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煤电优势与核电复兴

2008-04-07 12:46 作者:袁越 2008年第11期
今年3月,浙江三门核电站1号机组的核岛工程负挖正式开工,标志着中国在建核电机组数量由上世纪末的零台增加到了现在的14台,用实际行动引领世界潮流,在全球掀起了一股核电复兴浪潮。

今年3月,浙江三门核电站1号机组的核岛工程负挖正式开工,标志着中国在建核电机组数量由上世纪末的零台增加到了现在的14台,用实际行动引领世界潮流,在全球掀起了一股核电复兴浪潮。

煤电优势

今年春节前后的一场暴风雪,让很多中国人突然意识到,电其实是顺着铁路线走的。

中国75%的电力来自煤炭,只有2.5%来自石油,因为大部分石油都被汽车喝掉了。煤炭运输成本高,中国铁路的运力至少有一半都用来运煤了。目前很多火电厂的煤库存都坚持不了一个星期,一旦铁路运输出了问题,直接后果就是拉闸。

中国是世界上煤炭开采量最大的国家,目前年产量超过了25亿吨,占世界总开采量的40%,其中一半用于发电。煤电最大的优势就是成本低,水电虽然在价格上更有优势,但受地域限制,对环境的影响大,发展潜力有限。

可是,随着世界能源危机加剧,煤炭价格一直在涨。今年国际市场的煤价比10年前涨了3倍,达到了每吨130美元。国内的煤炭交易平均价格也比两年前上升了30%,按照这个速度涨下去,煤电的低价优势将化为乌有。

煤炭储量也是个问题。按照目前流行的说法,地球的煤炭资源至少还能供人类使用100年。可是,根据总部设在德国的“能源观察”组织提供的最新资料,世界煤炭储量第二大的俄罗斯已经有10年没有更新该国的煤炭储量数据了,储量第三大的中国这个数据甚至还停留在1990年。因此,决策者们关于地球煤炭总储量的估计相当不可靠。另一个不争的事实是:容易开采的高质量煤炭储量正在迅速减少,中国的大部分煤矿都已经挖到了距地面1000米以下,开采成本大幅度提高。

所有这一切,又一次把核电推到了聚光灯下。

核电复兴

“维持电网运行的主力军叫做‘基本负荷’电站,简称‘基荷电站’。”美国西屋电气有限公司中国首席代表刘信刚告诉本刊记者,“‘基荷电站’需要不停地满发,把电网的基本要求担当起来。风能和太阳能等再生能源的能量密度太低,目前只能作为调控电站使用。相比之下,核电是最典型的‘基荷电站’,核反应堆最好是一刻不停地发电,让它停下来反而相当麻烦。”

刘信刚毕业于清华大学热能工程系,2000年进入西屋电气公司,亲眼目睹了近几年核电的复兴。“上世纪七八十年代是核电工业的黄金年代,那段时间欧美各国建造了大批核电站,为核电工业打下了坚实基础。目前核电家底最厚的国家是美国,一共有103座核电机组在运行,总发电量则稳居世界第一。不过,自90年代开始,美国没有再新建一座核电站,全靠老电站维持。但就在这两年,美国核管会收到了将近30个核电站的建设申请,核电复兴的势头相当猛。”他说。

国际原子能机构(IAEA)提供的数据显示,世界新增核电站的速度在1985年达到顶峰,但1986年的切尔诺贝利事件让核工业进入了历史上最寒冷的冬天,新建核电站数量直线下降。因为旧核电站退役的缘故,1998年的核电总装机容量甚至出现了负增长。有意思的是,核电的总发电量却一直在稳定增长,核电占世界总发电量的百分比近10年来一直稳定在16%左右。

“随着技术的发展和能源需求的持续增加,核电站的发电效率一直在不断提高。”世界原子能协会(WNA)的项目主管玛格努斯·莫里(Magnus Mori)博士向本刊记者解释说,“全世界核电站的满负荷工作时间从1990年的73%增加到了2004年的83%,单这一项数字就相当于新建33个百万千瓦级的核电站。”

但是,核电站的效率不可能无限提高。2007年全球核电总发电量比2006年降低了大约3.6%,显示出核电站发电效率的提高幅度已接近极限。根据国际原子能机构的统计,目前全世界一共有439台核电机组并网发电,比2002年少了5台。由于大部分现役核电站都是在上世纪七八十年代兴建的,而老式核电站的设计年龄大都不超过40年,所以核电站的退役高峰期将很快到来。

进入21世纪后,核电行业又被注射了一针强心剂,那就是全球气候变化。从理论上讲,核电几乎不产生二氧化碳,对那些有减排压力的发达国家来说,建核电站又有了一个新理由。去年年底召开的联合国气候变化会议上,各种核电机构和技术公司都派了大批人员前去游说,几乎每天都会有一个与核电有关的研讨会出现在公告牌上。举办者用精美的小吃和酒精饮料吸引谈判代表前往参加,向代表们宣传核电的“低排放”优势。

就在这样的背景下,自2004年开始,核电复兴的浪潮渐渐成型。除美国外,法国一直没有停止建造核电站,目前法国的核电发电量占本国发电总量的78%,是当之无愧的欧洲老大(相比之下,美国核电总发电量只占20%左右)。英国在停滞了多年之后,于今年1月对外宣布重新启动核电计划。另一个核电强国俄罗斯目前有4座核电站正在建设中,俄罗斯政府今年3月刚刚公布了一份核电远期规划,计划到2020年建成42座新的核反应堆。

当然,核电复兴的真正热点在亚洲。其中,日本和韩国一直没有停止建造核电站,印度则明显加快了节奏,目前至少有6座核电站正在兴建中,大有后来居上的气势。中国除了三门核电站的2台机组外,还有岭澳二期2台、秦山二期扩建工程2台、红沿河一期4台和宁德一期4台,一共14台核电机组、总计1338万千瓦正在建设中。已经通过认证、即将开工的核电站就更多,在建和将建的机组中,比较有名的是去年7月从美国西屋购买的4台“先进型非能动1000”(AP1000)核电机组,以及去年11月从法国阿海珐公司购买的2台“欧洲压水堆”(EPR)核电机组。

“如果说别人是复兴的话,中国只能说是大规模起步。”刘信刚说。根据中国核科技信息与经济研究院提供的数据,中国大陆目前有11台、共906.8万千瓦的核电机组投入商业运行,发电量仅占全国总发电量的1.9%,远低于世界平均水平。事实上,在全世界已经拥有核电站的31个国家和地区当中,中国的核电所占比例是最低的。

去年5月国家发改委颁布了《核电中长期发展规划(2005?2020年)》,把中国2020年的核电装机容量目标定在了4000万千瓦这个看似不高的数字上(相比之下,一个三峡水坝的总装机容量就高达1820万千瓦)。但如果要实现这一目标,中国必须在今后十几年里每年新建2?3个百万千瓦级的核电机组,即使全部实现国产化,至少也需要上千亿元人民币的资金。因此,要想实现“发改委”制定的目标,无论是资金来源还是技术支持,甚至厂址选择,都将为我国的核电产业带来不小的困难。

比如,去年引起民众广泛关注的核电新闻并不是中美或者中法之间的技术转让协议,而是山东乳山核电站的环评问题。去年12月6日,当时的国家环保总局在其网站上刊登了一则短讯,指出“乳山核电项目尚未向我局提出申请,我局并没有受理该项目”。这篇不到200字的说明经媒体放大,引起了公众广泛关注,有相当多的反核人士借机公开质疑核电的安全性和经济性。

事实上,他们绝不是孤立的。全世界仍然有不少环保组织和政党坚持反核立场,比如,德国、西班牙和比利时政府一直拒绝批准建造新的核电厂,就是因为对核电的安全性没有信心。

核电安全吗?

“如果全听环保NGO的,那么大家都自杀得了。”一位不愿透露姓名的国家发改委能源问题专家对本刊记者说,“世界上任何一种能源都有人反对。火电排放二氧化碳;水电对鱼类不好;太阳能电池的制造过程会消耗能源,污染环境。就连风电都有人反对,欧洲专门有一批NGO反对风电,理由是风力发电机太难看,破坏自然环境的美感,而且会伤害鸟类……所以,NGO的话也许可以为决策者提个醒,但绝对不能全听。”

在这位专家看来,新一代核电的安全性已经做得相当好了。“切尔诺贝利事件是个特例,几个小概率事件同时发生,这才酿成惨祸。”这位专家指出,“相比之下,美国的三哩岛核电站同样发生了核泄漏,但其影响在可控范围内,没有造成破坏性后果。”

三哩岛事件发生在1979年的美国,是人类和平利用核能过程中出现的第一例事故。当时,由于操作人员疏忽大意,导致三哩岛核电站的2号反应堆过热,造成堆芯熔化,放射性物质因此发生泄漏。幸运的是,核电站坚固的外壳把反应堆包在了里面,只有极少量的放射性物质泄漏到周围环境中。事后对周围居民和生态环境的检测显示,此次事故没有造成不良影响。

“三哩岛事件恰恰说明了核电站是安全的。”刘信刚说,“如果保护系统正常运作,完全能控制核泄漏的发生。切尔诺贝利事件则是由于人为失误造成的,当时的苏联工作人员违反程序,在关掉了保护系统的情况下在线做实验,造成反应堆过热熔化,再加上苏联人设计的反应堆不带安全外壳,于是灾难就发生了。”

根据国际原子能机构的统计,目前为止全世界核电站一共运行了1.27万堆年,只发生了上述两起重大事故。其中只有切尔诺贝利造成了实质性的伤害,三哩岛以及其他几个小事故都被成功地控制在电厂内,对周围环境没有造成负面影响。如果对比一下单位发电量的死亡人数,水电是核电的100倍,煤电是核电的40倍。

“我国之所以在很长一段时间里没有建造新的核电站,主要原因是成本太高。”中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会秘书长李俊峰对本刊记者说,“即使在煤炭的运输成本和开采成本不断上升的情况下,目前中国煤电的上网电价仍然维持在每度电大约0.4元的水平,风力发电和核电的上网电价都是0.5~0.6元,太阳能则高达3~6元,它们暂时都无法在经济上和煤电竞争。”

但是,如果煤炭价格继续涨下去,或者联合国为了遏制全球气候变化,强行给化石能源加上碳税,经济的天平就会向核电等低排放能源倾斜。今年1月,欧盟对碳交易规则进行了修改,把“碳排放许可证”的发放方式由免费发放改为竞标发放。这一修改将大大提高碳的价格,根据英国政府的测算,如果碳价在现有基础上提高50%,达到每吨36欧元,那么核电站就会比传统电站更加有利可图。因为核电站的碳排放量很低,仅仅是出卖碳排放权这一项,每座大型核电站在其运行的40年时间里,都会获得25亿欧元的收益,超过了核电高成本带来的经济损失。

国际反核人士们对此心情矛盾。他们不愿看到核电复兴,但核电的“低排放”特性却让他们很难找出批评的理由。去年的联合国气候大会上,凡是有关核电的讲座都会吸引来大批反核人士前来旁听,不少人公开质疑核电的“低排放”特性。“核电需要的铀也是从地下挖出来的,挖矿的过程中产生的二氧化碳和核电节省的二氧化碳抵消了。”一位来自南非的反核人士这样对本刊记者说。

“这个说法是不正确的。”莫里博士对本刊记者解释说,“根据国际原子能机构的计算,目前核电每发一度电排放的二氧化碳当量是1~6克,大致和风能以及水电相当,化石能源则是60~460克二氧化碳。根据这一数字计算,全世界的核电站每年少排25亿吨二氧化碳,相当于全世界一半的汽车所排放的二氧化碳总量。”

那么,核电站是否会对周围环境产生放射性危害呢?乳山核电站周围的居民担心的正是这一点。莫里博士对此有自己的看法:“国际上对于核电站和居民区之间的距离并没有统一规定,每座电站可以根据自身情况制定相应的政策,从小于1公里到几公里都是可能的。”

去年12月号的《科学美国人》杂志刊登了一篇文章,认为核电站周围的放射性比煤电还要小。文章称,当煤燃烧变成飞尘后,铀和钍的浓度就变成原初状态的10倍。美国橡树岭国家实验室的麦克布赖德博士和他的同事们研究了住在煤电厂周围的人受到的辐射剂量,并和住在核电站周围的人相比较,结果前者更高。不过,该文援引麦克布赖德的话说,煤厂产生的辐射给人们带来的健康风险其实也很低,烧煤产生的其他有害气体(比如能够形成酸雨的二氧化硫,以及能形成烟雾的一氧化二氮)远比辐射的危害更大。

“中国政府之所以做出重新发展核电的决定,和二氧化碳的关系不大。”李俊峰说,“主要原因在于中国烧煤烧得太厉害了,烧煤造成的空气污染非常严重。”李俊峰认为,中国不是不想多建核电站,而是因为没有能力。再加上选址越来越困难,以及民间反核的声音不断加大,这些因素都给核电发展带来了一定的负面影响。“台湾地区反核比大陆还要厉害,他们为了是否建‘核四’举行过一次全民公投,结果被否决了。台湾老百姓说,我们宁愿不用电,也不要建‘核四’!要想消除老百姓对核电的恐惧,必须加强宣传。核电到现在为止只出过一次事故,结果老百姓谈核色变,煤矿天天出事,大家倒不怕。”

记者提出,国际上还有一种意见认为发展核电会造成核扩散,而且核电厂很容易成为恐怖分子袭击的目标。对此李俊峰认为,核电技术和原子弹之间虽然有联系,但差别明显。“中国、印度和巴基斯坦都是在拥有核电站之前就有了原子弹。”李俊峰说,“核电站用的铀纯度在5%左右,原子弹需要的纯度是95%以上。原子弹最大的技术难点是铀的浓缩,而核电站的技术核心是可控核裂变,两者完全不同。控制不控制核电站,和原子弹没有多大关系。”

至于说到防止恐怖分子袭击的问题,李俊峰认为,目前核电站的防护措施很严格,“当然了,世界上没有绝对安全的东西,如果恐怖分子发射一颗导弹什么的,也会造成麻烦。所以说,如果能够找到替代能源,我们可以不搞核电,但中国目前做不到”。

二代还是三代?

既然一定要建核电站,让我们把目光转向技术层面,看看中国适合发展哪种核电技术。

“目前,不同的核电技术从能量生成机理上讲都是一样的,差别在于冷却的方式不同。”刘信刚解释说,“按照不同的冷却方式,核反应堆分为压水堆、重水堆和沸水堆等不同类型。目前全世界有65%的核电站采用的是压水堆,这是西屋首创的技术。”

不过,由于很多历史原因,中国也拥有其他一些堆型,比如秦山三期采用的就是加拿大的独门秘技——CANDU-6重水堆。按照“发改委”能源局副局长王骏的说法:“中国核电发展最大的问题就是已有核电站种类多,技术来源杂,标准不统一。这一现状直接造成了中国核电自主化程度低,工程造价高,标准化程度不够。为此,中国政府经过慎重考虑后,决定把压水堆作为主要技术路线。”

国际上还有一种分类方法,把核电技术分为一代、二代和三代。现役的大部分核电站都属于二代,中国也是如此。李俊峰认为,不同代核电站的技术之间没有本质的区别,主要差别在于安全性,“二代核电站加上了自动保险装置,不需要人的参与,这就避免了出现切尔诺贝利那样的人为事故。三代核电站则进一步完善了安全措施,发生事故的概率更低”。

同为第三代核电站,不同厂家也有不同思路。刘信刚详细解释了它们之间的不同:“提高安全水平有两种做法,一种是做加法,就是不断添加保护装置。比如二代核电站至少有两列保护装置,就是双保险,到了第三代,甚至加上了4倍保险,这样就大大提高了安全等级。法国的EPR就是这么做的。但是,这样做的缺点就是设备越来越多,成本自然也就上去了。于是,为了降低相对成本,这类核电站往往越做越大,比如EPR的装机容量就达到了160万千瓦,对电网的冲击很大。另外,这些保险装置都需要用电来驱动,如果突然停电,就会出问题。

“相比之下,西屋采用的是另一种思路,就是做减法。西屋的AP600就是按照这一思路设计出来的第一种‘非能动’核电站,依靠自然力完成保护动作。打个简单比方,我们可以把冷却水预先放置在反应堆上方,一旦出事,闸门自动打开,水依靠重力倾泻而下,给反应堆降温。这样做的好处显而易见:一来可以不需要电力,断水断电也没事;二来简化了设备出故障的概率,并且降低了成本。”

国际原子能机构对核电站的安全性要求极高,二代核电站的堆芯熔化率必须达到10-5,也就是每10万年出现一次。这个概率看起来很低,但如果考虑到全球一共有400多个核电站,出事概率就提升了两个数量级,听起来就有些可怕了。三代核电站进一步降低了故障率,堆芯熔化率达到了惊人的10-7,也就是每1000万年出现一次。

此外,第三代核电站在核燃料的利用率和发电效率方面也都比二代核电站要好。但是,中国目前运行的核电站都是二代的,中国核工业界不少人都对二代技术情有独钟,他们不愿看到自己熟悉的技术就这么轻易淘汰。不少人争论说,大部分三代核电站都还处于图纸阶段,缺乏实践的检验。

确实,目前已经投入商业运行的三代核电站只有日本有,他们采用的是美国GE公司开发的ABWR(先进型沸水堆)技术,而三代压水堆目前全世界只有一台在建,就是正在芬兰奥尔基洛托(Olkiluoto)建设的法国EPR核电站。

“这座电站开工仅两年就暴露出了很多核电站常见的问题。”绿色和平组织的中国能源项目主任杨爱伦对本刊记者说,“核电站的特点就是建设费用高,周期长。奥尔基洛托核电站的工期滞后了18个月,费用超出预算7亿欧元。”

“法国EPR没有通过法国国内核安全当局的全面系统审查,这也是芬兰项目出问题的原因之一。”刘信刚说,“AP1000通过了美国核管会的详细认证,技术上是有保证的。”

可是,毕竟已经有一座EPR电站正在建设当中,AP1000则完全是“纸上谈兵”。对此疑问,刘信刚回答说:“AP1000的设计经过了美国核管会多年的全面审查和认证,并获得最终批准。AP1000采用全部业已使用的成熟技术,美国核管会在批准AP1000设计的同时,认为不需要建造原型堆即可批量建造。美国目前新申请的20多座核电站中,有14座选择了AP1000,说明美国人对AP1000是有信心的。我相信AP1000将会很快在全世界普及开来,成为三代核电站的主流技术。”

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