对于正在提速核电发展的中国而言

从设计到制造再到运营,我国都是“零经验”。随着临界成功,中国成为继美、俄、法等国之后,世界上第8个拥有快堆技术的国家

随着中国实验快堆主控室内越来越急促的滴滴计数声,在场所有人的心也被紧紧提起。2010年7月21日9点50分,源量程周期稳定在100秒达到了两分钟,中国核工业集团公司副总经理杨长利宣布:“中国实验快堆首次实现临界!”当时在场的很多老专家已经无法抑制心中的激动,现场响起一片热烈的掌声。

临界后的座谈会上,杨长利激动地说:“对于正在提速核电发展的中国而言,实验快堆临界成功将极大地加快我国核电建设步伐,作为在建核电规模最大的国家,中国正在以自己的速度,追赶乃至引领世界核电步伐”。

此刻,这项我国核电领域的重大自主创新成果,意味着我国在第4代先进核能系统技术上已经实现了重大突破。

核电:能源结构优化上选

将时间倒回6月,国际能源机构与经合组织核能机构联合发布未来核能发展路线图。路线图指出,从现在起到2050年,全世界1/4的电力都将通过核能获得。

人们不禁要问:核电为什么这么受宠?它的好处在哪里?中国实验快堆工程部总经理张东辉告诉记者,核电在清洁能源减少二氧化碳排放上发挥着“至关重要”的作用。在我国能源结构中,煤炭、石油等化石类能源一直占据绝对主导地位,势必对节能减排造成压力。为应对全球气候变暖,我国政府决定大力发展可再生能源,积极推进核电建设。

“它没有二氧化碳排放,是零排放,是清洁能源。现在我国主要是以火力发电为主,排放压力很大,所以今后全球包括中国都希望加大核电的比重,减缓对气候变化的影响。核能的利用在全球来讲,应该说是一个方向吧!”张东辉这样说道,“更何况从全产业链来看,核能是最为节能减排的能源形式。哪怕是水电,在建设过程中对于水泥等建筑材料的消耗量仍然远远超过核电”。

按照国际能源机构的介绍,目前核能利用技术已经十分成熟,几乎所有全球在建的新型核反应堆都以50年技术发展作为基础。我国目前引进的一些先进技术,可以使核电站运行60年,而传统的火电站只有20年寿命。

除了大家熟知的秦山核电站、大亚湾核电站以外,近年来,浙江三门核电站、山东海阳核电站、广东台山核电站等项目相继开工建设。数据显示,截至去年年底,中国已经核准10个核电项目,成为世界上在建核电规模最大的国家。与其他清洁能源相比,核电还具有成本较低的优势。数据显示,上述6座目前我国正在运营的核电站上网电价在0.39-0.46元之间,已经低于当地火电价格。

因此,如果要达到扩大能源供给、减少碳排放、优化能源结构3大主旨要求,核能已经成为清洁能源的不二选择。

那么我国目前核电发展形势又是怎样呢?说到这里,张东辉轻轻摇了摇头:“目前为止我国核能发电量占总发电量的约2%,核电的装机容量也仅仅只有900万千瓦,所占比例过小,远远落后于世界平均水平”。

国际能源机构的最新统计数字显示,目前全球核设施发电量占全球发电总量的14%,而发达国家基本都已达到30%左右。相对比我国2%的数字而言,显然相去甚远。

为此,中国已经有了自己核电发展时间表,计划到2020年非化石能源在能源消费的占比达到15%左右,到2020年核电总装机达7000-8000万千瓦,较2009年底的910万千瓦增长近9倍。

快堆:核电发展新时代

然而,我国乃至全球爆发式的核电需求带来了诸多问题,燃料,就是其中最为关键的一个。

“当我们都希望建设核电站的时候,就需要想一想,世界上存量核能是否有能力担负这样的重任”,张东辉语重心长地告诉记者,核能在这点上与化石能源性质类似,同样存在资源枯竭问题。数据显示,目前,在核电站中广泛应用的压水堆(如我国的秦山、大亚湾核电站堆型),对天然铀资源的利用率只有约1%,根据目前全球的铀矿探明储量470万吨,按照现有压水堆使用模式及数量计算,可供人类使用约65年。

但是现有电站主要分布在发达国家,例如美国、欧洲、日本,而当中国一跃成为在建核电站最多的国家后,发现如果我们要达到核电发电量占总发电量20%-30%这样一个比例,需新建核电站400-500座,这一数字相当于目前全世界核电站数字的总和。

对中国自身而言,更为严峻的事实在于,我国探明铀矿储量仅有10万吨左右,占全球比例约2%,属贫铀国。这意味着,随着我国核电建设的推进,未来铀矿需求将明显增加。如果缺乏充足的铀矿资源支撑,难免再现在原油、铁矿石资源上受制于国际矿商的窘境。

除此之外,大规模核电建设所涉及的安全隐患也广为公众诟病。在人们仍然谈“核”色变的今天,对环境和人类的长期影响也成为制约核电大规模发展的因素之一。

在张东辉看来,上述两个问题都需要新技术予以解决。2000年,以美国为首的11国提出第4代核电系统建设项目,我国于2006年加入其中。在第4代核电系统评估体系中共提出4项指标来判定新技术是否具有推广价值,其中可持续性、安全性、经济性及核不扩散位列其中。

“核电建设前期投入巨大,如果几十年之后铀原料枯竭了,这一方式便必然不能成为解决能源问题的长久之计。而目前世界范围内技术最为先进的核聚变在实验室里已经做到,但集全世界之力也仅仅在法国建立了一个实验装置,且花费百亿美元,经济性过低商业推广便没有价值。”根据各项指标综合考量,各国确定了6种第4代核电系统主流堆型,这其中,3种为快堆。张东辉向记者娓娓道来,在快堆技术中,钠冷快堆,即我国首座实验快堆所采用的技术手段被公认为最现实、各方面最为均衡的技术。

那么快堆比目前商业推广成熟的压水堆技术高明在何处呢?“快堆可以将天然铀中99.3%的铀238转换成好用的钚239全部用来发电”,张东辉说,目前在核电站中广泛应用的压水堆(如我国的秦山、大亚湾核电站堆型),对天然铀资源的利用率只有约1%,而快堆则可将这一利用率提高到60%-70%。这一转换带来的效果可以将核电能量从百年延续到3千年以上。对于中国来讲,尽管国内铀资源比加拿大、澳大利亚等国家都要差,但如果全面采用快堆技术,自己的铀资源在全国的电都通过核电方式解决的前提下,也可延续千年。

由于利用率的提高,相对较贫的铀矿有了开采价值。就世界范围讲,可采铀资源将因此增加上千倍。以目前探明的天然铀储量推测,快堆的使用可以使铀资源可持续利用3000年以上。

快堆技术不仅实现核燃料“越烧越多”,还具有处理压水堆核废物的环保意义。压水堆在反应后的剩余物放射性仍然很强,如果直接进行地质处置,耗资惊人,占地惊人。

此前就有韩国媒体报道称,韩国原子能研究院预计投资300亿韩元(1美元约合1140韩元)研发钠冷快堆技术,最重要原因在于韩国现有的4座核电站,20座核反应堆年产生约700吨核乏燃料,截至去年年底已累计储存1万吨。照此速度,到2016年,这些“不受欢迎”的高放射性材料现有的储存空间就将处于完全饱和状态。

而我国开发的实验快堆就是采取钠冷快堆这种技术手段,它可利用核乏燃料作为核燃料。所谓核乏燃料是指在反应堆内用过的核燃料,它含有铀等放射性材料。在对核乏燃料进行再处理以供钠冷快堆使用时,可以不分离钚,而是将钚同其他元素混合,重新作为核燃料使用。而这些核废料在快堆反应中经过回收再利用以后,放射性物质的衰变期只有二三百年,可以大大减少核废物处置量,降低乏燃料长期毒性风险。张东辉告诉记者,在把其他技术所不能利用的贫铀进行转化过程中,一座快堆可以支持5-10座压水堆的长寿命放射性废物的处理,具有十分良好的经济效益。

对于安全问题,张东辉认为公众大可不必有恐慌情绪:“大家很担心的是:核电站和原子弹有什么区别?实际上这两者在原理上完全不同:原子弹要把高纯的核材料通过炸药爆炸在极短的时间内压缩到一起形成核爆炸;而核电站的核材料是分散在堆芯内部,在可控状态下进行能量的缓慢释放,在任何情况下都不会发生类似于原子弹的情形。自原子能和平利用60年来,核电已经积累了大量的经验,尤其在安全方面已经形成了一整套的技术和方法,核电站在安全方面的投入也是其他工业所不能比拟的。下一代的核电,比如快堆,可以做到无论发生什么事故,都可以将其后果限制在厂区内部,不对厂外公众的生活产生影响”。

硕果:过程艰辛终成功

“快堆可以将铀资源的利用率从压水堆的约1%提高到60%-70%,同时可以将压水堆乏燃料中存在的长寿命放射性废物当作核燃料烧掉”。怀揣着这样的梦想,一群人坚守了近半个世纪。

中国实验快堆,这项国家“863”计划中投资最大的专案,早在上世纪
60年代中期就开始起步,主要在物理、热工、结构材料和钠工艺方面开展一些基础研究,随着社会经济变革,国家对科研的投入减少,国内快堆研究工作陷入困境。

当徐銤等快堆专家焦虑彷徨的时候,“863”计划的开展彻底扭转了这一局面。经过各领域专家的充分论证,快堆脱颖而出,被列入“863”计划能源反应堆主题项目。中国原子能科学研究院也在“八五”时期开始工程设计。确定了中国实验快堆堆本体采用池式结构,首炉使用UO2燃料并向MOX燃料过渡,液态金属钠做冷却剂,热传输系统采用钠、钠、水3回路系统,并首次在1回路设置非能动事故余热排出系统的设计方向。

中国实验快堆还实现了多方面突破:在世界上首次采用了非能动事故余热排出系统,与世界已建快堆相比,是最安全的一座快堆;自主完成了反应堆换料系统设计,快堆的换料是在封闭系统中靠遥控自动完成的,经实验验证该设计是先进可靠的;采用了先进的数字化技术,自主完成计算机监控和主控室设计,大大简化了主控室操作,给操纵员应急操作带来了极大方便。

张东辉告诉记者,事故余热排出系统的设计原理是依靠自然对流和自然循环导出余热,不用阀门和泵。因此,该系统可以保证在全厂断电、地震和失水等最严重的事故状态下,将堆芯余热导出,从而保证反应堆的安全。

回顾这座热功率65MW、试验发电功率20MW的实验堆建设过程,张东辉这位快堆当家人最为骄傲的是实验快堆对我国核电装备自主化全产业链带来的拉动作用。他微笑着告诉记者:我们希望通过实验快堆的建设,带动我国一批装备制造企业走上更加高端的自主创新之路”。

中国实验快堆有200多个系统,设备达7000多台套,除几个关键设备从国外进口外,其他全部由国内设计和制造,国产化率达到70%以上。

堆容器是中国实验快堆的核心部件,高12米,直径8米,壁厚25毫米,内部构件多达5.5万件,总重700多吨。该容器属于大型薄壁容器,制造难度极大。难点在于焊接工艺、热处理工艺、加工精度和长途运输。稍有不慎,造成返工或报废,就可能带来重大损失。

中国一重集团与原子能院一起联合设计并承担了这一大型非标设备的制造和安装,并实现了一次制造成功、一次运输成功、一次安装成功。创造了快堆大型核设备制造的高质量,也创造了我国自主创新的新纪录。这一成功标志着我国在核设备设计制造能力方面取得了新的突破。

除了大型设备以外,纯度要求很高的核级钠的生产必须提前做出安排。原子能院在基础研究中已经掌握了实验室规模核级钠的制备技术。但是要满足快堆335吨的供应量,必须建立工业规模的生产装置。原子能院与内蒙古乌海兰太实业公司达成院企联合生产核级钠的协议,并且共同建造了核级钠厂。2008年5月,300多吨核级钠全部运抵快堆现场。这不但实现了核级钠从实验室规模向工业规模的跨越,也推动了院企强强联合实现技术产业化目标。

未来:2020可商用

实验快堆临界后,原子能院只能享受片刻成功的喜悦,又将目光聚焦在下一步并网发电上。按照中核集团的规划,中国快堆发展拟采取3步走的发展战略:实验快堆—示范快堆—大型商用快堆,目前已经完成第1步。

张东辉在接受《中国投资》采访时首次披露,快堆工程部已与华北电网达成协议,将于2011年6月30日前并网发电。“当然,以目前实验快堆的体量,此次并网发电研究意义大于实际经济价值”,张东辉坦承,并网的目的是在于通过收集数据,力求对在实验快堆上预演商用后有可能出现的各种问题予以解决。毕竟目前实验快堆在运行中如果出现问题,可以随时“叫停”进行检测维修,但一旦商业化则没有这样的空间,因为对于一个发电站而言,“停产一天都将带来数百万以上的损失”。

据张东辉介绍,我国下一步建设的示范快堆,与目前的实验快堆相比,在功率、体量上有很大的变化,在技术上也需要有突破。

例如,实验快堆是以高浓二氧化铀为燃料,而为了实现核燃料增值,还需要在示范快堆中进一步研制铀和钚的混合燃料。在技术开发上,还需要加大对实验设施的投入。另外,还要通过示范项目将现在掌握的技术进行集成,通过示范堆的建设,对所有的工程问题、经济性问题进行验证,才能过渡到商用快堆,最终实现大规模投入运行。

“预计每10年完成一个阶段,即2020年完成自主技术示范项目,2030年之前完成商业化项目”,张东辉表示。

“和已经在国内成功应用了数10年的压水堆不同,对于快堆,从设计到制造再到运营,我国都是‘零经验’”。张东辉透露道,“现在实验快堆成功临界,那么示范性质的商用快堆也有希望建起来。在首个示范性商用快堆稳定运行一年左右之后,其他商用快堆便可完全照搬其技术进行大规模建设,之后就是不断地复制而已,从1个到10个,甚至到100个,都没有问题”。

记者在采访中也了解到,目前国家层面的计划是在2050年实现100座以上商用快堆的建设,数目之众足见国家推广决心之大。

此刻,当中国成为继美、俄、法等国之后,世界上第8个拥有快堆技术的国家,我们拭目以待核电新时代的到来。

何谓快堆

“快堆”是快中子反应堆的简称。快堆与秦山核电站、大亚湾核电站用的压水堆一样都是核裂变反应堆。在这种反应堆中为了保持引起裂变链式反应的中子主要是快中子,裂变出来的新的中子不能受到过分的慢化。快堆要用金属钠做冷却剂,将核裂变热能载带出来,最终将水加热成过热蒸汽,像火电站一样推动汽轮发电机发电。
来源:中核网

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