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中国第四代核电加速度 废料不再被抛弃解决污染难题

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2010年8月6日下午4时,位于北京房山区新镇的中核集团中国原子能研究院内,一切如故,除了几名工人在门口进行道路施工之外,这里与往常没有太多变化,73 岁的徐銤开完会,匆匆回到自己的二楼办公室,他面前三台正在运行的电脑屏幕上,显示着密密麻麻的数据。而就在几天前,这里发生了一件大事——中国实验 快堆首次临界成功,这标志着中国在第四代核电技术方面取得了重大突破,我国也因此成为世界上第八个掌握这一技术的国家。 徐銤是中国实验快堆总工程师,1961年清华大学毕业之后,就走进了中国原子能研究院,在这个岗位上一干就是半个世纪。提起试验快堆的首次临界,这位温和 谦虚的老人娓娓道来,脸上始终挂着灿烂的笑容。在他看来,快堆技术的运用和第四代核电技术的成熟,为未来中国能源发展找到了一劳永逸的解决方案。 为了缓解经济发展与能源消耗的矛盾,减少二氧化碳排放对环境的压力,近年来,作为清洁能源的核电获得了井喷式的发展。尽管中国目前运行的核电机组总功 率仅为910万千瓦,但在建的机组却多达23台、总装机2540万千瓦,占世界57台机组的40%,我国也因此成为了全球核电在建规模最大的国家。 核电项目的快速上马,推动着国家不断调整核电发展的规划目标。2006年国务院通过的《核电中长期发展规划》目标是,到2020年中国核电装机总量达到4000万 千瓦。但核电发展的现状远远高于预期,2010年7月,国家能源局宣布,预计到2015年,中国核电装机将达到3900万千瓦,到2020年则达到7000万千瓦。 核电潜力的快速释放也带来了很多麻烦,天然铀短缺、核废料的处理等困扰核电可持续发展的问题都会随着核电的爆发式增长而逐一显现。但是,以快堆为代表 的第四代核电技术的成熟与完善,为从根本上破解这些难题提供了可能。 快堆技术突破 2010年7月21日9时50分,中国试验快堆主控室内所有的人都屏住了呼吸,眼前大屏幕上的数据在不停地闪烁,当源量程周期稳定在100秒达到了两分钟时,中核集 团副总经理杨长利大声宣布:“中国试验快堆达到首次临界,”顿时,室内一片欢腾,热烈的掌声经久不息。 核反应堆临界相当于常规火电站锅炉的点火,是机组具备发电能力的必要条件,临界之后,再经过试验和不断提高功率,机组便可以发电和满负荷运行了。 “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。”杨长利激动地表示。 作为国家863计划重大项目,中国实验快堆是中核集团第四代核能技术研发的重点,该堆采用已在美、法、俄、日等国家有多堆运行经验的钠冷快堆技术,其热功 率为65兆瓦,电功率20兆瓦。 快堆是快中子增殖反应堆的简称,是第四代核技术的六种堆型之一,由于其消耗燃料的同时,能够使燃料增殖,而且其技术在全球范围内相对较为成熟,因此被 看作是第四代核技术中,最有可能商业化的堆型。 建造实验快堆是我国快堆发展的第一步,随后将进行示范快堆和商业快堆的建设。据中国试验快堆总工程师徐銤透露,2013年,我国将在福建三明市开工建设两 座80万千瓦的示范快堆项目,计划2020年建成。 “快堆要想商业化,必须具备经济性和技术上成熟,目前快堆技术整体上还处于试验阶段,全球预期2025年—2035年进入商用阶段。”中国工程院院士、核电专 家叶奇蓁对《能源》杂志记者表示。 随着快堆技术的不断发展,目前在经济性上已经具备了竞争力。徐銤向《能源》杂志记者介绍说,“在上个世纪70年代,利用快堆技术建造核电站,其成本是压 水堆的2.5倍,随着这一技术的不断成熟,到2000年,其成本与压水堆已基本持平。” 目前全球运行的400多座核电站中,绝大部分采用的是二代和二代改进技术,以美国西屋公司AP1000和法国阿海珐公司EPR为代表的三代技术目前正在进行商业化 推广,建设中的浙江三门和广东台山核电站分别采用了上述两种技术。 但不管是二代还是三代,均属于热堆技术,其堆型绝大多数为压水堆,热堆裂变使用的燃料主要是铀235,但是这种资源只占自然界铀储量的0.66%,而以快堆为 代表的四代核技术则不使用铀235,而是使用钚239,配合占自然界储量99.2%的铀238做燃料,使得自然界的天然铀的利用得到了大大提高。 “三代技术与二代相比,没有实质性的差别,只是在安全性提高了一些,技术上更先进一些,但是四代核技术与二代、三代有本质性区别,它是一种燃料增殖技 术,大大提高了现有资源的使用率。”叶奇蓁表示。 国际上快堆技术起步于上世纪40年代,截至目前,世界上共建成了各种类型的快堆21座。中国尽管从上世纪60年代就开始了快堆的研究,但由于各种因素,快堆 的发展一度陷入停滞。1995年12月,中国试验快堆正式获国家批准立项,经过十多年的努力,终于实现了成功临界。 值得关注的是,在整个快堆技术的研发过程中,我国全部以自主设计、自主建造、自主安装和自主调试的方式进行的。整个项目建设中的上万个设备,其中70%是 国产的,实现了70%的自主化率。“这并不代表剩下的30%我们都不会建造,而是因为核电的安全要求非常高,我们自己生产的这些设备还没有经过足够长时间的 验证,因此选用的国外的设备。” “四代核技术成熟之后,我国将不再进口国外的技术,核电发展将结束购买技术的历史。”徐銤说。 破解铀资源难题 核电尽管清洁、高效,但是其主要燃料——铀资源的短缺已经成为制约核电持续发展的主要瓶颈之一。随着第四代核电技术的发展与成熟,这一难题有望从根本 上得到解决。 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%,“而在快堆状态下,铀资源利用率理论上可达到100% ,扣除损耗也能有60%—70%,也就是说,快堆的铀资源使用率比热堆可以提高至少60倍。”徐銤说。 由于压水堆只烧掉了其燃料的1%,最后有大量的核废料产出,“而在快堆状态下,大部分废料可以作为快堆的燃料使用,因此大幅度提高了天然铀的使用率。” 叶奇蓁表示。 按照现有的压水堆技术,一座100万千瓦的核电站,60年消耗1万吨天然铀。以我国910万千瓦的装机容量计算,目前我国每年消耗天然铀在1500吨左右。 而近期报道称,目前我国的铀矿年产能为1040吨,产量只有750吨,而按照国内核电站投资建设增长趋势,预计2015年我国产需缺口将超过1万吨,到2030年更将 高达近3万吨。 从世界范围内来看,铀资源的前景也不太乐观。据徐銤透露,目前全球130美元/公斤之下能够开采的铀资源仅为530万吨,这也就意味着,这些天然铀仅仅能够供 应530座100万千瓦的核电站使用60年,而目前全球正在运行的100万千瓦的核电站为372座。解决全球范围内的铀资源短缺问题已迫在眉睫。 快堆技术的发展,使铀资源短缺问题变得不再迫切。“打个比方,如果说现在热推条件下天然铀能够使用100年的话,利用快堆就可以使用6-7千年,”中国原子 能研究院院长赵志祥说,“通过使用快堆,我们国家可以在千年的时间尺度上解决我们的核能发展问题。” 另一方面,由于快堆能够提高天然铀的使用率,还使得很多贫矿具有了开采价值,这将使世界可采铀资源增加上千倍。专家预计,以目前探明的天然铀储量推测 ,快堆的使用可使铀资源可持续利用3000年以上。 事实上,快堆不仅具有理论价值,还在国际上进行了示范运用。徐銤介绍说,目前全球正在运行的快堆有5座,其中最具典型性的是俄罗斯BH-600核电站,从1980 年至今,这座快堆核电站的铀资源平均利用率达到了74%,而且运行平稳。 废料不再被抛弃 快堆技术之所以能够大幅度提高天然铀的使用率,主要原因在于快堆状态下,核废料能够作为燃料重新使用。这在解决燃料问题的同时,也在很大程度上解决了 核废料的污染问题。 “现在使用的二代压水堆技术,只是利用了整个产业链的上游环节,快堆则把整个产业链闭合了起来,形成了循环经济,这样就使得经济更加优化,环境更加友 好。”叶奇蓁表示。 尽管核能是一种清洁能源,但核废料的处理却是一个令全球头疼的问题。徐銤介绍说,压水堆产生出来的核废料不仅量大,而且放射性强,如果直接进行地质处 置,耗资极其惊人。据介绍,压水堆核废料的放射性一般会延续300—400万年,保存不好会产生极大的危害,尽管目前由于核电规模小还没有产生大的影响,但 在国际上已经招致反核人士的强烈抨击。随着未来全球核电的大发展,放射性物质会越来越多,核废料的处置问题必然无法回避。 快堆技术的应用,可以在很大程度上解决这一问题,“相比压水堆,快堆产生的核废料非常少,废料的一部分作为燃料被再次燃烧掉了,而且也大大降低了其辐 射性,压水堆产生的废料,经过200—300年就能够达到与天然铀一样的放射水平,对其加以储存就不会对人类产生危害。”徐銤说。 快堆技术既能节约燃料,又可以减少污染,可以说一举两得。因此,中核集团公司总工程师雷增光满怀信心地表示,“快堆是集团公司核电发展的未来,是集团 抢占核电发展战略制高点、增强核心竞争力的有力体现。” 但快堆的临界只是一个开始,徐銤预计到2030年,快堆技术在我国才能实现商业化运用。而在2030年之前的20年间,还有非常艰辛的工作等着他和他的同事们。 “这20年间,需要加大科研力量,至少增加3倍以上的技术人员,要达到工业规模的快堆运行,保证未来的快堆能够达到第四代核电发展水平,还需要研究设备系 统的可靠性,以及加强对材料、工艺方面的研究等。”徐銤表示。
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