕”,既能提高安全性,又能改善经济性。应在“七五”、“八五”期间已开展预研的基础上,加大开发力度,使我国核电技术有新的突破。

・核电的安全运行是关系到它的盛衰乃至存亡的永恒主题。理论上说,只有具备完全“固有安全性”的反应堆,才是绝对安全的。但现实可行的途径是将安全相关系统尽量采用非能动安全技术,使这些系统基本具备固有安全性,并辅以其它措施,使核电的安全性比现有运行核电站提高近两个数量级,实现核电在安全性上的突破。

・非能动安全技术的采用,不仅可以简化系统,而且能使不少设备的特殊要求转化为常规要求。再辅以有利于延长电站寿命的先进堆芯设计,以及有利于缩短电站建设周期的模块化设计和建造技术等手段,将可以使核电单位造价降低,使其发电成本能与燃烧清洁煤的火电站相竞争。

——形成我国核电产业的“两步走”设想。

・第一步(2015年前),在我国运行和在建的压水堆核电站中,选取最具实现“五自主”前景的电站、利用已有的技术储备加以提高改进,开发出基本满足国际核电安全要求、经济性也能为电力市场接受的改进型压水堆,作为这个时期的标准化堆型;在国家统筹规划下,批量建造,使核电不断档,并为下一步打好基础。

・第二步(现在-2015年前后),在建设改进型核电站的同时,以国家为主,投入相应的经费和人力,自主开发以非能动技术为主要特征的革新型核电站。做到安全性和经济性都有长足的提高和突破,为核电产业化奠定基础,并逐步形成在市场上有竞争力的产业。

——逐步扩大国内市场,努力开拓国外市场。

・核电产业应逐步扩大国内市场;在国家统筹安排和适当扶持下,主要靠自身的竞争能力,开拓融资渠道,获得市场。

・一旦我们自主开发出革新型的核电站,做到安全性和经济性都有大的突破,对发展中国家是会有吸引力的。尤其是中、小型核电机组,最适合多数发展中国家。而这正是我们的强项,我们将可能以质优(达到国际水平)价廉的优势,在国际核电市场上获得一席之地。

——抓住国际核电买方市场的机遇,积极开展国际合作。

・以我为主,在技术领域积极寻求国际合作,加速自主开发进程;

・　　　　　　　　　　　　　　　国际技术经济研究　　　　　　　　　　　　12・2000年

TendencyofNuclearPowerDevelopment

andIt'sIndustrializationinChina

MaFubang,　　LiYulun,　　HeJiachen

(ChinaNuclearIndustryGroup,Beijing　100822,China)

Abstract:　Threedevelopmentstages,achievementsandlessonsofnuclearpowerworldwidein20thcenturyarereviewedinthispaper.Theauthorstrytoforecastopportunitiesandchallengesofnuclearpowerinthecomingcentury,toanalyzethetechnicalcharactersoftwotechnologyapproachesoffuturenuclearpowerandit'spossiblemarketingindeveloped,aswellasindevelopingnations,andalsoraisesomeideasofindustrializationofnuclearpowerinChina.

KeyWords:　Nuclearpower;　Safety;　Economy;　Industrialization

可持续发展的再生能源

全球的化石燃料资源有限,预计可开采时间不长;又因化石燃料燃烧会污染环境,危害人体健康。因此,人们要考虑可持续发展能源——再生能源问题。再生能源主要包括:风能、水能、太阳能、地热能、海洋能、

生物质能等。

　　全球可利用再生能源储量很可观,如表1所示;但想大规模开采利用,在技术上还存在大量问题。因此,它的利用率还远远低于表1所列的数值。

以太阳能为例,其储量约为全球能耗的1.6万倍,但它能转为二次能源的储

量仅为32.28亿吨标准煤。其它再生能源的转换率见表2。总体来看,再生

能源可转换成二次能源的储量为185.55亿吨标准煤,约为目前全球化石燃

料消耗量的2倍。我国再生能源储量如表3所示。我国再生能源储量较多,

但人均值仍较低。以水能为例,我国可开发水能约为3.8亿kw,占世界首

位,但人均值只有0.13kw。因此,我国要大力开发研究再生能源的新技术,

进一步降低发电成本。这样,再生能源的可持续发展前景是大有希望的。

(汪　洋)